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Prometeo

El prometio es un elemento químico ; su símbolo es Pm y su número atómico es 61. Todos sus isótopos son radiactivos ; es extremadamente raro, con solo unos 500-600 gramos presen...

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El prometio es un elemento químico ; su símbolo es Pm y su número atómico es 61. Todos sus isótopos son radiactivos ; es extremadamente raro, con solo unos 500-600 gramos presentes de forma natural en la corteza terrestre en cualquier momento dado. El prometio es uno de los dos únicos elementos radiactivos que están precedidos y seguidos en la tabla periódica por elementos con formas estables; el otro es el tecnecio . Químicamente, el prometio es un lantánido . El prometio presenta un único estado de oxidación estable : +3.

En 1902, Bohuslav Brauner sugirió la existencia de un elemento entonces desconocido con propiedades intermedias entre las de los elementos conocidos neodimio (60) y samario (62); esto fue confirmado en 1914 por Henry Moseley , quien, tras medir los números atómicos de todos los elementos conocidos hasta entonces, descubrió que faltaba el elemento con número atómico 61. En 1926, dos grupos (uno italiano y otro estadounidense) afirmaron haber aislado una muestra del elemento 61; ambos "descubrimientos" pronto resultaron ser falsos. En 1938, durante un experimento nuclear realizado en la Universidad Estatal de Ohio , se produjeron algunos nucleidos radiactivos que ciertamente no eran radioisótopos de neodimio o samario , pero no hubo pruebas químicas de que se hubiera producido el elemento 61, y el descubrimiento no tuvo mucha repercusión. El prometio fue producido y caracterizado por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1945 mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en un reactor de grafito . Los descubridores propusieron el nombre " Prometh e um " ( sic ; la ortografía se modificó posteriormente), derivado de Prometeo , el titán de la mitología griega que robó el fuego del monte Olimpo y lo trajo a los humanos, para simbolizar "tanto la audacia como el posible mal uso del intelecto humano". La primera muestra de este metal se obtuvo recién en 1963.

Las dos fuentes de prometio natural son las raras desintegraciones alfa del europio -151 natural (que producen prometio-147) y la fisión espontánea del uranio (diversos isótopos). El prometio-145 es el isótopo más estable del prometio, pero el único isótopo con aplicaciones prácticas es el prometio-147, cuyos compuestos químicos se utilizan en pinturas luminiscentes , baterías atómicas y dispositivos de medición de espesor. Debido a que el prometio natural es extremadamente escaso, generalmente se sintetiza bombardeando uranio-235 ( uranio enriquecido ) con neutrones térmicos para producir prometio-147 como producto de fisión .

Propiedades

Propiedades físicas

Un átomo de prometio tiene 61 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ]  4f 5  6s 2 . Los siete electrones 4f y 6s son electrones de valencia . [ 6 ] Al formar compuestos, el átomo pierde sus dos electrones más externos y un electrón 4f, que pertenece a una subcapa abierta. El radio atómico del elemento es el segundo más grande entre todos los lantánidos , pero es solo ligeramente mayor que los de los elementos vecinos. [ 6 ] Es la excepción más notable a la tendencia general de la contracción de los átomos de lantánidos con el aumento de sus números atómicos ( contracción de los lantánidos [ 7 ] ). Muchas propiedades del prometio dependen de su posición entre los lantánidos y son intermedias entre las del neodimio y el samario. Por ejemplo, el punto de fusión, las tres primeras energías de ionización y la energía de hidratación son mayores que las del neodimio y menores que las del samario; [ 6 ] De manera similar, la estimación del punto de ebullición, el radio iónico (Pm 3+ ) y el calor estándar de formación del gas monoatómico son mayores que los del samario y menores que los del neodimio. [ 6 ]

El prometio tiene una estructura hexagonal compacta doble (dhcp) y una dureza de 63  kg/mm² . [ 8 ] Esta forma alfa de baja temperatura se convierte en una fase beta, cúbica centrada en el cuerpo (bcc), al calentarse a 890  °C. [ 9 ]

Propiedades químicas y compuestos

nitrato de prometio
Solución que contiene iones Pm 3+

El prometio pertenece al grupo del cerio de los lantánidos y es químicamente muy similar a los elementos vecinos. [ 10 ] Debido a su inestabilidad, los estudios químicos del prometio son incompletos. Aunque se han sintetizado algunos compuestos, no se han estudiado completamente; en general, tienden a ser de color rosa o rojo. [ 11 ] [ 12 ] En mayo de 2024, se caracterizó un complejo de coordinación de prometio con ligandos PyDGA neutros en solución acuosa . [ 13 ] El tratamiento de soluciones ácidas que contienen iones Pm 3+ con amoníaco da como resultado un sedimento gelatinoso de color marrón claro de hidróxido, Pm(OH) 3 , que es insoluble en agua. [ 14 ] Cuando se disuelve en ácido clorhídrico , se produce una sal amarilla soluble en agua, PmCl 3 ; [ 14 ] de manera similar, cuando se disuelve en ácido nítrico , se obtiene un nitrato, Pm(NO 3 ) 3 . Este último también es bien soluble; Cuando se seca, forma cristales rosados, similares a Nd(NO₃ ) ₃ . [ 14 ] La configuración electrónica para Pm³⁺ es [Xe]₄f⁴ , y el color del ion es rosa. El símbolo del término del estado fundamental es ⁵I₄. [15 ] El sulfato es ligeramente soluble, como los otros sulfatos del grupo del cerio . Se han calculado los parámetros de celda para su octahidrato; estos llevaron a la conclusión de que la densidad de Pm₂ ( SO₄ ) ₃ · 8H₂O es 2,86 g /cm³ . [ 16 ] El oxalato , Pm₂ (C₂O₄ ) ₃ · 10H₂O , tiene la menor solubilidad de todos los oxalatos de lantánidos . [ 17 ] 

A diferencia del nitrato, el óxido es similar a la sal de samario correspondiente y no a la de neodimio. Tal como se sintetiza, por ejemplo, calentando el oxalato, es un polvo blanco o de color lavanda con estructura desordenada. [ 14 ] Este polvo cristaliza en una red cúbica al calentarse a 600  °C. Un recocido posterior a 800  °C y luego a 1750  °C lo transforma irreversiblemente en fases monoclínica y hexagonal , respectivamente, y las dos últimas fases pueden interconvertirse ajustando el tiempo y la temperatura de recocido. [ 18 ]

El prometio forma un único estado de oxidación estable, +3, en forma de iones; esto concuerda con otros lantánidos. El prometio también puede formar el estado de oxidación +2. [ 19 ] Las propiedades termodinámicas del Pm²⁺ sugieren que los dihaluros son estables, de forma similar al NdCl₂ y al SmCl₂ . [ 20 ]

isótopos

El prometio es el único lantánido y uno de los dos únicos elementos entre los primeros 83 que no posee isótopos estables o de larga vida ( primordiales ). Esto se debe a un efecto poco frecuente del modelo de gota líquida del núcleo y a la estabilidad de los isótopos de los elementos vecinos; además, es el elemento menos estable de los primeros 84. [ 5 ] Los productos de desintegración primarios son los isótopos de neodimio y samario (el prometio-146 se desintegra en ambos, los isótopos más ligeros generalmente en neodimio mediante desintegración positrónica y captura electrónica , y los isótopos más pesados ​​en samario mediante desintegración beta). Los isómeros nucleares del prometio pueden desintegrarse en otros isótopos de prometio, y un isótopo ( 145Pm ) tiene un modo de desintegración alfa muy raro que produce praseodimio -141 estable . [ 5 ]

El isótopo más estable del elemento es el prometio-145, que tiene una actividad específica de 139 Ci / g (5,1 TBq /g) y una vida media de 17,7 años por captura electrónica . [ 5 ] Debido a que tiene 84 neutrones (dos más que 82, que es un número mágico que corresponde a una configuración neutrónica estable), puede emitir una partícula alfa (que tiene 2 neutrones) para formar praseodimio-141 con 82 neutrones. Por lo tanto, es el único isótopo de prometio con una desintegración alfa observada experimentalmente . [ 22 ] Su vida media parcial para la desintegración alfa es de aproximadamente 6,3 × 10   9  años, y la probabilidad relativa de que un núcleo de 145 Pm se desintegre de esta manera es 2,8 × 10−7  %. Otros isótopos de prometio, como el 144 Pm, el 146 Pm y el 147 Pm, también presentan una liberación de energía positiva por desintegración alfa; se predice que estas desintegraciones ocurrirán, pero no se han observado. En total, se conocen 41 isótopos de prometio, que van desde el 126 Pm hasta el 166 Pm. [ 5 ] [ 23 ]

El elemento también tiene 18 isómeros nucleares, con números másicos de 133 a 142, 144, 148, 149, 152 y 154 (algunos números másicos tienen más de un isómero). El más estable de ellos es el prometio-148m, con una vida media de 41,3  días; esto es más largo que las vidas medias de su estado fundamental y de todos los isótopos de prometio excepto el 143-147. [ 5 ]

Aparición

La uraninita , un mineral de uranio y el huésped de la mayor parte del prometio de la Tierra.

En 1934, Willard Libby informó haber encontrado una débil actividad beta en neodimio puro, atribuida a una vida media superior a 10¹² años  . [ 24 ] Casi 20 años después, se afirmó que el elemento se encuentra en el neodimio natural en equilibrio en cantidades inferiores a 10⁻²⁰ gramos de prometio por gramo de neodimio. [ 24 ] Sin embargo, estas observaciones fueron refutadas por investigaciones más recientes, ya que para los siete isótopos de neodimio que se encuentran en la naturaleza, cualquier desintegración beta simple (que puede producir isótopos de prometio) está prohibida por la conservación de la energía. [ 25 ] En particular, mediciones cuidadosas de las masas atómicas muestran que la diferencia de masa entre ¹⁵⁰Nd y ¹⁵⁰Pm es negativa (−87  keV), lo que impide absolutamente la desintegración beta simple de ¹⁵⁰Nd a ¹⁵⁰Pm . [ 26 ]

En 1965, Olavi Erämetsä separó trazas de 147 Pm de un concentrado de tierras raras purificado de apatita , lo que dio como resultado un límite superior de 10 −21 para la abundancia de prometio en la naturaleza; esto puede haber sido producido por la fisión nuclear natural del uranio, o por captura de neutrones de 146 Nd. [ 27 ]

Ambos isótopos del europio natural tienen excesos de masa mayores que la suma de los de sus potenciales hijos alfa más el de una partícula alfa; por lo tanto, (siendo estables en la práctica) pueden desintegrarse alfa en prometio. [ 28 ] Investigaciones realizadas en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso demostraron que el europio-151 se desintegra en prometio-147 con una vida media de 5 × 1018  años; [ 28 ] mediciones posteriores dieron la vida media como (4,62 ± 0,95(stat.) ± 0,68(sist.)) × 10 18 años. [ 29 ] Se ha demostrado que el europio es "responsable" de unos 12 gramos de prometio en la corteza terrestre. [ 28 ] Aún no se han encontrado desintegraciones alfa para el europio-153, y su vida media calculada teóricamente es tan alta (debido a la baja energía de desintegración) que este proceso probablemente no se observará en un futuro cercano. [ 30 ]

El prometio también puede formarse en la naturaleza como producto de la fisión espontánea del uranio-238 . [ 24 ] Solo se pueden encontrar cantidades traza en los minerales que se encuentran en la naturaleza: se ha encontrado que una muestra de pechblenda contiene prometio en una concentración de cuatro partes por quintillón (4 × 10−18 ) en masa. [ 31 ] El uranio es, por lo tanto, "responsable" de 560 g de prometio en la corteza terrestre . [ 28 ]

También se ha identificado prometio en el espectro de la estrella HR 465 en Andrómeda ; asimismo, se ha encontrado en HD 101065 ( estrella de Przybylski ) y HD 965. [ 32 ] Debido a la corta vida media de los isótopos de prometio, estos deberían formarse cerca de la superficie de dichas estrellas. [ 33 ]

Historia

Búsquedas del elemento 61

En 1902, el químico checo Bohuslav Brauner descubrió que las diferencias en las propiedades entre el neodimio y el samario eran las mayores entre cualquier par de lantánidos consecutivos en la secuencia conocida hasta entonces; como conclusión, sugirió que existía un elemento con propiedades intermedias entre ellos. [ 34 ] Esta predicción fue respaldada en 1914 por Henry Moseley , quien, tras descubrir que el número atómico era una propiedad de los elementos que se podía medir experimentalmente, encontró que algunos números atómicos no tenían elementos correspondientes conocidos: las brechas eran 43 , 61, 72 , 75 , 85 y 87. [ 35 ] Con el conocimiento de una brecha en la tabla periódica , varios grupos comenzaron a buscar el elemento predicho entre otras tierras raras en el medio ambiente natural. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

La primera afirmación de un descubrimiento fue publicada por Luigi Rolla y Lorenzo Fernandes de Florencia , Italia. Después de separar una mezcla de concentrado de nitrato de algunos elementos de tierras raras del mineral brasileño monacita por cristalización fraccionada, obtuvieron una solución que contenía principalmente samario. Esta solución dio espectros de rayos X atribuidos al samario y al elemento 61. En honor a su ciudad, nombraron al elemento 61 "florentium". Los resultados fueron publicados en 1926, pero los científicos afirmaron que los experimentos fueron realizados en 1924. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] También en 1926, un grupo de científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign , Smith Hopkins y Len Yntema publicaron el descubrimiento del elemento 61. Lo llamaron "illinium", en honor a la universidad. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] Se demostró que ambos descubrimientos reportados eran erróneos porque la línea del espectro que "correspondía" al elemento 61 era idéntica a la del didimio ; las líneas que se creía que pertenecían al elemento 61 resultaron pertenecer a algunas impurezas (bario, cromo y platino). [ 36 ]

En 1934, Josef Mattauch finalmente formuló la regla de los isóbaros . Una de las consecuencias indirectas de esta regla fue que el elemento 61 no podía formar isótopos estables. [ 36 ] [ 48 ] A partir de 1938, HB Law et al. llevaron a cabo un experimento nuclear en la Universidad Estatal de Ohio . En 1941 se produjeron nucleidos que no eran radioisótopos de neodimio ni de samario, y se propuso el nombre de "ciclonio", pero no había pruebas químicas de que se hubiera producido el elemento 61 y el descubrimiento no fue ampliamente reconocido. [ 49 ] [ 50 ]

Descubrimiento y síntesis del metal prometio

El prometio fue producido y caracterizado por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (entonces Laboratorios Clinton) en 1945 por Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en el reactor de grafito ; sin embargo, estando demasiado ocupados con investigaciones relacionadas con el ámbito militar durante la Segunda Guerra Mundial , no anunciaron su descubrimiento hasta 1947. [ 51 ] [ 52 ] El nombre propuesto originalmente fue "clintonio", en honor al laboratorio donde se realizó el trabajo; sin embargo, el nombre "prometeo" fue sugerido por Grace Mary Coryell, la esposa de uno de los descubridores. [ 49 ] Se deriva de Prometeo , el titán de la mitología griega que robó el fuego del Monte Olimpo y lo trajo a los humanos [ 49 ] y simboliza "tanto la audacia como el posible mal uso del intelecto humano". [ 53 ] La ortografía se cambió entonces a "prometio", ya que esto estaba de acuerdo con la mayoría de los demás metales. [ 49 ]

En 1963, se utilizó fluoruro de prometio(III) para producir prometio metálico. Tras purificarlo provisionalmente de impurezas de samario, neodimio y americio, se colocó en un crisol de tantalio que, a su vez, se encontraba dentro de otro crisol de tantalio; el crisol exterior contenía litio metálico (en una proporción 10 veces mayor que la del prometio). [ 11 ] [ 17 ] Después de crear el vacío, se mezclaron los productos químicos para producir prometio metálico:

PmF 3 + 3  Li → Pm + 3  LiF

La muestra de prometio producida se utilizó para medir algunas de las propiedades del metal, como su punto de fusión . [ 17 ]

En 1963, se utilizaron métodos de intercambio iónico en ORNL para preparar unos diez gramos de prometio a partir de los residuos del procesamiento del combustible de reactores nucleares. [ 33 ] [ 54 ] [ 55 ]

El prometio puede recuperarse de los subproductos de la fisión del uranio o producirse bombardeando 146 Nd con neutrones , convirtiéndolo en 147 Nd, que se desintegra en 147 Pm mediante desintegración beta con una vida media de 11 días. [ 56 ]

Producción

Los métodos de producción de los diferentes isótopos varían, y solo se presentan los del prometio-147 porque es el único isótopo con aplicaciones industriales. El prometio-147 se produce en grandes cantidades (en comparación con otros isótopos) bombardeando uranio-235 con neutrones térmicos. El rendimiento es relativamente alto, un 2,6 % del producto total. [ 57 ] Otra forma de producir prometio-147 es a través del neodimio-147, que se desintegra en prometio-147 con una vida media corta. El neodimio-147 se puede obtener bombardeando neodimio-146 enriquecido con neutrones térmicos [ 58 ] o bombardeando un blanco de carburo de uranio con protones energéticos en un acelerador de partículas. [ 59 ] Otro método consiste en bombardear uranio-238 con neutrones rápidos para provocar una fisión rápida , que, entre múltiples productos de reacción, crea prometio-147. [ 60 ]

Ya en la década de 1960, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge podía producir 650  gramos de prometio por año [ 61 ] y era la única instalación de síntesis a gran escala del mundo. [ 62 ] La producción de prometio a escala de gramos se interrumpió en los EE. UU. a principios de la década de 1980, pero posiblemente se reanudará después de 2010 en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo .En 2010, Rusia era el único país que producía prometio-147 a una escala relativamente grande. [ 58 ]

Aplicaciones

Cloruro de prometio(III) utilizado en pintura luminiscente en el interior del botón de una manta eléctrica

Solo el prometio-147 tiene usos fuera de los laboratorios. [ 49 ] Se obtiene como óxido o cloruro, [ 63 ] en cantidades de miligramos. [ 49 ] Este isótopo tiene una vida media relativamente larga y su radiación tiene una profundidad de penetración relativamente pequeña en la materia. [ 63 ]

Algunas luces de señalización utilizan una pintura luminiscente que contiene un fósforo que absorbe la radiación beta emitida por el prometio-147 y emite luz. [ 33 ] [ 49 ] Este isótopo no causa envejecimiento del fósforo, como lo hacen los emisores alfa, [ 63 ] y por lo tanto la emisión de luz es estable durante algunos años. [ 63 ] Originalmente, se utilizó radio-226 para este propósito, pero posteriormente fue reemplazado por prometio-147 y tritio (hidrógeno-3). [ 64 ] El prometio podría ser preferible al tritio para la seguridad nuclear . [ 65 ]

En las baterías atómicas , las partículas beta emitidas por el prometio-147 se convierten en corriente eléctrica al intercalar una pequeña fuente de prometio entre dos placas semiconductoras. Estas baterías tienen una vida útil de aproximadamente cinco años. [ 12 ] [ 33 ] [ 49 ] La primera batería basada en prometio se ensambló en 1964 y generó "unos pocos milivatios de potencia a partir de un volumen de aproximadamente 2 pulgadas cúbicas, incluyendo el blindaje". [ 66 ]

El prometio también se utiliza para medir el espesor de los materiales midiendo la cantidad de radiación de una fuente de prometio que atraviesa la muestra. [ 33 ] [ 11 ] [ 67 ] Tiene posibles usos futuros en fuentes portátiles de rayos X y como fuentes auxiliares de calor o energía para sondas espaciales y satélites [ 68 ] (aunque el emisor alfa plutonio-238 se ha convertido en el estándar para la mayoría de los usos relacionados con la exploración espacial). [ 69 ]

El prometio-147 también se utiliza, aunque en cantidades muy pequeñas (menos de 330 nCi), en algunos interruptores luminosos de lámparas fluorescentes compactas (CFL) de Philips en la gama PLC de 22 W/28 W y 15 mm. [ 70 ]

Precauciones

El prometio, al igual que la mayoría de los demás lantánidos , no tiene función biológica. El prometio-147 puede emitir rayos gamma, que son peligrosos para todas las formas de vida, durante su desintegración beta . [ 71 ] Las interacciones con pequeñas cantidades de prometio-147 no son peligrosas si se observan ciertas precauciones. [ 72 ] En general, se deben usar guantes, cubrezapatos, gafas de seguridad y una capa exterior de ropa protectora fácil de quitar. [ 73 ]

Se desconoce qué órganos humanos se ven afectados por la interacción con el prometio; un posible candidato son los tejidos óseos . [ 73 ] El prometio-147 sellado no es peligroso. Sin embargo, si el embalaje está dañado, el prometio se vuelve peligroso para el medio ambiente y los seres humanos. Si se encuentra contaminación radiactiva , la zona contaminada debe lavarse con agua y jabón, pero, aunque el prometio afecta principalmente a la piel, esta no debe irritarse. Si se detecta una fuga de prometio, la zona debe identificarse como peligrosa y evacuarse, y se debe contactar con los servicios de emergencia. No se conocen otros peligros del prometio aparte de la radiactividad. [ 73 ]

Notas

  1. ↑ La expansión térmica de Pm es anisotrópica : los parámetros para cada eje cristalino (a 20 °C) son α a  = 11,1 × 10 −6 /K, α c  = 15,0 × 10 −6 /K, y α promedio =  α V /3 = 12,4 × 10 −6 /K. [ 1 ]

Referencias

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