Torio

El torio es un elemento químico ; su símbolo es Th y su número atómico es 90. Es un metal plateado ligero, débilmente radiactivo , que se empaña de color gris oliva al exponerse al aire, formando dióxido de torio . Es moderadamente blando, maleable y tiene un alto punto de fusión . El torio es un actínido electropositivo cuya química está dominada por el estado de oxidación +4 ; es bastante reactivo y puede inflamarse en el aire cuando está finamente dividido.

Todos los isótopos conocidos del torio son inestables. El isótopo más estable, ²³² Th , tiene una vida media de 14.000 millones de años, o aproximadamente la edad del universo ; se desintegra muy lentamente mediante desintegración alfa , iniciando una cadena de desintegración llamada serie del torio que termina en el estable ²⁰⁸Pb . En la Tierra, el torio y el uranio son los únicos elementos sin isótopos estables o casi estables que aún se encuentran naturalmente en grandes cantidades como elementos primordiales . ^{[ a ]} Se estima que el torio es más de tres veces más abundante que el uranio en la corteza terrestre, y se refina principalmente a partir de arenas de monacita como subproducto de la extracción de elementos de tierras raras .

El torio fue descubierto en 1828 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius durante su análisis de un nuevo mineral hallado por Morten Thrane Esmark en Noruega , en la isla de Løvøya , cerca de Brevik, en el fiordo de Langesund . ^{[ 10 ]} Lo nombró en honor a Thor , el dios nórdico del trueno y la guerra. Sus primeras aplicaciones se desarrollaron a finales del siglo XIX. La radiactividad del torio fue ampliamente reconocida durante las primeras décadas del siglo XX. En la segunda mitad del siglo XX, el torio fue sustituido en muchos usos debido a la preocupación por sus propiedades radiactivas.

El torio todavía se usa como elemento de aleación en electrodos de soldadura TIG , pero está siendo reemplazado gradualmente en el campo por composiciones diferentes. También fue material en óptica de alta gama e instrumentación científica, utilizado en algunos tubos de vacío de transmisión y como fuente de luz en mantos de gas , pero estos usos se han vuelto marginales. Se ha sugerido como reemplazo del uranio como combustible nuclear en reactores nucleares , y se han construido varios reactores de torio . El torio también se usa para fortalecer el magnesio , recubrir alambre de tungsteno en equipos eléctricos y de soldadura, controlar el tamaño de grano del tungsteno en lámparas eléctricas , crisoles de alta temperatura y vidrios, incluyendo lentes de cámaras e instrumentos científicos. Otros usos del torio incluyen cerámicas resistentes al calor, motores de aeronaves y bombillas . La oceanografía ha utilizado las proporciones isotópicas ²³¹Pa / ²³⁰ Th para comprender el océano antiguo. ^{[ 11 ]}

Propiedades a granel

El torio es un metal actínido radiactivo, paramagnético , plateado brillante y moderadamente blando que se puede doblar o moldear. En la tabla periódica , se encuentra a la derecha del actinio , a la izquierda del protactinio y debajo del cerio . El torio puro es muy dúctil y, como es habitual en los metales, se puede laminar en frío , forjar y estirar . ^{[ 12 ]} A temperatura ambiente, el torio metálico tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras ; tiene otras dos formas, una a alta temperatura (más de 1360 °C; cúbica centrada en el cuerpo) y otra a alta presión (alrededor de 100 GPa; tetragonal centrada en el cuerpo ). ^{[ 12 ]}

El metal torio tiene un módulo de compresibilidad (una medida de la resistencia a la compresión de un material) de 54 GPa , aproximadamente el mismo que el del estaño (58,2 GPa). El del aluminio es de 75,2 GPa; el del cobre es de 137,8 GPa; y el del acero dulce es de 160–169 GPa. ^[¹³^] El torio es casi tan duro como el acero dulce , por lo que cuando se calienta se puede laminar en láminas y estirar en alambre. ^[¹⁴^]

El torio es casi la mitad de denso que el uranio y el plutonio y es más duro que ambos. ^{[ 14 ]} El torio tiene una susceptibilidad magnética de 0,412 × 4π ×10 ⁻⁹ m ³ ⋅kg ⁻¹ a temperatura ambiente. Esta susceptibilidad es mayormente independiente de la temperatura, sin embargo, las impurezas y los dopantes pueden afectar este valor. [ ^{12 ] Se} vuelve superconductor por debajo de 1,4 K. ^[¹²^] El punto de fusión del torio de 1750 °C está por encima de los del actinio (1227 °C) y el protactinio (1568 °C). Al comienzo del período 7 , desde el francio hasta el torio, los puntos de fusión de los elementos aumentan (como en otros períodos), porque el número de electrones deslocalizados que aporta cada átomo aumenta de uno en el francio a cuatro en el torio, lo que lleva a una mayor atracción entre estos electrones y los iones metálicos a medida que su carga aumenta de uno a cuatro. Después del torio, hay una nueva tendencia descendente en los puntos de fusión desde el torio hasta el plutonio , donde el número de electrones f aumenta de aproximadamente 0,4 a aproximadamente 6: esta tendencia se debe a la creciente hibridación de los orbitales 5f y 6d y la formación de enlaces direccionales que resultan en estructuras cristalinas más complejas y enlaces metálicos debilitados. ^[¹⁴^]^[¹⁵^] (El recuento de electrones f para el metal torio es un no entero debido a una superposición 5f–6d.) ^[¹⁵^] Entre los actínidos hasta el californio , que se pueden estudiar en cantidades de al menos miligramos, el torio tiene los puntos de fusión y ebullición más altos y la segunda densidad más baja; solo el actinio es más ligero. El punto de ebullición del torio de 4788 °C es el quinto más alto entre todos los elementos con puntos de ebullición conocidos. ^[^b^]

Las propiedades del torio varían ampliamente según el grado de impurezas en la muestra. La impureza principal suele ser el dióxido de torio ₍ ThO₂ ) ; incluso las muestras de torio más puras suelen contener alrededor de una décima parte del uno por ciento de dióxido. ^{[ 12 ]} Las mediciones experimentales de su densidad dan valores entre 11,5 y 11,66 g/cm³ ^: estos son ligeramente inferiores al valor teórico esperado de 11,7 g/cm³ ^calculado a partir de los parámetros de la red del torio , quizás debido a la formación de microvacíos en el metal durante su fundición. ^{[ 12 ]} Estos valores se encuentran entre los de sus vecinos actinio (10,1 g/cm³ ⁾ y protactinio (15,4 g/cm³ ⁾ , formando parte de una tendencia observada en los primeros actínidos. ^{[ 12 ]}

El torio puede formar aleaciones con muchos otros metales. La adición de pequeñas proporciones de torio mejora la resistencia mecánica del magnesio , y las aleaciones de torio-aluminio se han considerado como una forma de almacenar torio en los futuros reactores nucleares de torio propuestos. El torio forma mezclas eutécticas con cromo y uranio, y es completamente miscible tanto en estado sólido como líquido con su congénere más ligero , el cerio. ^{[ 12 ]}

isótopos

Existen siete isótopos naturales de torio, pero ninguno es estable. ^{[ 17 ]}^{El 232Th} es el único isótopo de torio que se encuentra en cantidades en la naturaleza; su vida media es de 14.000 millones de años, aproximadamente tres veces la edad de la Tierra , y ligeramente mayor que la edad del universo , siendo la más larga de todos los nucleidos más pesados que el bismuto. Su estabilidad se atribuye a su subcapa nuclear cerrada con 142 neutrones. ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} El torio tiene una composición isotópica terrestre característica, con un peso atómico232,0377 ± 0,0004 . ^{[ 2 ]} Es uno de los cuatro únicos elementos radiactivos (junto con el bismuto, el protactinio y el uranio) que se encuentran en cantidades suficientemente grandes en la Tierra como para que se pueda determinar un peso atómico estándar.

Los núcleos de torio son susceptibles a la desintegración alfa porque la fuerza nuclear fuerte no puede superar la repulsión electromagnética entre sus protones. ^{[ 20 ]} La desintegración alfa del ²³² Th inicia la cadena de desintegración 4 n , o serie del torio , que incluye isótopos con un número másico divisible por 4. Esta cadena de desintegraciones alfa y beta consecutivas comienza con la desintegración del ²³² Th a ²²⁸ Ra y termina en ²⁰⁸ Pb. Cualquier muestra de torio o sus compuestos contiene trazas de estos hijos, que son isótopos de talio , plomo , bismuto, polonio, radón , radio y actinio. Las muestras de torio natural pueden purificarse químicamente para extraer nucleidos hijos útiles, como ^{el 212} Pb, que se utiliza en medicina nuclear para la terapia del cáncer . ^[²¹^]^[²²^]^{El 227} Th (emisor alfa, vida media de 18,693 días) también puede utilizarse en tratamientos contra el cáncer, como las terapias alfa dirigidas . ^[²³^]^[²⁴^]^[²⁵^]^{El 232} Th también experimenta muy ocasionalmente fisión espontánea en lugar de desintegración alfa, pero a una tasa mucho menor que el uranio-238 y todos los productos de fisión naturales, y la evidencia proviene predominantemente de él. Su vida media parcial para este proceso es muy larga, de más de 10 ²¹ años. ^[²⁶^]^[²⁷^]

En total, se han caracterizado 32 radioisótopos , que varían en número másico de 207 ^{[ 28 ]} a 238. ^{[ 26 ]} Después del ²³² Th, los más estables de ellos (con sus respectivas vidas medias) son ²³⁰ Th (75 400 años), ²²⁹ Th (7916 años), ²²⁸ Th (1,91 años), ²³⁴ Th (24,11 días) y ²²⁷ Th (18,693 días). Todos estos isótopos se encuentran en la naturaleza como radioisótopos traza debido a su presencia en las cadenas de desintegración de ²³² Th, ²³⁵ U, ²³⁸ U y ²³⁷Np : el último de ellos está extinto en la naturaleza debido a su corta vida media (2,14 millones de años), pero se produce continuamente en trazas minúsculas por captura de neutrones en minerales de uranio. El ^233Th (vida media de 22 minutos) se produce de forma natural como resultado de la activación neutrónica del ^232Th natural . ^{[ 29 ]}

En aguas marinas profundas, el isótopo ²³⁰ Th constituye hasta0,02 % del torio total. ^{[ 17 ]} Esto se debe a que su elemento progenitor, el uranio, es generalmente soluble en el océano, pero el ^232Th es casi insoluble y precipita; por lo tanto, los isótopos que se producen continuamente a partir del uranio están relativamente enriquecidos. Por esta razón, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reclasificó el torio como un elemento binucleico en 2013; anteriormente se consideraba un elemento mononucleico . ^{[ 1 ]}

El torio tiene un isómero nuclear, ^229m Th, que tiene la energía de excitación más baja conocida de cualquier isómero, ^{[ 30 ]} medida en7,6 ± 0,5 eV . Esto es tan bajo que cuando experimenta una transición isomérica , la radiación gamma emitida está en el rango ultravioleta . ^{[ 31 ]}^{[ 32 ]}^{[ c ]} La transición nuclear de ²²⁹ Th a ^229m Th se está investigando para un reloj nuclear . ^{[ 32 ]}

Los diferentes isótopos de torio son químicamente idénticos, pero tienen propiedades físicas ligeramente diferentes: por ejemplo, se espera que las densidades de ²²⁸ Th, ²²⁹ Th, ²³⁰ Th y ²³² Th puros sean respectivamente 11,5, 11,6, 11,6 y 11,7 g/cm³ ^. [ ^{34 ] El} isótopo ²²⁹ Th es fisionable y la masa crítica desnuda se estima en 2839 kg, aunque con reflectores de acero este valor se reduciría a 994 kg. ^{[ 34 ]}^{[ d ]}^{El 232} Th no es fisionable, pero es fértil ya que puede convertirse en ²³³ U fisionable por captura de neutrones y posterior desintegración beta. ^{[ 34 ]}^{[ 35 ]}

Datación radiométrica

Dos métodos de datación radiométrica involucran isótopos de torio: la datación uranio-torio , basada en la desintegración de ²³⁴ U a ²³⁰ Th, y la datación ionio-torio , que mide la relación de ²³² Th a ²³⁰ Th. ^{[ e ]} Estos se basan en el hecho de que ²³² Th es un radioisótopo primordial, pero ²³⁰ Th solo aparece como un producto de desintegración intermedio en la cadena de desintegración de ²³⁸ U. ^{[ 36 ]} La datación uranio-torio es un proceso de alcance relativamente corto debido a las cortas vidas medias de ²³⁴ U y ²³⁰ Th en relación con la edad de la Tierra: también está acompañada por un proceso hermano que involucra la desintegración alfa de ²³⁵ U en ^{231 Th, que muy rápidamente se convierte en el}²³¹ Pa de vida más larga , y este proceso se usa a menudo para verificar los resultados de la datación uranio-torio. La datación uranio-torio se utiliza comúnmente para determinar la edad de materiales de carbonato de calcio como espeleotemas o corales , porque el uranio es más soluble en agua que el torio y el protactinio, que se precipitan selectivamente en los sedimentos del fondo oceánico , donde se miden sus proporciones. El esquema tiene un rango de varios cientos de miles de años. ^{[ 36 ]}^{[ 37 ]} La datación ionio-torio es un proceso relacionado, que aprovecha la insolubilidad del torio (tanto ²³² Th como ²³⁰ Th) y por lo tanto su presencia en los sedimentos oceánicos para datar estos sedimentos midiendo la proporción de ²³² Th a ²³⁰ Th. ^{[ 38 ]}^{[ 39 ]} Ambos métodos de datación asumen que la proporción de ²³⁰ Th a ²³² Th es constante durante el período en que se formó la capa de sedimento, que el sedimento no contenía torio antes de las contribuciones de la desintegración del uranio, y que el torio no puede migrar dentro de la capa de sedimento. ^{[ 38 ]}^{[ 39 ]} Los dos métodos son en gran medida complementarios, ya que el método uranio-torio asume que la muestra contenía solo uranio originalmente; el método ionio-torio, que contenía solo torio.

Química

Un átomo de torio tiene 90 electrones, de los cuales cuatro son electrones de valencia . Teóricamente, hay cuatro orbitales atómicos disponibles para que los electrones de valencia los ocupen: 5f, 6d, 7s y 7p. Sin embargo, los orbitales 7p no están ocupados en el estado fundamental del torio, debido a que están muy desestabilizados. ^{[ 40 ]} A pesar de la posición del torio en el bloque f de la tabla periódica, tiene una configuración electrónica anómala [Rn]6d ² 7s ² en el estado fundamental, ya que las subcapas 5f y 6d en los primeros actínidos están muy cerca en energía, incluso más que las subcapas 4f y 5d de los lantánidos: las subcapas 6d del torio tienen menor energía que sus subcapas 5f, porque sus subcapas 5f no están bien apantalladas por las subcapas 6s y 6p llenas y están desestabilizadas. Esto se debe a efectos relativistas , que se vuelven más fuertes cerca de la parte inferior de la tabla periódica, específicamente la interacción espín-órbita relativista . La proximidad en los niveles de energía de los niveles de energía 5f, 6d y 7s del torio hace que el torio casi siempre pierda sus cuatro electrones de valencia y se presente en su estado de oxidación más alto posible de +4. Esto es diferente de su congénere lantánido cerio, en el que +4 también es el estado más alto posible, pero +3 juega un papel importante y es más estable. Sin embargo, se conocen complejos de torio en los estados de oxidación trivalente y divalente. ^{[ 41 ]}^{[ 42 ]} El torio es mucho más similar a los metales de transición zirconio y hafnio que al cerio en sus energías de ionización y potenciales redox, y por lo tanto también en su química: este comportamiento similar al de los metales de transición es la norma en la primera mitad de la serie de los actínidos, desde el actinio hasta el americio. ^{[ 43 ]}^{[ 44 ]}^{[ 45 ]}

A pesar de la configuración electrónica anómala de los átomos de torio gaseoso, el torio metálico muestra una participación significativa de los orbitales 5f. Un hipotético estado metálico del torio con la configuración [Rn]6d²7s² y ^los orbitales 5f por encima del ^nivelde Fermi debería presentar un empaquetamiento hexagonal compacto, como los elementos del grupo 4 (titanio, circonio y hafnio), y no una estructura cúbica centrada en las caras, como ocurre en realidad. La estructura cristalina real solo puede explicarse al considerar los estados 5f, lo que demuestra que el torio es, metalúrgicamente, un verdadero actínido. ^{[ 15 ]}

Los compuestos de torio tetravalente suelen ser incoloros o amarillos, como los de plata o plomo, ya que el ion Th⁴⁺ no tiene electrones 5f ni 6d. ^[¹⁴^]^{Por lo tanto ,} la química del torio es en gran medida la de un metal electropositivo que forma un único ion diamagnético con una configuración estable de gas noble, lo que indica una similitud entre el torio y los elementos del grupo principal del bloque s. ^[⁴⁶^]^[^f^] El torio y el uranio son los elementos radiactivos más investigados porque su radiactividad es lo suficientemente baja como para no requerir un manejo especial en el laboratorio. ^[⁴⁷^]

Reactividad

El torio es un metal altamente reactivo y electropositivo. Con un potencial de reducción estándar de −1,90 V para el par Th⁴⁺ ^/ Th, es algo más electropositivo que el circonio o el aluminio. ^[⁴⁸^] El torio metálico finamente dividido puede exhibir piroforicidad , encendiéndose espontáneamente en el aire. ^[¹²^] Cuando se calientan en el aire, las virutas de torio se encienden y arden con una luz blanca brillante para producir dióxido. En masa, la reacción del torio puro con el aire es lenta, aunque puede producirse corrosión después de varios meses; la mayoría de las muestras de torio están contaminadas con diferentes grados de dióxido, lo que acelera enormemente la corrosión. ^[¹²^] Dichas muestras se empañan lentamente, volviéndose grises y finalmente negras en la superficie. ^[¹²^]

A temperatura y presión estándar , el torio es atacado lentamente por el agua, pero no se disuelve fácilmente en la mayoría de los ácidos comunes, con la excepción del ácido clorhídrico , donde se disuelve dejando un residuo negro insoluble de ThO(OH,Cl)H. ^{[ 12 ]}^{[ 49 ]} Se disuelve en ácido nítrico concentrado que contiene una pequeña cantidad de iones fluoruro o fluorosilicato catalíticos ; ^{[ 12 ]}^{[ 50 ]} si estos no están presentes, puede ocurrir la pasivación por el nitrato, como con el uranio y el plutonio. ^{[ 12 ]}^{[ 51 ]}^{[ 52 ]}

compuestos inorgánicos

La mayoría de los compuestos binarios de torio con no metales se pueden preparar calentando los elementos juntos. ^{[ 53 ]} En el aire, el torio arde para formar ThO ₂ , que tiene la estructura de fluorita . ^[⁵⁴^] El dióxido de torio es un material refractario , con el punto de fusión más alto (3390 °C) de cualquier óxido conocido. ^[⁵⁵^] Es algo higroscópico y reacciona fácilmente con el agua y muchos gases; ^[⁵⁶^] se disuelve fácilmente en ácido nítrico concentrado en presencia de fluoruro. ^[⁵⁷^]

Cuando se calienta en el aire, el dióxido de torio emite una intensa luz azul; la luz se vuelve blanca cuando _el ThO₂ se mezcla con su homólogo más ligero, _el dióxido de cerio ( CeO₂ , ceria): esta es la base de su aplicación previamente común en mantos de gas . ^[⁵⁶^] No es necesaria una llama para este efecto: en 1901, se descubrió que un manto de gas Welsbach caliente (que utilizaba _ThO₂ con 1% _de CeO₂ ) permanecía en "pleno brillo" cuando se exponía a una mezcla fría no encendida de gas inflamable y aire. ^[⁵⁸^] La luz emitida por el dióxido de torio tiene una longitud de onda mayor que la emisión de cuerpo negro esperada de la incandescencia a la misma temperatura, un efecto llamado candoluminiscencia . Ocurre porque _el ThO₂ :Ce actúa como catalizador para la recombinación de radicales libres que aparecen en alta concentración en una llama, cuya desexcitación libera grandes cantidades de energía. La adición de un 1 % de dióxido de cerio, como en las camisas de gas, intensifica el efecto al aumentar la emisividad en la región visible del espectro; pero debido a que el cerio, a diferencia del torio, puede presentarse en múltiples estados de oxidación, su carga y, por lo tanto, su emisividad visible dependerán de la región de la llama en la que se encuentre (ya que dichas regiones varían en su composición química y, por consiguiente, en su capacidad oxidante o reductora). ^[⁵⁸^]

También se conocen varios calcogenuros y oxicalcogenuros binarios de torio con azufre , selenio y telurio . ^{[ 59 ]}

Se conocen los cuatro tetrahaluros de torio, así como algunos bromuros y yoduros de baja valencia: ^{[ 60 ]} los tetrahaluros son todos compuestos higroscópicos de 8 coordenadas que se disuelven fácilmente en disolventes polares como el agua. ^{[ 61 ]} También se conocen muchos iones polihaluro relacionados. ^{[ 60 ]} El tetrafluoruro de torio tiene una estructura cristalina monoclínica como las del tetrafluoruro de circonio y el tetrafluoruro de hafnio , donde los iones Th ⁴⁺ están coordinados con iones F ⁻ en antiprismas cuadrados algo distorsionados . ^[⁶⁰^] Los otros tetrahaluros, en cambio, tienen geometría dodecaédrica. ^[⁶¹^] Los yoduros inferiores ThI ₃ (negro) y ThI ₂ (color dorado) también se pueden preparar reduciendo el tetrayoduro con torio metálico: no contienen Th(III) ni Th(II), sino que contienen Th ⁴⁺ y podrían formularse más claramente como compuestos electridos . ^[⁶⁰^] Muchos haluros polinarios con los metales alcalinos bario , talio y amonio son conocidos para fluoruros, cloruros y bromuros de torio. ^[⁶⁰^] Por ejemplo, cuando se trata con fluoruro de potasio y ácido fluorhídrico , Th ⁴⁺ forma el anión complejo [ ThF ₆ ] ²⁻ (hexafluorotorato(IV)), que precipita como una sal insoluble, K ₂[ ThF ₆ ] (hexafluorotorato(IV) de potasio). ^[⁵⁰^]

Los boruros, carburos, siliciuros y nitruros de torio son materiales refractarios, como los del uranio y el plutonio, y por lo tanto han recibido atención como posibles combustibles nucleares . ^{[ 53 ]} Los cuatro pnictógenos más pesados ( fósforo , arsénico , antimonio y bismuto) también forman compuestos binarios de torio. También se conocen los germanuros de torio. ^{[ 62 ]} El torio reacciona con el hidrógeno para formar los hidruros de torio ThH ₂ y Th ₄ H ₁₅ , este último superconductor por debajo de 7,5–8 K; a temperatura y presión estándar, conduce la electricidad como un metal. ^[⁶³^] Los hidruros son térmicamente inestables y se descomponen fácilmente al exponerse al aire o la humedad. ^[⁶⁴^]

Estructura del toroceno — Estructura molecular tipo sándwich del toroceno.

Compuestos de coordinación

En una solución acuosa ácida, el torio se presenta como el ion acuoso tetrapositivo [ Th(H ₂ O) ₉ ] ⁴⁺ , que tiene una geometría molecular prismática trigonal tricapsulada : ^[⁶⁵^]^[⁶⁶^] a pH < 3, las soluciones de sales de torio están dominadas por este catión. ^[⁶⁵^] El ion Th ⁴⁺ es el más grande de los iones actínidos tetrapositivos y, dependiendo del número de coordinación, puede tener un radio entre 0,95 y 1,14 Å. ^[⁶⁵^] Es bastante ácido debido a su alta carga, ligeramente más fuerte que el ácido sulfuroso : por lo tanto tiende a sufrir hidrólisis y polimerización (aunque en menor medida que Fe ³⁺ ), predominantemente a [ Th ₂ (OH) ₂ ] ⁶⁺ en soluciones con pH 3 o inferior, pero en soluciones más alcalinas la polimerización continúa hasta que se forma el hidróxido gelatinoso Th(OH) ₄ y precipita (aunque el equilibrio puede tardar semanas en alcanzarse, porque la polimerización generalmente se ralentiza antes de la precipitación). ^[⁶⁷^] Como ácido de Lewis duro , Th ⁴⁺ favorece los ligandos duros con átomos de oxígeno como donadores: los complejos con átomos de azufre como donadores son menos estables y son más propensos a la hidrólisis. ^[⁴³^]

Los números de coordinación altos son la norma para el torio debido a su gran tamaño. El nitrato de torio pentahidratado fue el primer ejemplo conocido con número de coordinación 11, el oxalato tetrahidratado tiene número de coordinación 10, y el borohidruro (preparado por primera vez en el Proyecto Manhattan ) tiene número de coordinación 14. ^{[ 67 ]} Estas sales de torio son conocidas por su alta solubilidad en agua y disolventes orgánicos polares. ^{[ 14 ]}

Se conocen muchos otros compuestos inorgánicos de torio con aniones poliatómicos, como los percloratos , sulfatos , sulfitos , nitratos, carbonatos, fosfatos , vanadatos , molibdatos y cromatos , y sus formas hidratadas. ^{[ 68 ]} Son importantes en la purificación del torio y la eliminación de desechos nucleares, pero la mayoría de ellos aún no han sido completamente caracterizados, especialmente en lo que respecta a sus propiedades estructurales. ^{[ 68 ]} Por ejemplo, el nitrato de torio se produce por reacción del hidróxido de torio con ácido nítrico: es soluble en agua y alcoholes y es un intermediario importante en la purificación del torio y sus compuestos. ^{[ 68 ]} Los complejos de torio con ligandos orgánicos, como oxalato , citrato y EDTA , son mucho más estables. En aguas naturales que contienen torio, los complejos orgánicos de torio suelen presentarse en concentraciones órdenes de magnitud superiores a las de los complejos inorgánicos, incluso cuando las concentraciones de ligandos inorgánicos son mucho mayores que las de los ligandos orgánicos. ^{[ 65 ]}

En enero de 2021, se observó aromaticidad en un gran anión de clúster metálico que consta de 12 átomos de bismuto estabilizados por un catión de torio central. ^{[ 69 ]} Se demostró que este compuesto era sorprendentemente estable, a diferencia de muchos clústeres metálicos aromáticos conocidos anteriormente .

compuestos organotéricos

La mayor parte del trabajo sobre compuestos organotóricos se ha centrado en los complejos de ciclopentadienilo y ciclooctatetraenilos . Al igual que muchos de los actínidos tempranos y medios (hasta el americio , y también se espera para el curio ), el torio forma un complejo de ciclooctatetraenilo: el Th(C ₈ H ₈ ) ₂ amarillo , toroceno . Es isotípico con el compuesto de uranio análogo más conocido, el uranoceno . ^[⁷⁰^] Se puede preparar haciendo reaccionar K ₂ C ₈ H ₈ con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano (THF) a la temperatura del hielo seco , o haciendo reaccionar tetrafluoruro de torio con MgC ₈ H ₈ . ^[⁷⁰^] Es inestable en el aire y se descompone en agua o a 190 °C. ^[⁷⁰^] También se conocen compuestos tipo sándwich , como (η ⁸ -C ₈ H ₈ )ThCl ₂ (THF) ₂ , que tiene una estructura de taburete de piano y se obtiene haciendo reaccionar toroceno con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano. ^[⁴³^]

Los ciclopentadienilos más simples son Th(C₅H₅ ₎ ₃ _y Th ( _C₅H₅ ) _₄ : se conocen muchos derivados. El primero (que tiene dos formas, una púrpura y otra verde) _[⁷⁰^]^es un raro ejemplo de torio en el estado _de oxidación formal +3; ^[⁷¹^]_{un estado de} oxidación formal +2 aparece en un derivado. ^[⁷²^] El derivado de cloruro [ Th(C₅H₅ ₎ ₃Cl _] se prepara calentando tetracloruro de torio con KC₅H₅ limitante ₍ también se pueden usar otros ciclopentadienilos de metales monovalentes). Los _derivados de alquilo y arilo se preparan a partir del derivado de cloruro y se han utilizado para estudiar la naturaleza del enlace sigma Th–C . ^[⁷¹^]

Otros compuestos organotóricos no están bien estudiados. El tetraaliltorio, _Th (CH₂CH ₌ CH₂ ₎ ₄ _, es conocido, pero su estructura no ha sido determinada. Se ha informado sobre la estructura molecular del tetrabenciltorio, Th(CH₂C₆H₅) ₄, sin ligandos auxiliares. [ 73 _]_Se_descomponen lentamente ^a^temperatura^ambiente . El torio forma el anión prismático trigonal monocapado [ Th(CH₃ ₎ ₇ _] ³⁻ ^,_{heptametiltorato (}_IV ), que forma la sal [ Li(tmeda)] _₃[ Th(CH₃ ₎ ₇ _] ( tmeda = ( _CH₃ ) _{₂NCH₂CH₂N} ( CH₃ ₎_₂ ) . Aunque un grupo metilo está unido únicamente al átomo de torio (distancia Th–C de 257,1 pm) y los otros seis conectan los átomos de litio y torio (distancias Th–C de 265,5–276,5 pm), se comportan de forma equivalente en disolución. El tetrametiltorio, Th(CH₃ ₎ ₄ _, es desconocido, pero sus aductos se estabilizan mediante ligandos de fosfina . ^[⁴³^]

Aparición

Formación

²³² Th es un nucleido primordial formado en el proceso r , que probablemente ocurre en supernovas y fusiones de estrellas de neutrones . Estos eventos violentos lo dispersaron por toda la galaxia. ^{[ 74 ]}^{[ 75 ]} La letra "r" significa "captura rápida de neutrones" y ocurre en supernovas de colapso de núcleo, donde núcleos semilla pesados como ⁵⁶ Fe capturan neutrones rápidamente, chocando contra la línea de goteo de neutrones , ya que los neutrones son capturados mucho más rápido de lo que los nucleidos resultantes pueden desintegrarse beta hacia la estabilidad. La captura de neutrones es la única forma en que las estrellas sintetizan elementos más allá del hierro debido a las mayores barreras de Coulomb que hacen que las interacciones entre partículas cargadas sean difíciles a números atómicos altos y al hecho de que la fusión más allá de ⁵⁶ Fe es endotérmica . ^{[ 76 ]} Debido a la pérdida abrupta de estabilidad más allá de ²⁰⁹ Bi, el proceso r es el único proceso de nucleosíntesis estelar que puede crear torio y uranio; Todos los demás procesos son demasiado lentos y los núcleos intermedios se desintegran alfa antes de capturar suficientes neutrones para alcanzar estos elementos. ^{[ 74 ]}^{[ 77 ]}^{[ 78 ]}

Abundancia

En el universo, el torio se encuentra entre los elementos primordiales más raros, ocupando el puesto 77 en abundancia cósmica ^{[ 74 ]}^{[ 79 ],} debido a que es uno de los dos elementos que solo pueden producirse en el proceso r (el otro es el uranio), y también porque se ha ido desintegrando lentamente desde el momento de su formación. Los únicos elementos primordiales más raros que el torio son el tulio , el lutecio , el tantalio y el renio, los elementos impares que se encuentran justo antes del tercer pico de abundancias del proceso r alrededor de los metales pesados del grupo del platino, así como el uranio. ^{[ 74 ]}^{[ 76 ]}^{[ g ]} En el pasado remoto, las abundancias de torio y uranio se enriquecieron por la desintegración de isótopos de plutonio y curio, y el torio se enriqueció en relación con el uranio por la desintegración de ²³⁶ U a ²³² Th y el agotamiento natural de ²³⁵ U, pero estas fuentes se desintegraron hace mucho tiempo y ya no contribuyen. ^{[ 80 ]}

En la corteza terrestre, el torio es mucho más abundante: con una abundancia de 8,1 g/ tonelada , es uno de los elementos pesados más abundantes, casi tan abundante como el plomo (13 g/tonelada) y más abundante que el estaño (2,1 g/tonelada). ^{[ 81 ]} Esto se debe a que el torio tiende a formar minerales de óxido que no se hunden en el núcleo; se clasifica como litófilo según la clasificación de Goldschmidt , lo que significa que generalmente se encuentra combinado con oxígeno. Los compuestos comunes de torio también son poco solubles en agua. Por lo tanto, aunque los elementos refractarios tienen las mismas abundancias relativas en la Tierra que en el Sistema Solar en su conjunto, hay más torio accesible que metales pesados del grupo del platino en la corteza. ^{[ 82 ]}

En la Tierra

El torio natural suele ser casi puro ²³² Th, que es el isótopo de torio de vida más larga y más estable, con una vida media comparable a la edad del universo. ^{[ 26 ]} Su desintegración radiactiva es el mayor contribuyente individual al calor interno de la Tierra ; los otros contribuyentes principales son los radionúclidos primordiales de vida más corta, que son ²³⁸ U, ⁴⁰ K y ²³⁵ U en orden descendente de su contribución. (En el momento de la formación de la Tierra, ⁴⁰ K y ²³⁵ U contribuyeron mucho más en virtud de sus vidas medias cortas, pero se han desintegrado más rápidamente, dejando la contribución de ²³² Th y ²³⁸ U predominante). ^{[ 87 ]} Su desintegración explica una disminución gradual del contenido de torio de la Tierra: el planeta actualmente tiene alrededor del 80% de la cantidad presente en la formación de la Tierra. ^{[ 1 ]} Los otros isótopos naturales de torio son de vida mucho más corta; De ellos, solo ^{el 230} Th suele ser detectable, presentándose en equilibrio secular con su precursor ²³⁸ U, y constituyendo como máximo el 0,04% del torio natural. ^{[ 26 ]}^{[ h ]}

El torio solo aparece como un componente menor de la mayoría de los minerales, y por esta razón se pensaba anteriormente que era raro. ^{[ 89 ]}^{[ 90 ]} De hecho, es el 37.º elemento más abundante en la corteza terrestre con una abundancia de 12 partes por millón. ^{[ 91 ]} En la naturaleza, el torio se presenta en el estado de oxidación +4, junto con el uranio(IV), el circonio (IV), el hafnio(IV) y el cerio(IV), y también con el escandio , el itrio y los lantánidos trivalentes que tienen radios iónicos similares . ^{[ 89 ]} Debido a la radiactividad del torio, los minerales que lo contienen suelen ser metamícticos (amorfos), ya que su estructura cristalina ha sido dañada por la radiación alfa producida por el torio. ^{[ 92 ]} Un ejemplo extremo es la ekanita , (Ca,Fe,Pb) ₂ (Th,U)Si ₈ O ₂₀ , que casi nunca aparece en forma no metamíctica debido al torio que contiene. ^[⁹³^]

La monacita (principalmente fosfatos de varios elementos de tierras raras) es la fuente comercial más importante de torio porque se encuentra en grandes depósitos en todo el mundo, principalmente en India, Sudáfrica, Brasil, Australia y Malasia , y se extrae por su contenido de tierras raras. Contiene alrededor de un 2,5 % de torio en promedio, aunque algunos depósitos pueden contener hasta un 20 %. ^{[ 89 ]}^{[ 94 ]} La monacita es un mineral químicamente inerte que se encuentra como arena amarilla o marrón; su baja reactividad hace que sea difícil extraer el torio de ella. ^{[ 89 ]} La allanita (principalmente silicatos-hidróxidos de varios metales) puede tener entre un 0,1 y un 2 % de torio y el circón (principalmente silicato de circonio , ZrSiO ₄ ) hasta un 0,4 % de torio. ^[⁸⁹^]

El dióxido de torio se presenta como el mineral raro torianita . Debido a que es isotípico con el dióxido de uranio , estos dos dióxidos de actínidos comunes pueden formar soluciones en estado sólido y el nombre del mineral cambia según el contenido _de ThO₂ . ^[⁸⁹^]^[ⁱ^]_La torita (principalmente silicato de torio , ThSiO₄ ), también tiene un alto contenido de torio y es el mineral en el que se descubrió el torio por primera vez. [ ⁸⁹^]^En los minerales de silicato de torio, los iones Th⁴⁺ y SiO₄⁻⁴ ^a menudo se reemplazan con iones M³⁺ ^{( donde}M = Sc, Y o Ln) y fosfato ( PO₄³⁻⁴ ) respectivamente. ^[⁸⁹^] Debido a la gran insolubilidad del dióxido de torio, el torio no suele dispersarse rápidamente por el medio ambiente cuando se libera. El ion Th ⁴⁺ es soluble, especialmente en suelos ácidos, y en tales condiciones la concentración de torio puede ser mayor. ^[⁵⁵^]

Historia

Informe erróneo

En 1815, el químico sueco Jöns Jacob Berzelius analizó una muestra inusual de gadolinita de una mina de cobre en Falun , en el centro de Suecia. Observó trazas impregnadas de un mineral blanco, que supuso con cautela que era una tierra ( óxido en la nomenclatura química moderna) de un elemento desconocido. Berzelius ya había descubierto dos elementos, cerio y selenio , pero había cometido un error público una vez, anunciando un nuevo elemento, gahnio , que resultó ser óxido de zinc . ^{[ 96 ]} Berzelius nombró en privado al supuesto elemento "torio" en 1817 ^{[ 97 ]} y a su supuesto óxido "thorina" en honor a Thor , el dios nórdico del trueno. ^{[ 98 ]} En 1824, después de que se descubrieran más depósitos del mismo mineral en Vest-Agder , Noruega, se retractó de sus hallazgos, ya que el mineral (más tarde llamado xenotimo ) resultó ser principalmente ortofosfato de itrio . ^{[ 35 ]}^{[ 96 ]}^{[ 99 ]}^{[ 100 ]}

Descubrimiento

En 1828, Morten Thrane Esmark encontró un mineral negro en la isla de Løvøya , condado de Telemark , Noruega. Era un sacerdote noruego y mineralogista aficionado que estudiaba los minerales de Telemark, donde ejercía como vicario . Solía enviar los ejemplares más interesantes, como este, a su padre, Jens Esmark , un destacado mineralogista y profesor de mineralogía y geología en la Real Universidad Federico en Christiania (hoy llamada Oslo ). ^{[ 101 ]} El padre de Esmark determinó que no se trataba de un mineral conocido y envió una muestra a Berzelius para su examen. Berzelius determinó que contenía un nuevo elemento. ^{[ 35 ]} Publicó sus hallazgos en 1829, tras haber aislado una muestra impura reduciendo K [ ThF ₅ ] (pentafluorotorato(IV) de potasio) con potasio metálico. ^[¹⁰²^]^[¹⁰³^]^[¹⁰⁴^] Berzelius reutilizó el nombre del supuesto descubrimiento del elemento anterior ^[¹⁰²^]^[¹⁰⁵^] y nombró al mineral fuente torita. ^[³⁵^]

Berzelius realizó algunas caracterizaciones iniciales del nuevo metal y sus compuestos químicos: determinó correctamente que la relación de masa torio-oxígeno del óxido de torio era 7,5 (su valor real es cercano a eso, ~7,3), pero asumió que el nuevo elemento era divalente en lugar de tetravalente, y por lo tanto calculó que la masa atómica era 7,5 veces la del oxígeno (120 Da ); en realidad es 15 veces más grande. ^{[ j ]} Determinó que el torio era un metal muy electropositivo , por delante del cerio y por detrás del circonio en electropositividad. ^{[ 106 ]} El torio metálico fue aislado por primera vez en 1914 por los empresarios holandeses Dirk Lely Jr. y Lodewijk Hamburger. ^{[ k ]}

Clasificación química inicial

En la tabla periódica publicada por Dmitri Mendeleev en 1869, el torio y los elementos de tierras raras se colocaron fuera del cuerpo principal de la tabla, al final de cada período vertical después de los metales alcalinotérreos . Esto reflejaba la creencia de la época de que el torio y los metales de tierras raras eran divalentes. Con el reconocimiento posterior de que las tierras raras eran mayoritariamente trivalentes y el torio tetravalente, Mendeleev trasladó el cerio y el torio al grupo IV en 1871, que también contenía el grupo del carbono moderno (grupo 14) y el grupo del titanio (grupo 4), porque su estado de oxidación máximo era +4. ^{[ 109 ]}^{[ 110 ]} El cerio pronto fue retirado del cuerpo principal de la tabla y colocado en una serie de lantánidos separada; el torio se dejó en el grupo 4 ya que tenía propiedades similares a sus supuestos congéneres más ligeros en ese grupo, como el titanio y el circonio. ^{[ 111 ]}^{[ l ]}

Primeros usos

Aunque el torio se descubrió en 1828, su primera aplicación data de 1885, cuando el químico austriaco Carl Auer von Welsbach inventó la manta de gas , una fuente de luz portátil que produce luz a partir de la incandescencia del óxido de torio al calentarse mediante la combustión de combustibles gaseosos. ^{[ 35 ]} Posteriormente se encontraron muchas aplicaciones para el torio y sus compuestos, incluyendo cerámica, lámparas de arco de carbono, crisoles resistentes al calor y como catalizadores para reacciones químicas industriales, como la oxidación del amoníaco a ácido nítrico. ^{[ 112 ]}

Radioactividad

El torio fue observado por primera vez como radiactivo en 1898 por el químico alemán Gerhard Carl Schmidt y, posteriormente ese mismo año, de forma independiente, por la física polaco-francesa Marie Curie . Fue el segundo elemento que se descubrió como radiactivo, después del descubrimiento de la radiactividad en el uranio en 1896 por el físico francés Henri Becquerel . ^{[ 113 ]}^{[ 114 ]}^{[ 115 ]} A partir de 1899, el físico neozelandés Ernest Rutherford y el ingeniero eléctrico estadounidense Robert Bowie Owens estudiaron la radiación del torio; las observaciones iniciales mostraron que variaba significativamente. Se determinó que estas variaciones provenían de un producto de desintegración gaseoso de corta duración del torio, que descubrieron que era un nuevo elemento. Este elemento ahora se llama radón , el único de los raros radioelementos descubierto en la naturaleza como producto de desintegración del torio y no del uranio. ^{[ 116 ]}

Después de tener en cuenta la contribución del radón, Rutherford, que ahora trabajaba con el físico británico Frederick Soddy , demostró cómo el torio se desintegraba a una tasa fija a lo largo del tiempo en una serie de otros elementos en un trabajo que data de 1900 a 1903. Esta observación llevó a la identificación de la vida media como uno de los resultados de los experimentos de partículas alfa que llevaron a la teoría de la desintegración de la radiactividad . ^{[ 117 ]} El efecto biológico de la radiación se descubrió en 1903. ^{[ 118 ]} El fenómeno recién descubierto de la radiactividad entusiasmó tanto a los científicos como al público en general. En la década de 1920, la radiactividad del torio se promovió como una cura para el reumatismo , la diabetes y la impotencia sexual . En 1932, la mayoría de estos usos fueron prohibidos en los Estados Unidos después de una investigación federal sobre los efectos de la radiactividad en la salud. ^{[ 119 ]} 10 000 personas en los Estados Unidos habían sido inyectadas con torio durante el diagnóstico por rayos X; Posteriormente se descubrió que padecían problemas de salud como leucemia y anomalías cromosómicas. ^{[ 55 ]} El interés público en la radiactividad había disminuido a finales de la década de 1930. ^{[ 119 ]}

Clasificación adicional

Hasta finales del siglo XIX, los químicos coincidían unánimemente en que el torio y el uranio eran los elementos más pesados de los grupos 4 y 6 , respectivamente; la existencia de los lantánidos en la sexta fila se consideraba una casualidad. En 1892, el químico británico Henry Bassett postuló una segunda fila extralarga en la tabla periódica para dar cabida a elementos conocidos y por descubrir, considerando al torio y al uranio análogos a los lantánidos. En 1913, el físico danés Niels Bohr publicó un modelo teórico del átomo y sus orbitales electrónicos, que pronto obtuvo amplia aceptación. El modelo indicaba que la séptima fila de la tabla periódica también debería tener las capas f llenándose antes que las capas d que se llenaban en los elementos de transición, al igual que la sexta fila, donde los lantánidos preceden a los metales de transición 5d. ^{[ 109 ]} La existencia de una segunda serie de transición interna, en forma de actínidos, no fue aceptada hasta que se establecieron similitudes con las estructuras electrónicas de los lantánidos; ^{[ 120 ]} Bohr sugirió que el llenado de los orbitales 5f podría retrasarse hasta después del uranio. ^{[ 109 ]}

Fue solo con el descubrimiento de los primeros elementos transuránicos , que desde el plutonio en adelante tienen estados de oxidación dominantes +3 y +4 como los lantánidos, que se comprendió que los actínidos llenaban orbitales f en lugar de orbitales d, siendo la química similar a la de los metales de transición de los primeros actínidos la excepción y no la regla. ^{[ 121 ]} En 1945, cuando el físico estadounidense Glenn T. Seaborg y su equipo descubrieron los elementos transuránicos americio y curio, propuso el concepto de actínido , al darse cuenta de que el torio era el segundo miembro de una serie de actínidos del bloque f análoga a la de los lantánidos, en lugar de ser el congénere más pesado del hafnio en una cuarta fila del bloque d. ^{[ 111 ]}^{[ m ]}

Eliminación gradual

En la década de 1990, la mayoría de las aplicaciones que no dependían de la radiactividad del torio disminuyeron rápidamente debido a preocupaciones de seguridad y medioambientales, ya que se encontraron sustitutos más seguros. ^{[ 35 ]}^{[ 124 ]} A pesar de su radiactividad, el elemento se ha mantenido en uso para aplicaciones donde no se pudieron encontrar alternativas adecuadas. Un estudio de 1981 del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Estados Unidos estimó que usar una manta de gas de torio cada fin de semana sería seguro para una persona, ^{[ 124 ]} pero este no fue el caso para la dosis recibida por las personas que fabricaban las mantas o para los suelos alrededor de algunas fábricas. ^{[ 125 ]} Algunos fabricantes han cambiado a otros materiales, como el itrio. ^{[ 126 ]} Tan recientemente como en 2007, algunas empresas continuaron fabricando y vendiendo mantas de torio sin proporcionar información adecuada sobre su radiactividad, y algunas incluso afirmaron falsamente que no eran radiactivas. ^{[ 124 ]}^{[ 127 ]}

Energía nuclear

El torio se ha utilizado como fuente de energía a escala prototipo. El primer reactor basado en torio se construyó en el Indian Point Energy Center ubicado en Buchanan , Nueva York, Estados Unidos en 1962. ^{[ 128 ]} China puede ser el primero en haber intentado comercializar la tecnología. ^{[ 129 ]} El país con las mayores reservas estimadas de torio en el mundo es India , que tiene escasas reservas de uranio. En la década de 1950, India se propuso lograr la independencia energética con su programa de energía nuclear de tres etapas . ^{[ 130 ]}^{[ 131 ]} En la mayoría de los países, el uranio era relativamente abundante y el progreso de los reactores basados en torio fue lento; en el siglo XX, se construyeron tres reactores en India y doce en otros lugares. ^{[ 132 ]} La Agencia Internacional de Energía Atómica comenzó una investigación a gran escala en 1996 para estudiar el uso de reactores de torio; un año después, el Departamento de Energía de los Estados Unidos comenzó su investigación. Alvin Radkowsky, de la Universidad de Tel Aviv en Israel, fue el diseñador principal de la central nuclear de Shippingport en Pensilvania, el primer reactor civil estadounidense en producir torio. ^{[ 133 ]} Fundó un consorcio para desarrollar reactores de torio, que incluía otros laboratorios: Raytheon Nuclear Inc. y el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Estados Unidos, y el Instituto Kurchatov en Rusia. ^{[ 134 ]}

En el siglo XXI, el potencial del torio para reducir la proliferación nuclear y las características de sus residuos llevaron a un renovado interés en el ciclo del combustible de torio. ^{[ 135 ]}^{[ 136 ]}^{[ 137 ]} India ha proyectado satisfacer hasta el 30% de sus demandas eléctricas a través de energía nuclear basada en torio para 2050. En febrero de 2014, el Centro de Investigación Atómica Bhabha (BARC), en Mumbai , India, presentó su último diseño para un "reactor nuclear de próxima generación" que quema torio como su núcleo de combustible, denominándolo Reactor Avanzado de Agua Pesada (AHWR). En 2009, el presidente de la Comisión de Energía Atómica de la India dijo que India tiene un "objetivo a largo plazo de lograr la independencia energética basada en sus vastos recursos de torio".

El 16 de junio de 2023, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de China otorgó una licencia al Instituto de Física Aplicada de Shanghái (SINAP) de la Academia China de Ciencias para comenzar a operar el reactor experimental de sales fundidas a base de torio de combustible líquido TMSR-LF1 de 2 MWt, cuya construcción finalizó en agosto de 2021. ^{[ 138 ]} Se cree que China posee una de las mayores reservas de torio del mundo. El tamaño exacto de estas reservas no se ha divulgado públicamente, pero se estima que es suficiente para cubrir las necesidades energéticas totales del país durante más de 20 000 años. ^{[ 139 ]}

armas nucleares

Cuando se produjeron cantidades de plutonio en gramos en el Proyecto Manhattan , se descubrió que un isótopo menor ( 240Pu ⁾ experimentaba una fisión espontánea significativa, lo que puso en duda la viabilidad de un arma nuclear de tipo cañón alimentada con plutonio . Mientras el equipo de Los Alamos comenzaba a trabajar en un arma de implosión para sortear este problema, el equipo de Chicago discutía soluciones de diseño de reactores. Eugene Wigner propuso usar el plutonio contaminado con ^240Pu para impulsar la conversión de torio en ^233U en un reactor convertidor especial. Se hipotetizó que el ^233U sería entonces utilizable en un arma de tipo cañón, aunque se expresaron preocupaciones sobre la contaminación por ^232U . El progreso en el arma de implosión fue suficiente, y este convertidor no se desarrolló más, pero el diseño tuvo una enorme influencia en el desarrollo de la energía nuclear. Fue la primera descripción detallada de un reactor de agua altamente enriquecido, refrigerado y moderado por agua, similar a los futuros reactores de potencia navales y comerciales. ^{[ 140 ]}

En 1943, el Proyecto Manhattan contrató a dos empresas privadas, Union Carbide y Chevron , para que realizaran discretamente un estudio de los yacimientos de uranio y torio en todo el mundo. El enfoque principal era el uranio, pero al principio del proceso también se incluyó el torio. Se identificaron yacimientos de arenas de monacita en Brasil, las Indias Orientales Neerlandesas y Travancore (India), pero el proyecto no exploró ninguno de ellos. ^{[ 141 ]}

Durante la Guerra Fría, Estados Unidos exploró la posibilidad de utilizar ^232Th como fuente de ^233U para una bomba nuclear y lanzó una bomba de prueba en 1955. ^{[ 142 ]} Concluyó que una bomba lanzada con ^233U sería un arma muy potente, pero presentaba pocas "ventajas técnicas" sostenibles sobre las bombas de uranio-plutonio contemporáneas, ^{[ 143 ]} especialmente porque el ^233U es difícil de producir en forma isotópicamente pura. ^{[ 142 ]}

El metal torio se utilizó en el caso de radiación de al menos un diseño de arma nuclear desplegada por los Estados Unidos (la W71 ). ^{[ 144 ]}

Producción

La baja demanda hace que las minas que se dedican exclusivamente a la extracción de torio no sean rentables, y este casi siempre se extrae junto con las tierras raras, que a su vez pueden ser subproductos de la producción de otros minerales. ^{[ 145 ]} La dependencia actual de la monacita para la producción se debe a que el torio se produce en gran medida como subproducto; otras fuentes, como la torita, contienen más torio y podrían utilizarse fácilmente para la producción si aumentara la demanda. ^{[ 146 ]} El conocimiento actual sobre la distribución de los recursos de torio es escaso, ya que la baja demanda ha provocado que los esfuerzos de exploración sean relativamente menores. ^{[ 147 ]} En 2014, la producción mundial del concentrado de monacita, del que se extraería el torio, fue de 2700 toneladas. ^{[ 148 ]}

La ruta de producción común del torio consiste en la concentración de minerales de torio; la extracción de torio del concentrado; la purificación de torio; y (opcionalmente) la conversión a compuestos, como el dióxido de torio. ^{[ 149 ]}

Concentración

Existen dos categorías de minerales de torio para su extracción: primarios y secundarios. Los depósitos primarios se encuentran en magmas graníticos ácidos y pegmatitas. Son concentrados, pero de pequeño tamaño. Los depósitos secundarios se encuentran en las desembocaduras de los ríos en regiones montañosas graníticas. En estos depósitos, el torio se enriquece junto con otros minerales pesados. ^{[ 48 ]} La concentración inicial varía según el tipo de depósito. ^{[ 149 ]}

Para los depósitos primarios, las pegmatitas de origen, que generalmente se obtienen mediante minería, se dividen en pequeñas partes y luego se someten a flotación . Los carbonatos de metales alcalinotérreos pueden eliminarse después de la reacción con cloruro de hidrógeno ; luego siguen el espesamiento , la filtración y la calcinación. El resultado es un concentrado con un contenido de tierras raras de hasta el 90 %. ^{[ 149 ]} Los materiales secundarios (como las arenas costeras) se someten a separación por gravedad. A continuación, se realiza la separación magnética, con una serie de imanes de fuerza creciente. La monacita obtenida por este método puede tener una pureza de hasta el 98 %. ^{[ 149 ]}

La producción industrial en el siglo XX se basaba en el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado y caliente en recipientes de hierro fundido, seguido de una precipitación selectiva por dilución con agua, al igual que en los pasos subsiguientes. Este método dependía de las particularidades de la técnica y del tamaño de grano del concentrado; se han propuesto muchas alternativas, pero solo una ha demostrado ser económicamente eficaz: la digestión alcalina con solución caliente de hidróxido de sodio. Este método es más costoso que el original, pero produce torio de mayor pureza; en particular, elimina los fosfatos del concentrado. ^{[ 149 ]}

Digestión ácida

La digestión ácida es un proceso de dos etapas que implica el uso de ácido sulfúrico al 93 % a 210–230 °C. Primero, se añade ácido sulfúrico en una cantidad superior al 60 % de la masa de arena, espesando la mezcla de reacción a medida que se forman los productos. A continuación, se añade ácido sulfúrico fumante y la mezcla se mantiene a la misma temperatura durante cinco horas más para reducir el volumen de solución restante tras la dilución. La concentración del ácido sulfúrico se selecciona en función de la velocidad de reacción y la viscosidad, que aumentan con la concentración, si bien la viscosidad retarda la reacción. El aumento de la temperatura también acelera la reacción, pero deben evitarse temperaturas de 300 °C o superiores, ya que provocan la formación de pirofosfato de torio insoluble. Dado que la disolución es muy exotérmica, la arena de monacita no puede añadirse al ácido demasiado rápido. Por el contrario, a temperaturas inferiores a 200 °C, la reacción no es lo suficientemente rápida como para que el proceso sea práctico. Para asegurar que no se formen precipitados que bloqueen la superficie reactiva de la monacita, la masa de ácido utilizada debe ser el doble que la de la arena, en lugar del 60 % que se esperaría según la estequiometría. La mezcla se enfría a 70 °C y se diluye con diez veces su volumen de agua fría, de modo que la monacita restante se deposite en el fondo mientras que las tierras raras y el torio permanecen en solución. El torio se puede separar precipitándolo como fosfato a pH 1,3, ya que las tierras raras no precipitan hasta pH 2. ^{[ 149 ]}

Digestión alcalina

La digestión alcalina se lleva a cabo en una solución de hidróxido de sodio al 30-45% a unos 140 °C durante aproximadamente tres horas. Una temperatura demasiado alta conduce a la formación de óxido de torio poco soluble y un exceso de uranio en el filtrado, y una concentración demasiado baja de álcali conduce a una reacción muy lenta. Estas condiciones de reacción son bastante suaves y requieren arena de monacita con un tamaño de partícula inferior a 45 μm. Después de la filtración, la torta de filtración contiene torio y las tierras raras como sus hidróxidos, uranio como diuranato de sodio y fosfato como fosfato trisódico . Este cristaliza fosfato trisódico decahidratado cuando se enfría por debajo de 60 °C; las impurezas de uranio en este producto aumentan con la cantidad de dióxido de silicio en la mezcla de reacción, lo que requiere recristalización antes de su uso comercial. Los hidróxidos se disuelven a 80 °C en ácido clorhídrico al 37%. La filtración de los precipitados restantes, seguida de la adición de hidróxido de sodio al 47%, produce la precipitación de torio y uranio a un pH aproximado de 5,8. Debe evitarse el secado completo del precipitado, ya que el aire puede oxidar el cerio del estado de oxidación +3 al +4, y el cerio(IV) formado puede liberar cloro libre del ácido clorhídrico. Las tierras raras precipitan nuevamente a un pH más alto. Los precipitados se neutralizan con la solución original de hidróxido de sodio, aunque primero debe eliminarse la mayor parte del fosfato para evitar la precipitación de fosfatos de tierras raras. También puede utilizarse la extracción con solventes para separar el torio y el uranio, disolviendo la torta de filtración resultante en ácido nítrico. La presencia de hidróxido de titanio es perjudicial, ya que se une al torio e impide su completa disolución. ^{[ 149 ]}

Purificación

En las aplicaciones nucleares se requieren altas concentraciones de torio. En particular, las concentraciones de átomos con altas secciones transversales de captura de neutrones deben ser muy bajas (por ejemplo, las concentraciones de gadolinio deben ser inferiores a una parte por millón en peso). Anteriormente, se utilizaban procesos repetidos de disolución y recristalización para lograr una alta pureza. Actualmente, se emplean procedimientos de extracción con disolventes líquidos que implican la complejación selectiva ^de Th⁴⁺ . Por ejemplo, tras la digestión alcalina y la eliminación del fosfato, los complejos de nitrato resultantes de torio, uranio y tierras raras pueden separarse mediante extracción con fosfato de tributilo en queroseno . ^[¹⁴⁹^]

Aplicaciones modernas

Los usos del torio no relacionados con la radiactividad han disminuido desde la década de 1950 ^{[ 150 ]} debido a preocupaciones ambientales derivadas principalmente de la radiactividad del torio y sus productos de desintegración. ^{[ 35 ]}^{[ 124 ]}

La mayoría de las aplicaciones del torio utilizan su dióxido (a veces llamado "toria" en la industria), en lugar del metal. Este compuesto tiene un punto de fusión de 3300 °C (6000 °F), el más alto de todos los óxidos conocidos; solo unas pocas sustancias tienen puntos de fusión más altos. ^{[ 55 ]} Esto ayuda a que el compuesto permanezca sólido en una llama y aumenta considerablemente el brillo de la misma; esta es la razón principal por la que el torio se utiliza en las camisas de las lámparas de gas . ^{[ 151 ]} Todas las sustancias emiten energía (brillo) a altas temperaturas, pero la luz emitida por el torio se encuentra casi en su totalidad en el espectro visible , de ahí el brillo de las camisas de torio. ^{[ 58 ]}

La energía, parte de ella en forma de luz visible, se emite cuando el torio se expone a una fuente de energía, como un rayo catódico, calor o luz ultravioleta . Este efecto es compartido por el dióxido de cerio, que convierte la luz ultravioleta en luz visible de manera más eficiente, pero el dióxido de torio produce una temperatura de llama más alta, emitiendo menos luz infrarroja . ^{[ 151 ]} El torio en las camisas, aunque todavía común, ha sido reemplazado progresivamente por itrio desde finales de la década de 1990. ^{[ 152 ]} Según la revisión de 2005 de la Junta Nacional de Protección Radiológica del Reino Unido , "aunque [las camisas de gas toriadas] estaban ampliamente disponibles hace unos años, ya no lo están". ^{[ 153 ]} El torio también se utiliza para fabricar generadores de iones negativos permanentes y baratos , como en pulseras de salud pseudocientíficas . ^{[ 154 ]}

Durante la producción de filamentos incandescentes , la recristalización del tungsteno se reduce significativamente al agregar pequeñas cantidades de dióxido de torio al polvo de sinterización de tungsteno antes de estirar los filamentos. ^{[ 150 ]} Una pequeña adición de torio a los termocátodos de tungsteno reduce considerablemente la función de trabajo de los electrones; como resultado, los electrones se emiten a temperaturas considerablemente más bajas. ^{[ 35 ]} El torio forma una capa de un átomo de espesor en la superficie del tungsteno. La función de trabajo de una superficie de torio se reduce posiblemente debido al campo eléctrico en la interfaz entre el torio y el tungsteno formado debido a la mayor electropositividad del torio. ^{[ 155 ]} Desde la década de 1920, los alambres de tungsteno toriado se han utilizado en tubos electrónicos y en los cátodos y anticátodos de tubos de rayos X y rectificadores. La reactividad del torio con el oxígeno atmosférico requirió la introducción de una capa de magnesio evaporado como captador de impurezas en los tubos evacuados, dándoles su característico recubrimiento interno metálico. ^{[ 156 ]}^{: 16} La introducción de transistores en la década de 1950 disminuyó significativamente este uso, pero no por completo. ^{[ 150 ]} El dióxido de torio se utiliza en la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) para aumentar la resistencia a altas temperaturas de los electrodos de tungsteno y mejorar la estabilidad del arco. ^{[ 35 ]} El óxido de torio está siendo reemplazado en este uso por otros óxidos, como los de circonio, cerio y lantano . ^{[ 157 ]}^{[ 158 ]}

El dióxido de torio se encuentra en cerámicas refractarias , como crisoles de laboratorio de alta temperatura , ^{[ 35 ]} ya sea como ingrediente principal o como adición al dióxido de circonio . Una aleación de 90 % de platino y 10 % de torio es un catalizador eficaz para oxidar el amoníaco a óxidos de nitrógeno, pero esta ha sido reemplazada por una aleación de 95 % de platino y 5 % de rodio debido a sus mejores propiedades mecánicas y mayor durabilidad. ^{[ 150 ]}

Cuando se añade al vidrio , el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y a disminuir la dispersión . Este tipo de vidrio se utiliza en lentes de alta calidad para cámaras e instrumentos científicos. ^{[ 49 ]} La radiación de estas lentes puede oscurecerlas y amarillearlas con el paso de los años, además de degradar la película, pero los riesgos para la salud son mínimos. ^{[ 159 ]} Las lentes amarillentas pueden recuperar su color original mediante una exposición prolongada a radiación ultravioleta intensa. Desde entonces, el dióxido de torio ha sido sustituido en esta aplicación por óxidos de tierras raras, como el lantano , ya que proporcionan efectos similares y no son radiactivos. ^{[ 150 ]}

El tetrafluoruro de torio se utiliza como material antirreflectante en recubrimientos ópticos multicapa. Es transparente a las ondas electromagnéticas con longitudes de onda en el rango de 0,350–12 μm, un rango que incluye la luz ultravioleta cercana, visible e infrarroja media . Su radiación se debe principalmente a partículas alfa, que pueden ser detenidas fácilmente por una capa delgada de otro material. ^{[ 160 ]} Se están desarrollando sustitutos para el tetrafluoruro de torio desde la década de 2010, ^{[ 161 ]} que incluyen el trifluoruro de lantano .

Las aleaciones Mag-Thor (también llamadas magnesio toriado) se utilizaron en algunas aplicaciones aeroespaciales, aunque dichos usos se han ido eliminando gradualmente debido a la preocupación por la radiactividad.

Uso potencial de la energía nuclear

La principal fuente de energía nuclear en un reactor es la fisión inducida por neutrones de un nucleido; los núcleos fisionables sintéticos ^{[ d ]}^233U y ^239Pu pueden producirse a partir de la captura de neutrones por los nucleidos naturales ^232Th y ^238U . El ^235U se encuentra naturalmente en cantidades significativas y también es fisionable. ^{[ 162 ]}^{[ 163 ]}^{[ n ]} En el ciclo del combustible de torio, el isótopo fértil ^232Th es bombardeado por neutrones lentos , experimentando captura de neutrones para convertirse en ^233Th , que experimenta dos desintegraciones beta consecutivas para convertirse primero en 233Pa ^y luego en el ^233U fisionable : ^{[ 35 ]}

{\ce {{^{232}_{90}Th}->[{\text{(n,}}\gamma {\text{)}}]{^{233}_{90}Th}->[\beta ^{-}][{\text{21.8 min}}]{^{233}_{91}Pa}->[\beta ^{-}][{\text{27 días}}]{^{233}_{92}U}\ (->[\alpha ][1.60\times 10^{5}{\text{años}}])}}

^{El 233U} es fisionable y puede utilizarse como combustible nuclear de la misma manera que el ^235U o el ^239Pu . Cuando ^{el 233U} sufre fisión nuclear, los neutrones emitidos pueden impactar otros núcleos de ^232Th , continuando el ciclo. ^{[ 35 ]} Esto es similar al ciclo del combustible de uranio en los reactores reproductores rápidos, donde ^{el 238U} sufre captura de neutrones para convertirse en ^239U , decayendo beta primero a ^239Np y luego a ^239Pu fisionable . ^{[ 164 ]}

La fisión del ²³³₉₂ U produce un promedio de 2,48 neutrones. ^{[ 165 ]} Se necesita un neutrón para mantener la reacción de fisión. Para un ciclo de reproducción continuo y autónomo, se necesita un neutrón más para generar un nuevo átomo de ²³³₉₂ U a partir del fértil ²³²₉₀ Th . Esto deja un margen de 0,45 neutrones (o el 18 % del flujo de neutrones) para pérdidas.

Ventajas

El torio es más abundante que el uranio y podría satisfacer las demandas energéticas mundiales durante más tiempo. ^{[ 166 ]} Es particularmente adecuado para ser utilizado como material fértil en reactores de sales fundidas .

^{El 232} Th absorbe neutrones más fácilmente que ^{el 238} U, y ^{el 233} U tiene una mayor probabilidad de fisión tras la captura de neutrones (92,0 %) que ^{el 235} U (85,5 %) o ^{el 239} Pu (73,5 %). ^{[ 167 ]} También libera más neutrones tras la fisión en promedio. ^{[ 166 ]} Una sola captura de neutrones por ^{el 238} U produce residuos transuránicos junto con el ²³⁹ Pu fisionable, pero ^{el 232} Th solo produce estos residuos después de cinco capturas, formando ²³⁷ Np. Este número de capturas no ocurre para el 98-99 % de los núcleos ^{de 232} Th porque los productos intermedios ²³³ U o ²³⁵ U sufren fisión, y se producen menos transuránicos de larga vida. Debido a esto, el torio es una alternativa potencialmente atractiva al uranio en combustibles de óxido mixto para minimizar la generación de transuránicos y maximizar la destrucción del plutonio . ^{[ 168 ]}

Los combustibles de torio dan como resultado un núcleo de reactor más seguro y de mejor rendimiento ^{[ 35 ]} porque el dióxido de torio tiene un punto de fusión más alto, una conductividad térmica más alta _y un coeficiente de expansión térmica más bajo . Es químicamente más estable que el dióxido de uranio, combustible común en la actualidad, porque este último se oxida a octóxido de triuranio ₍ U₃O₈ ) , volviéndose sustancialmente menos denso. ^[¹⁶⁹^]

Desventajas

El combustible usado es difícil y peligroso de reprocesar porque muchos de los productos de desintegración del ²³² Th y ^{del 233} U son fuertes emisores de rayos gamma. ^{[ 166 ]} Todos los métodos de producción de ²³³ U dan como resultado impurezas de ²³² U , ya sea por reacciones de expulsión parasitaria (n,2n) en ²³² Th, ²³³ Pa o ²³³ U que resultan en la pérdida de un neutrón, o por captura doble de neutrones de ²³⁰ Th, una impureza en el ²³² Th natural: ^{[ 170 ]}

²³⁰₉₀ Th+ n →²³¹₉₀ Th+

γ

β ⁻ → 25,5 h ²³¹₉₁ Pa( α → 3,28 × 10 ⁴y ²²⁷₈₉ Ac)

²³¹₉₁ Pa+ n →²³²₉₁ Pa+

γ

β ⁻ → 1,3 d ²³²₉₂ U α → 69 y

^{El 232} U por sí mismo no es particularmente dañino, pero se desintegra rápidamente para producir el potente emisor gamma ²⁰⁸ Tl . ( ^{El 232} Th sigue la misma cadena de desintegración, pero su vida media mucho más larga significa que las cantidades de ²⁰⁸ Tl producidas son insignificantes). ^{[ 171 ]} Estas impurezas del ²³² U hacen que ^{el 233} U sea fácil de detectar y peligroso de manipular, y la impracticabilidad de su separación limita las posibilidades de proliferación nuclear utilizando ^{el 233} U como material fisionable. ^{[ 170 ]}^{El 233} Pa tiene una vida media relativamente larga de 27 días y una alta sección transversal para la captura de neutrones. Por lo tanto, es un veneno de neutrones : en lugar de desintegrarse rápidamente en el útil ²³³ U, una cantidad significativa de ²³³ Pa se convierte en ²³⁴ U y consume neutrones, degradando la eficiencia del reactor . Para evitar esto, ^{el 233} Pa se extrae de la zona activa de los reactores de sales fundidas de torio durante su funcionamiento, de modo que no tenga la oportunidad de capturar un neutrón y solo se desintegre en ²³³ U. ^{[ 172 ]}

La irradiación de ²³² Th con neutrones, seguida de su procesamiento, debe dominarse antes de que se puedan materializar estas ventajas, y esto requiere una tecnología más avanzada que el ciclo del combustible de uranio y plutonio; ^{[ 35 ]} la investigación continúa en esta área. Otros citan la baja viabilidad comercial del ciclo del combustible de torio: ^{[ 173 ]}^{[ 174 ]}^{[ 175 ]} el Organismo Internacional de Energía Nuclear predice que el ciclo del torio nunca será comercialmente viable mientras el uranio esté disponible en abundancia, una situación que puede persistir "en las próximas décadas". ^{[ 176 ]} Los isótopos producidos en el ciclo del combustible de torio no son en su mayoría transuránicos, pero algunos de ellos siguen siendo muy peligrosos, como ^{el 231} Pa, que tiene una vida media de 32 760 años y es un importante contribuyente a la radiotoxicidad a largo plazo del combustible nuclear gastado. ^[¹⁷²^]

Riesgos y efectos sobre la salud

Radiológico

El torio natural se desintegra muy lentamente en comparación con muchos otros materiales radiactivos, y la radiación alfa emitida no puede penetrar la piel humana. Por lo tanto, manipular pequeñas cantidades de torio, como las que se encuentran en las mantas de gas, se considera seguro, aunque el uso de estos elementos puede presentar algunos riesgos. ^{[ 177 ]} La exposición a un aerosol de torio, como polvo contaminado, puede aumentar el riesgo de cáncer de pulmón , páncreas y sangre , ya que los pulmones y otros órganos internos pueden ser penetrados por la radiación alfa. ^{[ 177 ]} La exposición interna al torio aumenta el riesgo de enfermedades hepáticas . ^{[ 178 ]}

Los productos de desintegración del ²³² Th incluyen radionúclidos más peligrosos como el radio y el radón. Aunque relativamente pocos de esos productos se crean como resultado de la desintegración lenta del torio, una evaluación adecuada de la toxicidad radiológica del ²³² Th debe incluir la contribución de sus hijos, algunos de los cuales son emisores gamma peligrosos , ^{[ 179 ]} y que se acumulan rápidamente después de la desintegración inicial del ²³² Th debido a la ausencia de nucleidos de larga vida a lo largo de la cadena de desintegración. ^{[ 180 ]} Como los peligrosos hijos del torio tienen puntos de fusión mucho más bajos que el dióxido de torio, se volatilizan cada vez que el manto se calienta para su uso. En la primera hora de uso se liberan grandes fracciones de los hijos del torio ²²⁴ Ra, ²²⁸ Ra, ²¹² Pb y ^{212 Bi.}^{[ 181 ]} La mayor parte de la dosis de radiación que recibe un usuario normal proviene de la inhalación del radio, lo que resulta en una dosis de radiación de hasta 0,2 milisieverts por uso, aproximadamente un tercio de la dosis recibida durante una mamografía . ^[¹⁸²^]

Algunos organismos de seguridad nuclear hacen recomendaciones sobre el uso de mantos de torio y han planteado inquietudes sobre la seguridad en relación con su fabricación y eliminación; la dosis de radiación de un solo manto no es un problema grave, pero sí lo es la de muchos mantos acumulados en fábricas o vertederos. ^{[ 178 ]}

Biológico

El torio es inodoro e insípido. ^{[ 183 ]} La toxicidad química del torio es baja porque el torio y sus compuestos más comunes (principalmente el dióxido) son poco solubles en agua, ^{[ 184 ]} precipitando antes de entrar en el cuerpo como hidróxido. ^{[ 185 ]} Algunos compuestos de torio son químicamente moderadamente tóxicos , especialmente en presencia de iones fuertes formadores de complejos como el citrato que transportan el torio al cuerpo en forma soluble. ^{[ 180 ]} Si un objeto que contiene torio ha sido masticado o chupado, pierde 0,4% de torio y 90% de sus peligrosas hijas al cuerpo. ^{[ 127 ]} Tres cuartas partes del torio que ha penetrado en el cuerpo se acumulan en el esqueleto . La absorción a través de la piel es posible, pero no es una vía de exposición probable. ^{[ 177 ]} La baja solubilidad del torio en agua también significa que la excreción de torio por los riñones y las heces es bastante lenta. ^{[ 180 ]}

Las pruebas sobre la absorción de torio en trabajadores involucrados en el procesamiento de monacita mostraron niveles de torio superiores a los límites recomendados en sus cuerpos, pero no se encontraron efectos adversos para la salud en esas concentraciones moderadamente bajas. Hasta el momento no se ha observado toxicidad química en el tracto traqueobronquial ni en los pulmones por exposición al torio. ^{[ 185 ]} Las personas que trabajan con compuestos de torio corren el riesgo de desarrollar dermatitis . Los síntomas pueden tardar hasta treinta años en manifestarse después de la ingestión de torio. ^{[ 55 ]} El torio no tiene una función biológica conocida. ^{[ 55 ]} Sin embargo, un estudio de Tonietti et al. mostró que algunos microorganismos pueden movilizar el torio a través de procesos de biolixiviación. En particular, se demostró que Sphingomonas desiccabilis moviliza selectivamente el torio de sustratos rocosos terrestres y extraterrestres en condiciones casi neutras. ^{[ 186 ]}

Químico

El torio metálico en polvo es pirofórico: se inflama espontáneamente en el aire. ^{[ 12 ]} En 1964, el Departamento del Interior de los Estados Unidos clasificó el torio como "severo" en una tabla titulada "Ignición y explosividad de polvos metálicos". Su temperatura de ignición se indicó como 270 °C (520 °F) para nubes de polvo y 280 °C (535 °F) para capas. Su concentración mínima explosiva se indicó como 0,075 oz/pie³ (0,075 kg/m³ ⁾ ; la energía mínima de ignición para polvo (no submicrométrico) se indicó como 5 mJ . ^[¹⁸⁷^]

En 1956, la explosión de Sylvania Electric Products ocurrió durante el reprocesamiento y la quema de lodos de torio en la ciudad de Nueva York , Estados Unidos. Nueve personas resultaron heridas; una murió por complicaciones causadas por quemaduras de tercer grado . ^{[ 188 ]}^{[ 189 ]}^{[ 190 ]}

Rutas de exposición

El torio existe en cantidades muy pequeñas en toda la Tierra, aunque en ciertas partes se encuentran cantidades mayores: el ser humano promedio contiene alrededor de 40 microgramos de torio y suele consumir tres microgramos al día. ^[⁵⁵^] La mayor parte de la exposición al torio se produce por inhalación de polvo; algo de torio se encuentra en los alimentos y el agua, pero debido a su baja solubilidad, esta exposición es insignificante. ^[¹⁸⁰^]

La exposición aumenta para las personas que viven cerca de depósitos de torio o vertederos de desechos radiactivos, quienes viven cerca o trabajan en fábricas de procesamiento de uranio, fosfato o estaño, y quienes trabajan en la producción de mantos de gas. ^{[ 191 ]} El torio es especialmente común en las zonas costeras de Tamil Nadu , India, donde los residentes pueden estar expuestos a una dosis de radiación natural diez veces mayor que el promedio mundial. ^{[ 192 ]} También es común en las zonas costeras del norte de Brasil , desde el sur de Bahía hasta Guarapari , una ciudad con playas de arena de monacita radiactiva, con niveles de radiación hasta 50 veces superiores a la radiación de fondo promedio mundial. ^{[ 193 ]}

Otra posible fuente de exposición es el polvo de torio producido en los campos de pruebas de armas, ya que el torio se utiliza en los sistemas de guiado de algunos misiles. Esto se ha relacionado con una alta incidencia de defectos congénitos y cáncer en Salto di Quirra, en la isla italiana de Cerdeña . ^{[ 194 ]}

Véase también

Alianza de Energía de Torio

Notas explicativas

↑ El bismuto es ligeramente radiactivo, pero su vida media (aproximadamente 2 × 10¹⁹ años) es un tiempo tan largo que su deterioro es insignificante incluso en escalas de tiempo geológicas.
↑ Detrás del osmio , el tantalio , el tungsteno y el renio ;^{[ 12 ]} se especula que los metales de transición 6d tienen puntos de ebullición más altos, pero no se han producido en cantidades lo suficientemente grandes como para comprobar esta predicción.^{[ 16 ]}
↑ Los rayos gamma se distinguen por su origen en el núcleo, no por su longitud de onda; por lo tanto, no existe un límite inferior para la energía gamma derivada de la desintegración radiactiva.^{[ 33 ]}
1 2 Un nucleido fisionable es capaz de sufrir fisión (incluso con baja probabilidad) después de capturar un neutrón de alta energía. Algunos de estos nucleidos pueden ser inducidos a fisionarse con neutrones térmicos de baja energía con alta probabilidad; se les denomina fisionables . Un nucleido fértil es aquel que podría ser bombardeado con neutrones para producir un nucleido fisionable. La masa crítica es la masa de una bola de un material que podría sufrir una reacción en cadena nuclear sostenida .
↑ El nombre ionio para^{el 230} Th es un vestigio de un período en el que no se reconocía que los diferentes isótopos fueran el mismo elemento y se les daban nombres diferentes.
↑ A diferencia de la similitud previa entre los actínidos y los metales de transición, la similitud de los elementos del grupo principal termina en gran medida en el torio antes de reanudarse en la segunda mitad de la serie de los actínidos, debido a la creciente contribución de los orbitales 5f al enlace covalente. El único otro actínido que se encuentra comúnmente, el uranio, conserva algunos ecos del comportamiento de los elementos del grupo principal. La química del uranio es más compleja que la del torio, pero los dos estados de oxidación más comunes del uranio son uranio(VI) y uranio(IV); estos están separados por dos unidades de oxidación, correspondiendo el estado de oxidación más alto a la pérdida formal de todos los electrones de valencia, lo cual es similar al comportamiento de los elementos pesados del grupo principal en el bloque p .^{[ 46 ]}
↑ Un número par de protones o neutrones generalmente aumenta la estabilidad nuclear de los isótopos, en comparación con los isótopos con números impares. Los elementos con números atómicos impares no tienen más de dos isótopos estables; los elementos con números pares tienen múltiples isótopos estables, y el estaño (elemento 50) tiene diez.^{[ 17 ]}
↑ Otros isótopos pueden aparecer junto con^{el 232} Th, pero solo en cantidades traza. Si la fuente no contiene uranio, el único otro isótopo de torio presente sería^{el 228} Th, que aparece en la cadena de desintegración del²³² Th (la serie del torio ): la relación de²²⁸ Th a²³² Th sería inferior a 10⁻¹⁰ .^{[ 26 ]} Si hay uranio presente, también estarán presentes trazas diminutas de varios otros isótopos:²³¹ Th y²²⁷ Th de la cadena de desintegración del²³⁵ U (la serie del actinio ), y trazas ligeramente mayores pero aún diminutas de²³⁴ Th y²³⁰ Th de la cadena de desintegración del²³⁸ U (la serie del uranio ).^{[ 26 ]}^{El 229} Th también se ha producido en la cadena de desintegración del²³⁷ Np (la serie del neptunio ): todo^{el 237} Np primordial está extinto , pero aún se produce como resultado de reacciones nucleares en minerales de uranio.^{[ 88 ]}^{El 229} Th se produce principalmente como hijo del ²³³ U artificialcreado por irradiación de neutrones del²³² Th, y es extremadamente raro en la naturaleza.^{[ 26 ]}
↑ La torianita se refiere a minerales con 75–100 mol% de ThO ₂ ; la uranotorianita, 25–75mol% de ThO ₂ ; la uraninita toriana, 15–25mol% de ThO ₂ ; la uraninita , 0–15mol% de ThO ₂ .^[⁸⁹^]
↑ En aquel entonces, se creía que los elementos de tierras raras , entre los que se encontraba el torio y con los que está estrechamente asociado en la naturaleza, eran divalentes; a las tierras raras se les asignaron valores de peso atómico que eran dos tercios de los reales, y al torio y al uranio se les asignaron valores que eran la mitad de los reales.
↑ La principal dificultad para aislar el torio no reside en su electropositividad química, sino en la estrecha asociación del torio en la naturaleza con los elementos de tierras raras y el uranio, que en conjunto son difíciles de separar entre sí. El químico sueco Lars Fredrik Nilson , descubridor del escandio, había intentado aislar torio metálico en 1882, pero no logró alcanzar un alto grado de pureza.^{[ 107 ]} Lely y Hamburger obtuvieron torio metálico con una pureza del 99 % mediante la reducción de cloruro de torio con sodio metálico.^{[ 108 ]} En 1927, los ingenieros estadounidenses John Marden y Harvey Rentschler descubrieron un método más sencillo que conducía a una pureza aún mayor, mediante la reducción de óxido de torio con calcio en presencia de cloruro de calcio.^{[ 108 ]}
↑ El torio también aparece en la tabla de 1864 del químico británico John Newlands como el último y más pesado elemento, ya que inicialmente se pensaba que el uranio era un elemento trivalente con un peso atómico de alrededor de 120: esto es la mitad de su valor real, puesto que el uranio es predominantemente hexavalente. También aparece como el elemento más pesado en la tabla de 1864 del químico británico William Odling, debajo del titanio, el circonio y el tantalio . No aparece en los sistemas periódicos publicados por el geólogo francés Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois en 1862, el músico germano-estadounidense Gustav Hinrichs en 1867 o el químico alemán Julius Lothar Meyer en 1870, todos los cuales excluyen las tierras raras y el torio.^{[ 109 ]}
↑ El llenado de la subcapa 5f desde el inicio de la serie de los actínidos se confirmó cuando se alcanzaron los elementos 6d en la década de 1960, lo que demuestra que las series 4f y 5f tienen la misma longitud. El lawrencio tiene solo +3 como estado de oxidación, rompiendo la tendencia de los últimos actínidos hacia el estado +2; por lo tanto, encaja como un congénere más pesado del lutecio . Aún más importante, se descubrió queel siguiente elemento, el rutherfordio , se comporta como el hafnio y muestra solo un estado +4. ^{[ 45 ]}^{[ 122 ]} Hoy en día, las similitudes del torio con el hafnio todavía se reconocen a veces llamándolo un "elemento pseudogrupo 4".^{[ 123 ]}
↑ Los trece isótopos de actínidos fisionables con vidas medias superiores a un año son²²⁹ Th,²³³ U,²³⁵ U,²³⁶ Np ,²³⁹ Pu,²⁴¹ Pu ,^242m Am ,²⁴³ Cm ,²⁴⁵ Cm ,²⁴⁷ Cm ,²⁴⁹ Cf ,²⁵¹ Cf y²⁵² Es . De estos, solo²³⁵ U se encuentra en cantidades significativas en la naturaleza, y solo²³³ U y²³⁹ Pu pueden generarse a partir de núcleos naturales mediante una única captura de neutrones.^{[ 163 ]}

Citas

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Enlaces externos

Definición de torio en el diccionario Wikcionario
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[10] El bismuto es ligeramente radiactivo, pero su vida media (aproximadamente 2 × 10¹⁹ años) es un tiempo tan largo que su deterioro es insignificante incluso en escalas de tiempo geológicas.

[18] Detrás del osmio , el tantalio , el tungsteno y el renio ;^{[ 12 ]} se especula que los metales de transición 6d tienen puntos de ebullición más altos, pero no se han producido en cantidades lo suficientemente grandes como para comprobar esta predicción.^{[ 16 ]}

[36] Los rayos gamma se distinguen por su origen en el núcleo, no por su longitud de onda; por lo tanto, no existe un límite inferior para la energía gamma derivada de la desintegración radiactiva.^{[ 33 ]}

[fissionable-38] 1 2 Un nucleido fisionable es capaz de sufrir fisión (incluso con baja probabilidad) después de capturar un neutrón de alta energía. Algunos de estos nucleidos pueden ser inducidos a fisionarse con neutrones térmicos de baja energía con alta probabilidad; se les denomina fisionables . Un nucleido fértil es aquel que podría ser bombardeado con neutrones para producir un nucleido fisionable. La masa crítica es la masa de una bola de un material que podría sufrir una reacción en cadena nuclear sostenida .

[40] El nombre ionio para^{el 230} Th es un vestigio de un período en el que no se reconocía que los diferentes isótopos fueran el mismo elemento y se les daban nombres diferentes.

[52] A diferencia de la similitud previa entre los actínidos y los metales de transición, la similitud de los elementos del grupo principal termina en gran medida en el torio antes de reanudarse en la segunda mitad de la serie de los actínidos, debido a la creciente contribución de los orbitales 5f al enlace covalente. El único otro actínido que se encuentra comúnmente, el uranio, conserva algunos ecos del comportamiento de los elementos del grupo principal. La química del uranio es más compleja que la del torio, pero los dos estados de oxidación más comunes del uranio son uranio(VI) y uranio(IV); estos están separados por dos unidades de oxidación, correspondiendo el estado de oxidación más alto a la pérdida formal de todos los electrones de valencia, lo cual es similar al comportamiento de los elementos pesados del grupo principal en el bloque p .^{[ 46 ]}

[86] Un número par de protones o neutrones generalmente aumenta la estabilidad nuclear de los isótopos, en comparación con los isótopos con números impares. Los elementos con números atómicos impares no tienen más de dos isótopos estables; los elementos con números pares tienen múltiples isótopos estables, y el estaño (elemento 50) tiene diez.^{[ 17 ]}

[96] Otros isótopos pueden aparecer junto con^{el 232} Th, pero solo en cantidades traza. Si la fuente no contiene uranio, el único otro isótopo de torio presente sería^{el 228} Th, que aparece en la cadena de desintegración del²³² Th (la serie del torio ): la relación de²²⁸ Th a²³² Th sería inferior a 10⁻¹⁰ .^{[ 26 ]} Si hay uranio presente, también estarán presentes trazas diminutas de varios otros isótopos:²³¹ Th y²²⁷ Th de la cadena de desintegración del²³⁵ U (la serie del actinio ), y trazas ligeramente mayores pero aún diminutas de²³⁴ Th y²³⁰ Th de la cadena de desintegración del²³⁸ U (la serie del uranio ).^{[ 26 ]}^{El 229} Th también se ha producido en la cadena de desintegración del²³⁷ Np (la serie del neptunio ): todo^{el 237} Np primordial está extinto , pero aún se produce como resultado de reacciones nucleares en minerales de uranio.^{[ 88 ]}^{El 229} Th se produce principalmente como hijo del ²³³ U artificialcreado por irradiación de neutrones del²³² Th, y es extremadamente raro en la naturaleza.^{[ 26 ]}

[103] La torianita se refiere a minerales con 75–100 mol% de ThO ₂ ; la uranotorianita, 25–75mol% de ThO ₂ ; la uraninita toriana, 15–25mol% de ThO ₂ ; la uraninita , 0–15mol% de ThO ₂ .^[⁸⁹^]

[115] En aquel entonces, se creía que los elementos de tierras raras , entre los que se encontraba el torio y con los que está estrechamente asociado en la naturaleza, eran divalentes; a las tierras raras se les asignaron valores de peso atómico que eran dos tercios de los reales, y al torio y al uranio se les asignaron valores que eran la mitad de los reales.

[119] La principal dificultad para aislar el torio no reside en su electropositividad química, sino en la estrecha asociación del torio en la naturaleza con los elementos de tierras raras y el uranio, que en conjunto son difíciles de separar entre sí. El químico sueco Lars Fredrik Nilson , descubridor del escandio, había intentado aislar torio metálico en 1882, pero no logró alcanzar un alto grado de pureza.^{[ 107 ]} Lely y Hamburger obtuvieron torio metálico con una pureza del 99 % mediante la reducción de cloruro de torio con sodio metálico.^{[ 108 ]} En 1927, los ingenieros estadounidenses John Marden y Harvey Rentschler descubrieron un método más sencillo que conducía a una pureza aún mayor, mediante la reducción de óxido de torio con calcio en presencia de cloruro de calcio.^{[ 108 ]}

[123] El torio también aparece en la tabla de 1864 del químico británico John Newlands como el último y más pesado elemento, ya que inicialmente se pensaba que el uranio era un elemento trivalente con un peso atómico de alrededor de 120: esto es la mitad de su valor real, puesto que el uranio es predominantemente hexavalente. También aparece como el elemento más pesado en la tabla de 1864 del químico británico William Odling, debajo del titanio, el circonio y el tantalio . No aparece en los sistemas periódicos publicados por el geólogo francés Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois en 1862, el músico germano-estadounidense Gustav Hinrichs en 1867 o el químico alemán Julius Lothar Meyer en 1870, todos los cuales excluyen las tierras raras y el torio.^{[ 109 ]}

[136] El llenado de la subcapa 5f desde el inicio de la serie de los actínidos se confirmó cuando se alcanzaron los elementos 6d en la década de 1960, lo que demuestra que las series 4f y 5f tienen la misma longitud. El lawrencio tiene solo +3 como estado de oxidación, rompiendo la tendencia de los últimos actínidos hacia el estado +2; por lo tanto, encaja como un congénere más pesado del lutecio . Aún más importante, se descubrió queel siguiente elemento, el rutherfordio , se comporta como el hafnio y muestra solo un estado +4. ^{[ 45 ]}^{[ 122 ]} Hoy en día, las similitudes del torio con el hafnio todavía se reconocen a veces llamándolo un "elemento pseudogrupo 4".^{[ 123 ]}

[177] Los trece isótopos de actínidos fisionables con vidas medias superiores a un año son²²⁹ Th,²³³ U,²³⁵ U,²³⁶ Np ,²³⁹ Pu,²⁴¹ Pu ,^242m Am ,²⁴³ Cm ,²⁴⁵ Cm ,²⁴⁷ Cm ,²⁴⁹ Cf ,²⁵¹ Cf y²⁵² Es . De estos, solo²³⁵ U se encuentra en cantidades significativas en la naturaleza, y solo²³³ U y²³⁹ Pu pueden generarse a partir de núcleos naturales mediante una única captura de neutrones.^{[ 163 ]}

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