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Información relevante referida al PLUTONIO. Historia y descubrimiento. Características. Propiedades físicas y químicas. Reactividad. Aplicaciones. Curiosidades.

 

EL PLUTONIO                                                                                                                                                                                 

Es  el elemento número 94.  Es uno de los elementos transuránicos del grupo de los actínidos del sistema periódico. Es un metal de color blanco plateado que deslustra cuando se expone al aire, formando una capa opaca cuando se oxida. El plutonio normalmente exhibe seis alótropos y cuatro estados de oxidación. Es un veneno radiactivo que se acumula en la médula ósea por lo que hacen el manejo de plutonio extremadamente peligroso.

 

HISTORIA

 

Descubrimiento

 

 Enrico Fermi y un equipo de científicos de la Universidad de Roma, informaron de que habían descubierto el elemento 94 en 1934.  Fermi llamó al elemento hesperium y lo mencionó en su discurso del Premio Nobel en 1938. La muestra fue en realidad una mezcla de bario , kriptón , y otros elementos, pero esto no era conocido en el momento debido a que la fisión nuclear no había sido descubierto todavía. 

 

 El plutonio (específicamente, el plutonio-238) se produjo por primera vez y fue aislado el 14 de diciembre de 1940, y químicamente fue identificado el 23 de febrero de 1941, por el Dr. Glenn T. Seaborg , Edwin M. McMillan , JW Kennedy y AC Wahl por bombardeo con deuterio de uranio en la Universidad de California, Berkeley  En el experimento de 1940, se creó neptunio -238 directamente por el bombardeo, pero decayó por emisión beta dos días más tarde, produciéndose la formación del elemento 94. 

 

 

 

 

            485px-Glenn_Seaborg_1964.png485px-Glenn_Seaborg_1964.png                                          edwin-mcmillan-1.jpgedwin-mcmillan-1.jpg

         

         Dr. Glenn T. Seaborg (1912-1999)                                  Dr. Edwin M. McMillan (1907-1991)

 

  

 

Un documento del descubrimiento fue preparado por el equipo y enviado a la revista Physical Review. El documento fue retirado antes de su publicación tras el descubrimiento de que un isótopo del elemento nuevo (plutonio-239) podía someterse a la fisión nuclear de manera que podía ser útil en una bomba atómica. La publicación se retrasó hasta un año después del final de la Segunda Guerra Mundial debido a preocupaciones de seguridad. 

 

 Edwin McMillan había nombrado recientemente el primer elemento transuránicos después del planeta Neptuno y sugirió que el elemento 94, siendo el siguiente elemento de la serie, tendría el nombre de lo que se consideraba entonces el siguiente planeta, Plutón . Seaborg consideró originalmente el nombre de "plutium", pero luego pensó que no sonaba tan bien como "plutonium."  Él escogió las letras "Pu" como una broma, que fue aprobada sin previo aviso en la tabla periódica.  Los nombres alternativos considerado por Seaborg y otros fueron "ultimium" o "extremium" debido a la creencia errónea de que habían encontrado el posible último elemento en la tabla periódica.

   

CARACTERÍSTICAS

 

Propiedades físicas

 

El plutonio, como la mayoría de los metales, tiene un aspecto plateado brillante al principio, al igual que el níquel , pero se oxida muy rápidamente a un gris pálido, aunque también se presentan de color verde oliva y amarillo.

 

                                                     anillo de plutonio.Los Alamos Science #23 1995.jpg

 

 

 A temperatura ambiente el plutonio se encuentra en su forma α. Esta, la forma estructural más común del elemento (alótropo), es tan duro y quebradizo como el hierro fundido gris a menos que se aleado con otros metales para hacerlo suave y dúctil. A diferencia de la mayoría de los metales, no es un buen conductor de calor o electricidad . Tiene un bajo punto de fusión (640 ° C) y un inusualmente alto punto de ebullición (3327 ° C). 

 

La desintegración alfa es la forma más común de la desintegración radiactiva del plutonio. Una masa de 5 kg de 239 Pu contiene alrededor de 12,5 × 10 24 átomos. Con una vida media de 24.100 años, cerca de 11.5 × 10 12 átomos se desintegran por segundo mediante la emisión de un 5.157 MeV de partículas alfa. Esto equivale a 9,68 vatios de potencia. El calor producido por la desaceleración de estas partículas alfa hace que se caliente al tacto. 

 

La resistividad es una medida de la fuerza con un material que se opone al flujo de corriente eléctrica . La resistividad de plutonio en la temperatura ambiente es muy alta para un metal, y aumenta aún más con bajas temperaturas, lo cual es inusual para los metales. Esta tendencia se mantiene hasta 100 K, por debajo del cual disminuye rápidamente la resistencia de las muestras frescas. A partir de entonces la resistividad comienza a aumentar con el tiempo en torno a 20 K, debido a la radiación, con el ritmo dictado por la composición isotópica de la muestra.

 

Debido a la auto-irradiación, una muestra de plutonio no es uniforme en toda su estructura cristalina, lo que significa que la disposición ordenada de sus átomos se altera por la radiación con el tiempo. 

 

  

La auto-radiación también puede conducir a la hibridación que contrarresta algunos de los efectos de la fatiga cuando la temperatura aumenta por encima de 100 K. 

 

 A diferencia de la mayoría de los materiales, el plutonio aumenta su densidad cuando se derrite, un 2,5%, pero el metal líquido exhibe una disminución lineal en la densidad con la temperatura. Cerca del punto de fusión, el plutonio líquido también presenta muy alta viscosidad y tensión superficial en comparación a otros metales. 


Alótropos


El plutonio tiene normalmente seis alótropos y forma un séptimo (zeta, ζ) a alta temperatura dentro de un rango de presión limitada.

 

 

 

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  El plutonio tiene seis alótropos a la presión ambiente: alfa (α), beta (β), gamma (γ), delta (δ), delta prima (δ), y épsilon (ε)

 

                                                                

Estos alótropos, tienen energías internas muy similares, pero densidades y estructuras cristalinas significativamente diferentes. Esto hace que el plutonio sea muy sensible a los cambios de temperatura, presión, la química, y permite cambios de volumen espectaculares al cambiar de una forma alotrópica a otra.  La densidad de los alótropos varían entre 16,00 g / cm 3 a 19,86 g / cm 3 . La presencia de estos alótropos hace muy difícil la manipulación de plutonio, ya que cambia de estado con mucha facilidad.

 

 

La forma α existe a temperatura ambiente en forma de plutonio puro. Las razones de un diagrama de fase tan complicado no son del todo comprendidas aún.  La forma α tiene una baja simetría monoclínica en su estructura, de ahí su fragilidad y baja conductividad. Tiene características similares al hierro fundido, pero cambia a la forma β, más maleable y plástica a temperaturas ligeramente más altas. El plutonio en forma δ existe normalmente entre 310 ° C a 452 ° C, pero es estable a temperatura ambiente cuando está aleado con un pequeño porcentaje de galio , de aluminio , o de cerio , lo que mejora la viabilidad que le permite ser soldado . La forma δ tiene el carácter metálico más típico, y es aproximadamente tan fuerte y maleable como el aluminio.  En armas de fisión, las ondas de choque del explosivo usadas para comprimir el núcleo de plutonio también causa una transición de la fase de plutonio delta habitual a los alfa más denso. La fase ε, el alótropo sólido a temperatura más alta, muestra radiactividad anormalmente alta en comparación con otros elementos.


Fisión nuclear

 

El plutonio es un elemento en el que los electrones 5f son la frontera de transición entre los  deslocalizados y los que están localizadas, por lo tanto es considerado como uno de los elementos más. complejos que existe. Se trata de un metal actínido radiactivo cuyo isótopo , el plutonio-239 , es uno de los tres primeros isótopos fisionables (uranio-233 y uranio-235 son los otros dos); El  plutonio-241 es también altamente fisionable. Para ser considerado fisionable, el núcleo atómico del isótopo debe ser capaz de separar o de fisionar al ser golpeado por un flujo lento de neutrones, y liberar suficientes neutrones adicionales en el proceso para mantener la reacción nuclear en cadena por la división de más núcleos.

El plutonio-239 tiene un factor multiplicador (k) mayor que uno, lo que significa que si el metal está presente con masa suficiente y con una geometría adecuada (por ejemplo, una esfera comprimido), se puede formar una masa crítica.  Un kilogramo de plutonio-239 puede producir una explosión equivalente a 20.000 toneladas de TNT. Es esta energía la que hace que el plutonio-239 sea útil para armas y reactores nucleares.


Isótopos y síntesis

 

Se han caracterizado 20 isótopos radiactivos del plutonio.  Los isótopos con más larga duración son el  plutonio-244, con una vida media de 80,8 millones de años, el plutonio-242, con una vida media de 373.300 años, y el plutonio-239, con una vida media de 24.110 años. Todos los isótopos radiactivos tienen vidas medias menores de 7.000 años. Este elemento también tiene ocho estados metaestables , aunque no son estables y tienen una vida media menos de un segundo.

 

 

El rango de masa de los isótopos de plutonio están entre  228 a 247. Los principales modos de desintegración de los isótopos con números de masa inferior a la mayoría de los isótopos estables, el plutonio-244, son de fisión espontánea y emisión α , sobre todo la formación de uranio (92 protones ) y neptunio (93 protones), isótopos productos de desintegración (despreciando la amplia gama de núcleos hijos creados por los procesos de fisión).

 

 

 El principal modo de desintegración de isótopos con números de masa mayor que el plutonio-244 es de emisión β, sobre todo la formación de americio (95 protones), isótopos productos de desintegración. El plutonio-241 es el isótopo padre de la serie de desintegración del neptunio , en descomposición a través de americio-241 o la emisión de electrones β. 

 

 El plutonio-238 y 239 son los isótopos más sintetizados. El plutonio-239 se sintetiza a través de la siguiente reacción utilizando uranio (U) y neutrones (n) a través de la desintegración beta (β - ) con neptunio (Np) como producto intermedio :

 

 

 

 

 

Los neutrones de la fisión del uranio-235 son capturados por el uranio-238 para formar núcleos de uranio-239, una desintegración beta convierte a un neutrón en un protón para formar Np-239 (vida media de 2,36 días) y otro desintegración beta formas plutonio-239. 

 

 

 

 

El plutonio-238 se sintetiza mediante el bombardeo de uranio-238 con deuterio (D, los núcleos pesados ​​de hidrógeno ) en la siguiente reacción:

 

 

  

En este proceso, un deuterio golpear al uranio-238 produciendo dos neutrones y neptunio-238, que espontáneamente se desintegra emitiendo partículas beta negativas para formar plutonio-238.

  

 

 

Serie radiactiva Uranio-Plutonio

 


Química del Plutonio y Diferentes Compuestos

A temperatura ambiente, el plutonio puro es de color plateado, pero se oscurece cuando se oxida. El elemento muestra cuatro estados de oxidación comunes y uno raro en solución acuosa: 

§  Pu (III), como Pu 3+ (azul lavanda)

§  Pu (IV), como Pu 4+ (amarillo-marrón)

§  Pu (V), como PuO 2+ (rosa) 

§  Pu (VI), como PuO 2 2+ (naranja rosa)

§  Pu (VII), como PuO 5 3- (verde), el ion heptavalente es raro.

 

 

 

 

El color que muestra en las disoluciones depende tanto del estado de oxidación como de la naturaleza del anión ácido. Es el anión ácido el que influye en el grado de complejidad (como se conectan los átomos a un átomo central de plutonio)

 

El plutonio metálico se produce al reaccionar tetrafluoruro de plutonio con bario, calcio o litio a 1200°C. Es atacado por ácidos , oxígeno y vapor, pero no por álcalis y se disuelve fácilmente en ácido clorhídrico , yodhídrico y perclórico concentrados. El metal fundido se debe mantener en un vacío o una atmósfera inerte para evitar la reacción con el aire. A los 135 ° C, el metal se inflama en el aire y explota si se entra en contacto con tetracloruro de carbono.


El plutonio es un metal reactivo. En presencia de aire húmedo, el metal se oxida rápidamente, produciendo una mezcla de óxidos e  hidruros. Si el metal está expuesto el tiempo suficiente con una cantidad limitada de vapor de agua, se forma una capa de PuO2. También se forma hidruro de plutonio, pero en exceso de vapor de agua sólo daría PuO2. Con esta capa, el metal es pirofórico , lo que significa que pueden inflamarse espontáneamente, por lo que plutonio metálico suele tratarse en una atmósfera inerte. 


El plutonio reacciona enormemente, y de forma reversible, con hidrógeno, formando hidruro de plutonio. También reacciona fácilmente con el oxígeno, formando PuO y PuO2.

 

Reacciona con los halógenos , dando lugar a compuestos como el PuX3 donde X puede ser F , Cl , Br o I; PUF4 también se obtiene. Dentro de los oxihalogenuros se observan los siguientes: PuOCl, PuOBr y PuOI. 

 

Reacciona con el carbono para formar PuC, con el nitrógeno para formar PuN y con silicio para formar PuSi2

.

Los crisoles utilizados para contener el plutonio necesitan poder soportar sus fuertes propiedades reductoras. Metales refractarios como tántalo y volframio son los más adecuados. Óxidos, boruros , carburos , nitruros y siliciuros pueden tolerar esto. Un horno de arco eléctrico puede ser utilizado para producir lingotes pequeños del metal, sin necesidad de un crisol.  

 

 

 

 

El cerio se utiliza como un simulador químico de plutonio para el desarrollo de la contención, la extracción, y otras técnicas. 

 

 

 

Estructura electrónica

El comportamiento anómalo del plutonio se debe a su estructura electrónica. La diferencia de energía entre la 5f 6d y las subcapas es muy baja.  La proximidad de los niveles de energía da lugar a múltiples configuraciones de baja energía, con cerca de los niveles de energía igual. Esto nos lleva a competir entre las configuraciones electrónicas 5f n 7s 2 y 5f n-1 7s 2 6d , lo que explica la complejidad de su comportamiento químico. La naturaleza altamente direccional de los orbitales 5f es responsable de la dirección de los  enlaces covalentes en las moléculas y complejos de plutonio.

 

Aleaciones

 

El plutonio puede formar aleaciones y compuestos intermedios con la mayoría de los otros metales. Las excepciones incluyen litio , sodio , potasio y rubidio de los metales alcalinos, magnesio , calcio , estroncio y bario de los metales alcalinos , y europio e iterbio de los metales de tierras raras . Son excepciones parciales los metales refractarios cromo , molibdeno , niobio , tantalio y wolframio , que son solubles en plutonio líquido, pero insolubles o poco solubles en plutonio sólido.

El galio, aluminio, americio , escandio y cerio pueden estabilizar la fase δ de plutonio a temperatura ambiente. El silicio , indio , zinc y zirconio permiten la formación del estado metaestable δ cuando se enfría rápidamente. Altas cantidades de hafnio , holmio y talio también permite que se conserve algo de la fase δ a temperatura ambiente. El neptunio es el único elemento que puede estabilizar la fase α a temperaturas más altas. 

 

Aleaciones de plutonio pueden ser producidas por la adición de un metal al plutonio fundido. Si el metal de aleación es suficientemente reductor, el plutonio puede ser añadido en forma de óxidos o haluros. 

§  La aleación de plutonio-galio se usa para la estabilización de la fase δ de plutonio, evitando la fases α y α-δ. Su uso principal es en armas nucleares.

§  La aleación de plutonio-aluminio es una alternativa a la aleación de Pu-Ga. Fue el elemento original tenido en cuenta para la estabilización de la fase δ, pero su tendencia a reaccionar con las partículas alfa y liberando neutrones reduce su utilidad para armas nuclear. Puede ser utilizado como un componente del combustible nuclear.

§  La aleación de plutonio-galio-cobalto (PuCoGa 5 ) es un superconductor no convencional , mostrando la superconductividad por debajo de 18,5 grados Kelvin.. 

§  La aleación plutonio-zirconio puede ser utilizado como combustible nuclear.

§  La aleaciones de  plutonio-cerio y de plutonio-cobalto-cerio son utilizados como combustible nuclear.

§  La aleación plutonio-uranio , con cerca de 15-30% mol. plutonio, se puede utilizar como combustible nuclear para los reactores rápidos. Su naturaleza pirofóricas y la alta susceptibilidad a la corrosión después de la exposición al aire requieren de su aleación con otros componentes. El aluminio, el carbono o el cobre mejoran las tasas de desintegración notablemente, y el hierro y el circonio aumenta la resistencia a la corrosión, pero se desintegran en varios meses en el aire también. Además el titanio y el circonio incrementan significativamente el punto de fusión de la aleación. 

§  Las aleaciones de plutonio-uranio-titanio y de plutonio-uranio-zirconio fueron investigadas para su uso como combustibles nucleares. La adición del tercer elemento aumenta la resistencia a la corrosión, reduce la inflamabilidad, y mejora la ductilidad y la expansión térmica. La aleación plutonio-uranio-molibdeno tiene una mejor resistencia a la corrosión, formando una película protectora de óxidos.

§  La aleación torio-uranio-plutonio fue investigado como combustible nuclear para los reactores rápidos.

 

Abundancia

 

Pequeñas cantidades de al menos dos isótopos de plutonio (plutonio-239 y 244) se puede encontrar en la naturaleza. Pequeños rastros de plutonio-239 (unas cuantas partes por trillón) y sus productos de desintegración se encuentran naturalmente en algunas menas minerales de uranio concentrado, como el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , Gabón.

 

El rango de plutonio-239 en la mina de Cigar Lake rangos depósito de uranio es del orden de   2,4x10-12 a 44×10-12. Incluso pequeñas cantidades de plutonio-244 se encuentran de forma natural debido a su larga vida media relativamente (de 80 millones de años). Estas trazas de plutonio-239 vienen de la siguiente manera: En raras ocasiones,-238 sufre fisión espontánea U, y en el proceso, el núcleo emite una o dos neutrones libres, con un poco de energía cinética. Cuando uno de estos neutrones ataca el núcleo de otro átomo de U-238, que es absorbido por el átomo, se convierte en U-239. Con todo U-239 decae a neptunio -239 (Np-239) y, a continuación Np-239 se desintegra en Pu-239.


Dado que la duración relativamente larga de isótopos de plutonio-240 se produce en la cadena de desintegración del plutonio-244 también debe estar presente, aunque sea 10.000 veces más raro todavía. Por último se han encontrado en las muestras de uranio natural excesivamente pequeñas cantidades de plutonio-238, que se atribuyen a la increíblemente rara desintegración beta doble de uranio-238.

 

Trazas de plutonio se encuentran generalmente en el cuerpo humano, debido al agua atmosférica y a las pruebas nucleares que se han llevado a cabo con un pequeño número de grandes accidentes nucleares . La mayoría de las pruebas nucleares atmosféricas bajo el agua fue detenido por el Tratado de Prohibición Limitada de Pruebas, en 1963, que fue firmado y ratificado por los Estados Unidos , el Reino Unido , la Unión Soviética y otras naciones. La Continuación de los ensayos atmosféricos de armas nucleares desde 1963 por las naciones tratado no incluye las de China ( la bomba atómica de prueba sobre el desierto de Gobi en 1964, la bomba de hidrógeno de prueba en 1967, y seguimiento en las pruebas) y Francia (pruebas de fecha tan reciente como la década de 1980) . Debido a que es fabricado a propósito para las armas nucleares y reactores nucleares, el plutonio-239 es el isótopo más abundante de plutonio por el momento.

 

También es hipotéticamente posible que pequeñas cantidades de plutonio se producen por el bombardeo de minerales de uranio natural por los rayos cósmicos.

 

 

 

 

Aplicaciones

 

Se usa como combustible nuclear para plantas de energía eléctrica y, desgraciadamente, para las armas nucleares. Un kilogramo es equivalente a unos 22 millones de kilovatios-hora. La detonación completa de un kilogramo de plutonio produce una explosión equivalente a 20.000 toneladas de explosivo químico. Su importancia estriba en la propiedad de ser fácilmente fisionable con neutrones y su disponibilidad en cantidades considerables ya que la producción anual estimada ronda los 20.000 kg. El Pu-238 es una valiosa fuente de energía para vehículos espaciales, debido a su solidez. Se ha usado para sumunistrar energía a los vehículos lunares de la misión Apolo.

 

Toxicidad

 

Los isótopos de plutonio y sus compuestos son venenos radiactivos que se acumulan en la médula ósea . La contaminación por óxido de plutonio (el plutonio se oxida espontáneamente) es el resultado de una serie de catástrofes nucleares e incidentes radiactivos. Los estudios de los efectos de estas versiones más pequeñas, así como del envenenamiento por radiación generalizada enfermedad y la muerte tras el bombardeo atómico de Hiroshima y Nagasaki , han proporcionado información considerable con respecto a los peligros, los síntomas y el pronóstico de envenenamiento radiactivo.

 

Durante la desintegración del plutonio, tres tipos de radiación son liberados: alfa, beta y gamma. La radiación alfa solamente pueden viajar una distancia corta y no pueden viajar a través de la capa muerta más externa de la piel humana. La radiación beta pueden penetrar la piel humana, pero no puede atravesar todo el cuerpo. La radiación gamma puede atravesar todo el cuerpo. Las formas alfa, beta y gamma son todas las formas de radiación ionizante . Uno o más periodos largos de exposición aguda conlleva un peligro incluyendo enfermedad por radiación , cáncer y muerte. El peligro aumenta con la cantidad de exposición.

 

A pesar de que la radiación alfa no puede penetrar la piel, la ingestión o inhalación de plutonio irradia los órganos internos.  En el esqueleto , que el plutonio es absorbido, y en el hígado también, donde se recoge y se concentra. El plutonio no se absorbe en el cuerpo de manera eficiente cuando se ingiere, y sólo 0,04% de óxido de plutonio se absorbe después de la ingestión. El plutonio absorbido por el cuerpo se excreta muy lentamente, con una vida media biológica de 200 años.  El plutonio pasa lentamente a través de las membranas celulares y las paredes intestinales, por lo que la absorción por ingestión e incorporación en la estructura ósea es muy lento. 

 

El plutonio es más peligroso cuando se inhala que cuando se ingiere. El riesgo de cáncer de pulmón aumenta una vez que la radiación total equivalente de dosis de plutonio inhalada supera los 400 mSv .  La ingestión o inhalación de grandes cantidades puede causar una intoxicación aguda por radiación y la muerte, sin embargo no se sabe de ningún ser humano que haya muerto a causa de inhalación o ingestión de plutonio, y muchas personas tienen cantidades medibles de plutonio en sus cuerpos.

 

 

 

                                                        Elemento asignado a;

                                                                                          Javier de la Cerda Montes de Oca

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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