Actinio

El actinio es un elemento químico ; su símbolo es Ac y su número atómico  es 89. Fue descubierto por Friedrich Oskar Giesel en 1902, quien lo denominó emanio . Este elemento recibió su nombre por haber sido identificado erróneamente con una sustancia que André-Louis Debierne descubrió en 1899 y que llamó actinio. La serie de los actínidos , un conjunto de 15 elementos entre el actinio y el lawrencio en la tabla periódica , recibe su nombre del actinio. Junto con el polonio , el radio y el radón , el actinio fue uno de los primeros elementos radiactivos no primordiales en ser descubiertos.

El actinio, un metal radiactivo blando de color blanco plateado , reacciona rápidamente con el oxígeno y la humedad del aire, formando una capa blanca de óxido de actinio que impide su oxidación posterior. Al igual que la mayoría de los lantánidos y muchos actínidos , el actinio presenta un estado de oxidación de +3 en casi todos sus compuestos químicos. El actinio se encuentra únicamente en trazas en los minerales de uranio y torio como el isótopo ^227Ac , ​​que se desintegra con una vida media de 21,772 años, emitiendo predominantemente partículas beta y, en ocasiones , alfa , y el ^228Ac , que es beta-activo con una vida media de 6,15 horas. Una tonelada de uranio natural en mineral contiene aproximadamente 0,2 miligramos de actinio-227, y una tonelada de torio contiene aproximadamente 5 nanogramos de actinio-228. La gran similitud de las propiedades físicas y químicas del actinio y el lantano hace que la separación del actinio del mineral sea poco práctica. En cambio, el elemento se prepara, en cantidades de miligramos, mediante la irradiación de neutrones de 226Ra ^en un reactor nuclear . Debido a su escasez, alto precio y radiactividad, el actinio no tiene un uso industrial significativo. Sus aplicaciones actuales incluyen una fuente de neutrones y un agente para radioterapia .

André-Louis Debierne , un químico francés, anunció el descubrimiento de un nuevo elemento en 1899. Lo separó de los residuos de pechblenda que dejaron Marie y Pierre Curie después de que extrajeran el radio . ^{[ 6 ]} En 1899, Debierne describió la sustancia como similar al titanio ^{[ 7 ]} y (en 1900) como similar al torio . ^{[ 8 ]} Friedrich Oskar Giesel encontró en 1902 ^{[ 9 ]} una sustancia similar al lantano y la llamó "emanio" en 1904. ^{[ 10 ]} Después de una comparación de las vidas medias de las sustancias determinadas por Debierne, ^{[ 11 ]} Harriet Brooks en 1904, y Otto Hahn y Otto Sackur en 1905, el nombre elegido por Debierne para el nuevo elemento se mantuvo porque tenía antigüedad, a pesar de las propiedades químicas contradictorias que atribuyó al elemento en diferentes momentos. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Artículos publicados en la década de 1970 ^{[ 14 ]} y posteriormente ^{[ 6 ]} sugieren que los resultados de Debierne publicados en 1904 entran en conflicto con los reportados en 1899 y 1900. Además, la química ahora conocida del actinio excluye su presencia como algo más que un constituyente menor en los resultados de Debierne de 1899 y 1900; de hecho, las propiedades químicas que reportó hacen probable que, en cambio, hubiera identificado accidentalmente el protactinio , que no se descubriría hasta catorce años después, para luego desaparecer debido a su hidrólisis y adsorción en su equipo de laboratorio . Esto ha llevado a algunos autores a defender que solo a Giesel se le debería atribuir el descubrimiento. ^{[ 2 ]} Adloff propone una visión menos conflictiva del descubrimiento científico. ^{[ 6 ]} Sugiere que las críticas retrospectivas a las primeras publicaciones deberían atenuarse por el estado entonces incipiente de la radioquímica: destacando la prudencia de las afirmaciones de Debierne en los artículos originales, señala que nadie puede sostener que la sustancia de Debierne no contenía actinio. ^{[ 6 ]} Debierne, a quien ahora la gran mayoría de los historiadores considera el descubridor, perdió interés en el elemento y abandonó el tema. Giesel, por otro lado, puede ser legítimamente reconocido por la primera preparación de actinio radioquímicamente puro y por la identificación de su número atómico 89. ^{[ 14 ]}

El nombre actinio proviene del griego antiguo aktis, aktinos (ακτίς, ακτίνος), que significa haz o rayo. ^{[ 15 ]} Su símbolo Ac también se usa en abreviaturas de otros compuestos que no tienen nada que ver con el actinio, como acetilo , acetato ^{[ 16 ]} y a veces acetaldehído . ^{[ 17 ]}

El actinio es un elemento metálico blando, blanco plateado, ^{[ 18 ] [ 19 ]} radiactivo y metálico. Su módulo de cizallamiento estimado es similar al del plomo . ^{[ 20 ]} Debido a su fuerte radiactividad, el actinio brilla en la oscuridad con una luz azul pálida, que se origina por la ionización del aire circundante por las partículas energéticas emitidas. ^{[ 21 ]} El actinio tiene propiedades químicas similares al lantano y otros lantánidos, por lo que estos elementos son difíciles de separar al extraerlos de los minerales de uranio. La extracción con solventes y la cromatografía iónica se utilizan comúnmente para la separación. ^{[ 22 ]}

El primer elemento de los actínidos , el actinio, dio nombre al conjunto, al igual que el lantano lo había hecho con los lantánidos . Los actínidos son mucho más diversos que los lantánidos ^{[ 23 ]} y, por lo tanto, no fue hasta 1945 que el cambio más significativo en la tabla periódica de Dmitri Mendeléyev desde el reconocimiento de los lantánidos, la introducción de los actínidos , fue generalmente aceptado después de la investigación de Glenn T. Seaborg sobre los elementos transuránicos ^{[ 24 ]} (aunque ya había sido propuesto en 1892 por el químico británico Henry Bassett). ^{[ 25 ]}

El actinio reacciona rápidamente con el oxígeno y la humedad del aire, formando una capa blanca de óxido de actinio que impide una mayor oxidación. ^{[ 18 ]} Al igual que la mayoría de los lantánidos y actínidos, el actinio existe en el estado de oxidación +3, y los iones Ac ³⁺ son incoloros en soluciones. ^{[ 26 ]} El estado de oxidación +3 se origina a partir de la configuración electrónica [Rn] 6d ¹ 7s ² del actinio, con tres electrones de valencia que se donan fácilmente para dar la estructura estable de capa cerrada del gas noble radón . ^{[ 19 ]} Aunque los orbitales 5f están desocupados en un átomo de actinio, pueden usarse como orbital de valencia en complejos de actinio y, por lo tanto, generalmente se considera el primer elemento 5f por los autores que trabajan en él. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} El Ac ³⁺ es el mayor de todos los iones tripositivos conocidos y su primera esfera de coordinación contiene aproximadamente 10,9 ± 0,5 moléculas de agua. ^{[ 30 ]}

_{Debido a la} intensa radiactividad del actinio, solo se conoce un número limitado de compuestos de actinio. Estos incluyen: _AcF₃ , _AcCl₃ , AcBr₃ _, AcOF , AcOCl , AcOBr , Ac₂S₃ , Ac₂O₃ , AcPO₄ y Ac (NO₃ ) _{₃ . Todos} contienen actinio en estado de oxidación +3. _[ ^{26 ] [ 31 ] En} particular, las constantes de red de los compuestos análogos _{de lantano y} actinio difieren solo en un pequeño porcentaje. ^{[ 31 ]}

Aquí , a , b y c son constantes de red, N es el número del grupo espacial y Z es el número de unidades fórmula por celda unitaria . La densidad no se midió directamente, sino que se calculó a partir de los parámetros de red.

El actinio natural se compone principalmente de dos isótopos radiactivos : ²²⁷ Ac (de la familia radiactiva del ²³⁵ U ) y ²²⁸ Ac (nieto del ²³² Th ). ^{El 227} Ac se desintegra principalmente como emisor beta con una energía muy pequeña, pero en el 1,38 % de los casos emite una partícula alfa , por lo que puede identificarse fácilmente mediante espectrometría alfa . ^{[ 2 ]} Se han identificado treinta y tres radioisótopos , siendo el más estable ^{el 227} Ac con una vida media de 21,772 años, ^{el 225} Ac con una vida media de 10,0 días y ^{el 226} Ac con una vida media de 29,37 horas. Todos los demás isótopos radiactivos tienen vidas medias inferiores a 10 horas, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a un minuto. El isótopo conocido de actinio de vida más corta es el 217Ac ⁽ vida media de 69 nanosegundos), que se desintegra por desintegración alfa . El actinio también tiene dos estados meta conocidos . ^{[ 39 ]} Los isótopos más importantes para la química son el ^225Ac , el ^227Ac y el ^228Ac . ^{[ 2 ]}

El ^227Ac purificado alcanza el equilibrio con sus productos de desintegración después de aproximadamente medio año. Se desintegra según su vida media de 21,772 años, emitiendo principalmente partículas beta (98,62%) y algunas partículas alfa (1,38%); ^{[ 39 ]} los productos de desintegración sucesivos forman parte de la serie del actinio . Debido a las bajas cantidades disponibles, la baja energía de sus partículas beta (máximo 44,8 keV) y la baja intensidad de la radiación alfa, el ^227Ac es difícil de detectar directamente por su emisión, y por lo tanto se rastrea a través de sus productos de desintegración. ^{[ 26 ]} Los isótopos del actinio varían en peso atómico desde 203 Da  ( ²⁰³ Ac ) a236  Da ( ²³⁶ Ac ). ^{[ 39 ]}

El actinio se encuentra solo en trazas en los minerales de uranio  : una tonelada de uranio en mineral contiene aproximadamente 0,2 miligramos de ²²⁷ Ac ^{[ 40 ] [ 41 ]} y en los minerales de torio , que contienen aproximadamente 5 nanogramos de ²²⁸ Ac por tonelada de torio. El isótopo de actinio ²²⁷ Ac es un miembro transitorio de la cadena de desintegración de la serie uranio-actinio , que comienza con el isótopo padre ²³⁵ U (o ²³⁹ Pu ) y termina con el isótopo estable de plomo ²⁰⁷ Pb . El isótopo ²²⁸ Ac es un miembro transitorio de la cadena de desintegración de la serie torio , que comienza con el isótopo padre ²³² Th y termina con el isótopo estable de plomo ²⁰⁸ Pb . Otro isótopo de actinio ( ^225Ac ) está presente transitoriamente en la cadena de desintegración de la serie del neptunio , que comienza con el ^237Np (o ^233U ) y termina con el talio ( ^205Tl ) y el bismuto casi estable ( ^209Bi ); aunque todo el ^237Np primordial se ha desintegrado, se produce continuamente mediante reacciones de expulsión de neutrones en el 238U ^natural .

La baja concentración natural y la gran similitud de sus propiedades físicas y químicas con las del lantano y otros lantánidos, que siempre abundan en los minerales que contienen actinio, hacen que la separación del actinio del mineral sea impracticable. La muestra de actinio más concentrada preparada a partir de materia prima consistió en 7 microgramos de _227Ac en ^menos de 0,1 miligramos de La2O3 _, y nunca se logró una separación completa. ^{[ 42 ]} En cambio, el actinio se prepara, en cantidades de miligramos, mediante la irradiación de neutrones de 226Ra ^en un reactor nuclear . ^{[ 41 ] [ 43 ]}

${\displaystyle {\ce {^{226}_{88}Ra + ^{1}_{0}n -> ^{227}_{88}Ra ->[\beta^-][42.2 \ {\ce {min}}] ^{227}_{89}Ac}}}$

El rendimiento de la reacción es de aproximadamente el 2% del peso del radio. ^{El 227Ac} puede capturar neutrones adicionales, lo que resulta en pequeñas cantidades de ^228Ac . Después de la síntesis, el actinio se separa del radio y de los productos de desintegración y fusión nuclear, como el torio, el polonio, el plomo y el bismuto. La extracción se puede realizar con una solución de tenoiltrifluoroacetona - benceno a partir de una solución acuosa de los productos de radiación, y la selectividad a un elemento determinado se logra ajustando el pH (a aproximadamente 6,0 para el actinio). ^{[ 40 ]} Un procedimiento alternativo es el intercambio aniónico con una resina apropiada en ácido nítrico , que puede resultar en un factor de separación de 1.000.000 para el radio y el actinio frente al torio en un proceso de dos etapas. El actinio se puede separar del radio, con una relación de aproximadamente 100, utilizando una resina de intercambio catiónico de baja reticulación y ácido nítrico como eluyente . ^{[ 44 ]}

^{El 225Ac} se produjo artificialmente por primera vez en el Instituto de Elementos Transuránicos (ITU) en Alemania, utilizando un ciclotrón , y en el Hospital St George de Sídney, utilizando un acelerador lineal en el año 2000. ^{[ 45 ]} Este isótopo raro tiene aplicaciones potenciales en radioterapia y se produce de forma más eficiente bombardeando un blanco de radio-226 con iones de deuterio  de 20 a 30 MeV . Esta reacción también produce ^226Ac , que, sin embargo, se desintegra con una vida media de 29 horas y, por lo tanto, no contamina el ^225Ac . ^{[ 46 ]}

El metal actinio se preparó mediante la reducción de fluoruro de actinio con vapor de litio al vacío a una temperatura entre 1100 y 1300 °C (2010 y 2370 °F) . Temperaturas más altas provocaron la evaporación del producto, mientras que temperaturas más bajas dieron lugar a una transformación incompleta. Se eligió el litio entre otros metales alcalinos porque su fluoruro es el más volátil. ^{[ 15 ] [ 18 ]}  

Debido a su escasez, alto precio y radiactividad, el ^227Ac actualmente no tiene un uso industrial significativo, pero el ^225Ac se está estudiando para su uso en tratamientos contra el cáncer, como las terapias alfa dirigidas. ^{[ 15 ] [ 29 ] El 227Ac} es altamente radiactivo y, por lo tanto, se estudió para su uso como elemento activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos , por ejemplo, en naves espaciales. El óxido de ^227Ac prensado con berilio también es una fuente de neutrones eficiente con una actividad que supera la de los pares estándar de americio-berilio y radio-berilio. ^{[ 47 ]} En todas esas aplicaciones, el ^227Ac (una fuente beta) es simplemente un progenitor que genera isótopos emisores de partículas alfa al desintegrarse. El berilio captura partículas alfa y emite neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n):

${\displaystyle {\ce {^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n + \gamma}}}$

Las fuentes de neutrones ²²⁷ AcBe se pueden aplicar en una sonda de neutrones  , un dispositivo estándar para medir la cantidad de agua presente en el suelo, así como la humedad/densidad para el control de calidad en la construcción de carreteras. ^{[ 48 ] [ 49 ]} Dichas sondas también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, en radiografía de neutrones , tomografía y otras investigaciones radioquímicas. ^{[ 50 ]}

^{El 225} Ac se aplica en medicina para producir ²¹³ Bi en un generador reutilizable ^{[ 44 ]} o puede usarse solo como agente para radioterapia , en particular terapia alfa dirigida (TAT). Este isótopo tiene una vida media de 10 días, lo que lo hace mucho más adecuado para radioterapia que ^{el 213} Bi (vida media de 46 minutos). ^{[ 29 ]} Además, ^{el 225} Ac se desintegra en ²⁰⁹ Bi no tóxico en lugar de plomo tóxico , que es el producto final en las cadenas de desintegración de varios otros isótopos candidatos, a saber, ²²⁷ Th, ²²⁸ Th y ²³⁰ U. ^{[ 29 ]} No solo ^{el 225} Ac en sí, sino también sus hijos, emiten partículas alfa que matan las células cancerosas en el cuerpo. La principal dificultad con la aplicación del ²²⁵ Ac fue que la inyección intravenosa de complejos de actinio simples resultó en su acumulación en los huesos y el hígado durante un período de decenas de años. Como resultado, después de que las células cancerosas fueran rápidamente destruidas por las partículas alfa del ^225Ac , la radiación del actinio y sus productos de desintegración podría inducir nuevas mutaciones. Para solucionar este problema, ^{el 225Ac} se unió a un agente quelante , como el citrato , el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) o el ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA). Esto redujo la acumulación de actinio en los huesos, pero su eliminación del organismo siguió siendo lenta. Se obtuvieron resultados mucho mejores con agentes quelantes como HEHA (ácido 1,4,7,10,13,16-hexaazaciclohexadecano-N,N′,N″,N‴,N‴′,N‴″-hexaacético ) ^{[ 51 ]} o DOTA ( ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano-1,4,7,10-tetraacético ) acoplados a trastuzumab , un anticuerpo monoclonal que interfiere con el receptor HER2/neu . Esta última combinación de administración se probó en ratones y demostró ser eficaz contra la leucemia , el linfoma , el cáncer de mama , el cáncer de ovario , el neuroblastoma y el cáncer de próstata . ^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}

La vida media del ^227Ac (21,77 años) lo convierte en un isótopo radiactivo muy conveniente para modelar la mezcla vertical lenta de las aguas oceánicas. Los procesos asociados no pueden estudiarse con la precisión requerida mediante mediciones directas de las velocidades de las corrientes (del orden de 50 metros por año). Sin embargo, la evaluación de los perfiles de concentración en función de la profundidad para diferentes isótopos permite estimar las tasas de mezcla. La física subyacente a este método es la siguiente: las aguas oceánicas contienen ^235U disperso homogéneamente . Su producto de desintegración, el ^231Pa , precipita gradualmente hacia el fondo, de modo que su concentración primero aumenta con la profundidad y luego permanece casi constante. El ^231Pa se desintegra en ^227Ac ; sin embargo, la concentración de este último isótopo no sigue el perfil de concentración del ^231Pa en función de la profundidad, sino que aumenta hacia el fondo marino. Esto se debe a los procesos de mezcla, que elevan una cantidad adicional de ^227Ac desde el fondo marino. Por lo tanto, el análisis de los perfiles de profundidad de ²³¹ Pa y ²²⁷ Ac permite a los investigadores modelar el comportamiento de la mezcla. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

Existen predicciones teóricas que indican que los hidruros AcH _x (en este caso con presión muy alta) son candidatos para un superconductor cercano a la temperatura ambiente, ya que tienen T _c significativamente más alta que H ₃ S, posiblemente cerca de 250  K. ^{[ 57 ]}

^{El 227Ac} es altamente radiactivo y los experimentos con él se realizan en un laboratorio especialmente diseñado y equipado con una caja de guantes hermética . Cuando se administra tricloruro de actinio por vía intravenosa a ratas, aproximadamente el 33% del actinio se deposita en los huesos y el 50% en el hígado. Su toxicidad es comparable, aunque ligeramente inferior, a la del americio y el plutonio. ^{[ 58 ]} Para cantidades traza, bastan campanas extractoras con buena ventilación; para cantidades de gramos, se necesitan celdas calientes con protección contra la intensa radiación gamma emitida por el ^227Ac . ^{[ 59 ]}

• Serie Actinio

• Meyer, Gerd; Morss, Lester R. (1991). Síntesis de compuestos de lantánidos y actínidos . Springer. ISBN 0-7923-1018-7.

• Actinio en la tabla periódica de vídeos (Universidad de Nottingham)
• Banco de datos de sustancias peligrosas de la NLM – Actinio, radiactivo
• Actinio en Kirby, HW; Morss, LR (2006). Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (eds.). La química de los elementos actínidos y transactínidos (3.ª ed.). Dordrecht, Países Bajos: Springer. ISBN  978-1-4020-3555-5.