Californio

Elemento químico con número atómico 98 (Cf)
Californio,  98 Cf
Un disco muy pequeño de metal plateado, ampliado para mostrar su textura metálica.
Californio
Pronunciación/ ˌ k æ l ə ˈ f ɔːr n i ə m / ​( KAL -ə- FOR -nee -əm )
Aparienciaplateado
Número de masa[251]
El californio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
Dy
↑
Cf
↓
—
berkelio ← californio → einstenio
Número atómico ( Z )98
Grupogrupos de bloques f (sin número)
Períodoperiodo 7
Bloquear  bloque f
Configuración electrónica[ Rn ] 5f 10 7s 2 [1]
Electrones por capa2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión1173  K (900 °C, 1652 °F) [2]
Punto de ebullición1743 K (1470 °C, 2678 °F) (estimación) [3]
Densidad (cerca de  rt )15,1 g/cm3 [ 2]
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +3,
+2, [4] +4, [4] +5, [5] [6]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,3 [7]
Energías de ionización
  • 1º: 608 kJ/mol [8]
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del californio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalsintético
Estructura cristalinadoble hexágono compacto (dhcp)
Estructura cristalina compacta de doble hexágono para el californio
Dureza de Mohs3–4 [9]
Número CAS7440-71-3 [2]
Historia
Nombramientodespués de California , donde fue descubierto
DescubrimientoLaboratorio Nacional Lawrence Berkeley (1950)
Isótopos del californio
Isótopos principales [10] [11]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
248 Cfsintetizador333,5 díasalfa100%244 centímetros
SF<0,01%–
249 Cfsintetizador351 añosalfa100%245 centímetros
SF≪0,01%–
250 Cfsintetizador13,08 añosalfa99,9%246 centímetros
SF0,08%–
251 Cfsintetizador898 añosalfa247 centímetros
252 Cfsintetizador2.645 añosalfa96,9%248 centímetros
SF3,09%–
253 Cfsintetizador17,81 díasβ −99,7%253 Es
alfa0,31%249 centímetros
254 Cfsintetizador60,5 díasSF99,7%–
alfa0,31%250 centímetros
 Categoría: Californio
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El californio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Cf y su número atómico es 98. Fue sintetizado por primera vez en 1950 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley [12] (en aquel entonces Laboratorio de Radiación de la Universidad de California) bombardeando curio con partículas alfa ( iones de helio-4 ). Es un elemento actínido , el sexto elemento transuránico en ser sintetizado , y tiene la segunda masa atómica más alta de todos los elementos que se han producido en cantidades lo suficientemente grandes como para ser vistas a simple vista (después del einstenio ). Recibió su nombre de la universidad y del estado estadounidense de California .

Existen dos formas cristalinas a presión normal: una por encima y otra por debajo de los 900 °C (1650 °F). Existe una tercera forma a alta presión. El californio se empaña lentamente en el aire a temperatura ambiente. Los compuestos de californio están dominados por el estado de oxidación +3 . El más estable de los veinte isótopos conocidos del californio es el californio-251, con una vida media de 898 años. Esta corta vida media significa que el elemento no se encuentra en cantidades significativas en la corteza terrestre. [a] El 252 Cf, con una vida media de aproximadamente 2,645 años, es el isótopo más común utilizado y se produce en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Rusia.

El californio es uno de los pocos elementos transuránicos con usos prácticos. La mayoría de estas aplicaciones aprovechan el hecho de que ciertos isótopos del californio emiten neutrones . Por ejemplo, el californio se puede utilizar para ayudar a poner en marcha reactores nucleares y se utiliza como fuente de neutrones cuando se estudian materiales mediante difracción de neutrones y espectroscopia de neutrones . También se puede utilizar en la síntesis nuclear de elementos de mayor masa; el oganesón (elemento 118) se sintetizó bombardeando átomos de californio-249 con iones de calcio-48 . Los usuarios del californio deben tener en cuenta las preocupaciones radiológicas y la capacidad del elemento para alterar la formación de glóbulos rojos al bioacumularse en el tejido esquelético.

Características

Propiedades físicas

El californio es un metal actínido de color blanco plateado [13] con un punto de fusión de 900 ± 30 °C (1650 ± 50 °F) y un punto de ebullición estimado de 1743 K (1470 °C; 2680 °F). [14] El metal puro es maleable y se corta fácilmente con un cuchillo. El californio metálico comienza a vaporizarse por encima de los 300 °C (570 °F) cuando se expone al vacío. [15] Por debajo de 51 K (−222 °C; −368 °F) el metal californio es ferromagnético o ferromagnético (actúa como un imán), entre 48 y 66 K es antiferromagnético (un estado intermedio), y por encima de 160 K (−113 °C; −172 °F) es paramagnético (los campos magnéticos externos pueden hacerlo magnético). [16] Forma aleaciones con metales lantánidos , pero se sabe poco sobre los materiales resultantes. [15]

El elemento tiene dos formas cristalinas a presión atmosférica estándar : una forma compacta de doble hexágono denominada alfa (α) y una forma cúbica centrada en las caras denominada beta (β). [b] La forma α existe por debajo de 600–800 °C con una densidad de 15,10 g/cm 3 y la forma β existe por encima de 600–800 °C con una densidad de 8,74 g/cm 3 . [18] A 48  GPa de presión, la forma β cambia a un sistema cristalino ortorrómbico debido a la deslocalización de los electrones 5f del átomo , lo que los libera para unirse. [19] [c]

El módulo volumétrico de un material es una medida de su resistencia a la presión uniforme. El módulo volumétrico del californio es50 ± 5 GPa , que es similar a los metales lantánidos trivalentes pero más pequeño que los metales más conocidos, como el aluminio (70 GPa). [19]

Propiedades y compuestos químicos

Compuestos representativos del californio [13] [d]
estadocompuestofórmulacolor
+2bromuro de californio (II)CfBr2​amarillo
+2yoduro de californio (II)CfI 2violeta oscuro
+3óxido de californio (III)Cf2O3​​​amarillo verdoso
+3fluoruro de californio (III)CfF 3verde brillante
+3cloruro de californio (III)CfCl3​verde esmeralda
+3bromuro de californio (III)CfBr3​verde amarillento
+3yoduro de californio (III)CfI 3amarillo limón
+3poliborato de californio (III)Cf[ B6O8 ( OH ) 5 ]verde pálido
+4óxido de californio (IV)CfO2​negro marrón
+4fluoruro de californio (IV)CfF 4verde

El californio presenta estados de oxidación de 4, 3 o 2. Normalmente forma ocho o nueve enlaces con los átomos o iones circundantes. Se predice que sus propiedades químicas son similares a las de otros elementos actínidos con valencia 3+ [21] y al elemento disprosio , que es el lantánido que está por encima del californio en la tabla periódica. [22] Los compuestos en el estado de oxidación +4 son agentes oxidantes fuertes y los que están en el estado +2 son agentes reductores fuertes . [13]

El elemento se empaña lentamente en el aire a temperatura ambiente, y la velocidad aumenta cuando se agrega humedad. [18] El californio reacciona cuando se calienta con hidrógeno , nitrógeno o un calcógeno (elemento de la familia del oxígeno); las reacciones con hidrógeno seco y ácidos minerales acuosos son rápidas. [18]

El californio solo es soluble en agua como catión californio(III) . Los intentos de reducir u oxidar el ion +3 en solución han fracasado. [22] El elemento forma cloruro , nitrato , perclorato y sulfato solubles en agua y se precipita como fluoruro , oxalato o hidróxido . [21] El californio es el actínido más pesado que exhibe propiedades covalentes, como se observa en el borato de californio. [23]

Isótopos

Se conocen veinte isótopos del californio ( número másico que va de 237 a 256 [11] ); los más estables son el 251 Cf con una vida media de 898 años, el 249 Cf con una vida media de 351 años, el 250 Cf con una vida media de 13,08 años y el 252 Cf con una vida media de 2,645 años. [11] Todos los demás isótopos tienen una vida media inferior a un año, y la mayoría de ellos tienen una vida media inferior a 20 minutos. [11]

El 249 Cf se forma por desintegración beta del berkelio-249, y la mayoría de los demás isótopos del californio se obtienen sometiendo al berkelio a una intensa radiación neutrónica en un reactor nuclear . [22] Aunque el californio-251 tiene la vida media más larga, su rendimiento de producción es solo del 10% debido a su tendencia a recolectar neutrones (alta captura de neutrones ) y su tendencia a interactuar con otras partículas (alta sección transversal de neutrones ). [24]

El 252 Cf es un emisor de neutrones muy fuerte , lo que lo hace extremadamente radiactivo y dañino. [25] [26] [27] El 96,9% del tiempo, el 252 Cf se desintegra en alfa en curio -248; el otro 3,1% de las desintegraciones son fisión espontánea . [11] Un microgramo (μg) de 252 Cf emite 2,3 millones de neutrones por segundo, un promedio de 3,7 neutrones por fisión espontánea. [28] La mayoría de los demás isótopos del californio se desintegran en alfa en curio ( número atómico 96). [11]

Historia

Grandes piezas de equipo con un hombre de pie cerca.
El ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) utilizado para sintetizar por primera vez el californio

El californio fue creado por primera vez en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California , Berkeley , por los investigadores de física Stanley Gerald Thompson , Kenneth Street Jr. , Albert Ghiorso y Glenn T. Seaborg , alrededor del 9 de febrero de 1950. [29] Fue el sexto elemento transuránico en ser descubierto; el equipo anunció su descubrimiento el 17 de marzo de 1950. [30] [31]

Para producir californio, se necesita un objetivo de curio-242 del tamaño de un microgramo (242
96Centímetro
) fue bombardeado con partículas alfa de 35 MeV (4
2Él
) en el ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) en Berkeley, que produjo californio-245 (245
98Cf
) más un neutrón libre (
norte
). [29] [30]

242
96Centímetro
+4
2Él
→245
98Cf
+1
0
norte

Para identificar y separar el elemento, se llevaron a cabo métodos de intercambio iónico y adsorción. [30] [32] Solo se produjeron alrededor de 5.000 átomos de californio en este experimento, [33] y estos átomos tenían una vida media de 44 minutos. [29]

Los descubridores bautizaron el nuevo elemento con el nombre de la universidad y del estado. Esto supuso una ruptura con la convención utilizada para los elementos 95 a 97, que se inspiró en la forma en que se nombraban los elementos que se encontraban directamente por encima de ellos en la tabla periódica. [34] [e] Sin embargo, el elemento que se encuentra directamente por encima del elemento 98 en la tabla periódica, el disprosio , tiene un nombre que significa "difícil de alcanzar", por lo que los investigadores decidieron dejar de lado la convención de nomenclatura informal. [36] Añadieron que "lo mejor que podemos hacer es señalar [que] ... los investigadores de hace un siglo tenían dificultades para llegar a California". [35]

Las primeras cantidades de californio que se pudieron pesar se produjeron mediante la irradiación de blancos de plutonio en el Reactor de Pruebas de Materiales de la Estación Nacional de Pruebas de Reactores , en el este de Idaho ; estos hallazgos se informaron en 1954. [37] La ​​alta tasa de fisión espontánea del californio-252 se observó en estas muestras. El primer experimento con californio en forma concentrada ocurrió en 1958. [29] Los isótopos 249 Cf a 252 Cf se aislaron ese mismo año de una muestra de plutonio-239 que había sido irradiada con neutrones en un reactor nuclear durante cinco años. [13] Dos años después, en 1960, Burris Cunningham y James Wallman del Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California crearon los primeros compuestos de californio (tricloruro de californio, oxicloruro de californio (III) y óxido de californio) al tratar el californio con vapor y ácido clorhídrico . [38]

El reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) del ORNL en Oak Ridge, Tennessee , comenzó a producir pequeños lotes de californio en la década de 1960. [39] En 1995, el HFIR producía nominalmente 500 miligramos (0,018 oz) de californio al año. [40] El plutonio suministrado por el Reino Unido a los Estados Unidos en virtud del Acuerdo de Defensa Mutua entre los Estados Unidos y el Reino Unido de 1958 se utilizó para fabricar californio. [41]

La Comisión de Energía Atómica vendió 252 Cf a clientes industriales y académicos a principios de la década de 1970 por 10 dólares el microgramo, [28] y se enviaron un promedio de 150 mg (0,0053 oz) de 252 Cf cada año entre 1970 y 1990. [42] [f] El californio metálico fue preparado por primera vez en 1974 por Haire y Baybarz, quienes redujeron el óxido de californio (III) con el metal lantano para obtener cantidades de microgramos de películas de espesor submicrométrico. [43] [44] [g]

Aparición

Se pueden encontrar rastros de californio cerca de instalaciones que utilizan el elemento en la prospección de minerales y en tratamientos médicos. [46] El elemento es bastante insoluble en agua, pero se adhiere bien al suelo ordinario; y sus concentraciones en el suelo pueden ser 500 veces mayores que en el agua que rodea las partículas del suelo. [47]

Las emisiones nucleares de las pruebas de armas nucleares atmosféricas anteriores a 1980 aportaron una pequeña cantidad de californio al medio ambiente. [47] Se han observado californio-249, -252, -253 y -254 en el polvo radiactivo recogido del aire después de una explosión nuclear. [48] El californio no es un radionúclido importante en los sitios heredados del Departamento de Energía de los Estados Unidos, ya que no se produjo en grandes cantidades. [47]

Se creía que el californio se producía en supernovas , ya que su desintegración coincide con la vida media de 60 días del 254 Cf. [49] Sin embargo, estudios posteriores no lograron demostrar ningún espectro de californio, [50] y ahora se cree que las curvas de luz de las supernovas siguen la desintegración del níquel-56 . [51]

Los elementos transuránicos americio y fermio , incluido el californio, se producían de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero ya no lo hacen. [52]

En 2008 se detectaron líneas espectrales de californio, junto con las de varios otros elementos no primordiales, en la estrella de Przybylski. [53]

Producción

El californio se produce en reactores nucleares y aceleradores de partículas . [54] El californio-250 se fabrica bombardeando berkelio-249 ( 249 Bk) con neutrones, formando berkelio-250 ( 250 Bk) mediante captura de neutrones (n,γ) que, a su vez, se desintegra rápidamente en beta (β − ) a californio-250 ( 250 Cf) en la siguiente reacción: [55]

249
97Libro
(n,γ)250
97Libro
→250
98Cf
+ β −

El bombardeo de 250 Cf con neutrones produce 251 Cf y 252 Cf. [55]

La irradiación prolongada de americio , curio y plutonio con neutrones produce cantidades de miligramos de 252 Cf y cantidades de microgramos de 249 Cf. [56] A partir de 2006, los isótopos de curio 244 a 248 se irradian con neutrones en reactores especiales para producir principalmente californio-252 con cantidades menores de los isótopos 249 a 255. [57]

La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos dispone de cantidades de microgramos de 252 Cf para uso comercial . [54] Sólo dos sitios producen 252 Cf: el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Dimitrovgrad, Rusia . En 2003, los dos sitios producían 0,25 gramos y 0,025 gramos de 252 Cf al año, respectivamente. [58]

Se producen tres isótopos de californio con vidas medias significativas, lo que requiere un total de 15 capturas de neutrones por uranio-238 sin que se produzca fisión nuclear o desintegración alfa durante el proceso. [58] El 253 Cf se encuentra al final de una cadena de producción que comienza con el uranio-238 e incluye varios isótopos de plutonio , americio , curio y berkelio , y los isótopos de californio 249 a 253 (véase el diagrama).

Un diagrama de flujo complejo que muestra varios isótopos.
Esquema de producción de californio-252 a partir de uranio-238 mediante irradiación neutrónica

Aplicaciones

Gran estructura cónica sobre una polea con un hombre encima y dos cerca de la base.
Contenedor de transporte de cincuenta toneladas construido en ORNL que puede transportar hasta 1 gramo de 252 Cf. [59] Se necesitan contenedores de transporte grandes y fuertemente blindados para evitar la liberación de material altamente radiactivo en caso de accidentes normales e hipotéticos. [60]

El californio-252 tiene varios usos especializados como un fuerte emisor de neutrones; produce 139 millones de neutrones por microgramo por minuto. [28] Esta propiedad lo hace útil como fuente de neutrones de inicio para algunos reactores nucleares [18] y como una fuente de neutrones portátil (no basada en reactor) para el análisis de activación de neutrones para detectar trazas de elementos en muestras. [61] [h] Los neutrones del californio se utilizan como tratamiento de ciertos cánceres de cuello uterino y cerebro donde otra radioterapia es ineficaz. [18] Se ha utilizado en aplicaciones educativas desde 1969 cuando el Instituto de Tecnología de Georgia obtuvo un préstamo de 119 μg de 252 Cf del Sitio del Río Savannah . [63] También se utiliza con analizadores de carbón elemental en línea y analizadores de materiales a granel en las industrias del carbón y el cemento.

La penetración de neutrones en los materiales hace que el californio sea útil en instrumentos de detección como escáneres de barras de combustible ; [18] radiografía de neutrones de componentes de aeronaves y armas para detectar corrosión , soldaduras defectuosas, grietas y humedad atrapada; [64] y en detectores de metales portátiles. [65] Los medidores de humedad de neutrones utilizan 252 Cf para encontrar capas de agua y petróleo en pozos petrolíferos, como fuente de neutrones portátil para la prospección de oro y plata para análisis en el lugar, [22] y para detectar el movimiento del agua subterránea. [66] Los principales usos de 252 Cf en 1982 fueron, arranque de reactores (48,3%), escaneo de barras de combustible (25,3%) y análisis de activación (19,4%). [67] Para 1994, la mayor parte de 252 Cf se utilizó en radiografía de neutrones (77,4%), con escaneo de barras de combustible (12,1%) y arranque de reactores (6,9%) como usos importantes pero secundarios. [67] En 2021, se utilizaron neutrones rápidos de 252 Cf para la transmisión inalámbrica de datos. [68]

El 251 Cf tiene una masa crítica calculada muy pequeña de unos 5 kg (11 lb), [69] una alta letalidad y un período relativamente corto de irradiación ambiental tóxica. La baja masa crítica del californio dio lugar a algunas afirmaciones exageradas sobre los posibles usos del elemento. [i]

En octubre de 2006, los investigadores anunciaron que se habían identificado tres átomos de oganesón (elemento 118) en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna , Rusia , al bombardear 249 Cf con calcio-48 , lo que lo convirtió en el elemento más pesado jamás creado. El objetivo contenía alrededor de 10 mg de 249 Cf depositados en una lámina de titanio de 32 cm 2 de área. [71] [72] [73] El californio también se ha utilizado para producir otros elementos transuránicos; por ejemplo, el lawrencio se sintetizó por primera vez en 1961 al bombardear californio con núcleos de boro . [74]

Precauciones

El californio que se bioacumula en el tejido esquelético libera radiación que altera la capacidad del cuerpo para formar glóbulos rojos . [75] El elemento no juega ningún papel biológico natural en ningún organismo debido a su intensa radiactividad y baja concentración en el medio ambiente. [46]

El californio puede entrar en el organismo a través de la ingestión de alimentos o bebidas contaminadas o al respirar aire con partículas suspendidas del elemento. Una vez en el cuerpo, sólo el 0,05% del californio llegará al torrente sanguíneo. Alrededor del 65% de ese californio se depositará en el esqueleto, el 25% en el hígado y el resto en otros órganos, o se excretará, principalmente en la orina. La mitad del californio depositado en el esqueleto y el hígado desaparece en 50 y 20 años, respectivamente. El californio en el esqueleto se adhiere a las superficies óseas antes de migrar lentamente a través del hueso. [47]

El elemento es más peligroso si se ingiere. Además, el californio-249 y el californio-251 pueden causar daños a los tejidos externamente, a través de la emisión de rayos gamma . La radiación ionizante emitida por el californio sobre los huesos y el hígado puede causar cáncer. [47]

Notas

  1. ^ La Tierra se formó hace 4.500 millones de años , y el alcance de la emisión natural de neutrones dentro de ella que podría producir californio a partir de elementos más estables es extremadamente limitado.
  2. ^ Una celda unitaria de empaquetamiento compacto hexagonal doble (dhcp) consta de dos estructuras de empaquetamiento compacto hexagonal que comparten un plano hexagonal común, lo que le da a dhcp una secuencia ABACABAC. [17]
  3. ^ Los tres elementos transplutonio de menor masa ( americio , curio y berkelio) requieren mucha menos presión para deslocalizar sus electrones 5f. [19]
  4. ^ Otros estados de oxidación +3 incluyen el sulfuro y el metaloceno . [20]
  5. ↑ El europio , en el sexto período directamente encima del elemento 95, recibió el nombre del continente en el que fue descubierto, por lo que el elemento 95 se denominó americio . El elemento 96 recibió el nombre de curio en honor a Marie Curie y Pierre Curie como analogía del nombre del gadolinio , que recibió el nombre del científico e ingeniero Johan Gadolin . El terbio recibió el nombre del pueblo en el que fue descubierto, por lo que el elemento 97 se denominó berkelio . [35]
  6. ^ La Comisión Reguladora Nuclear reemplazó a la Comisión de Energía Atómica cuando se implementó la Ley de Reorganización Energética de 1974. La NRC aumentó varias veces el precio del californio-252 y en 1999 era de 60 dólares por microgramo; este precio no incluye el costo de encapsulación y transporte. [28]
  7. ^ En 1975, otro artículo afirmó que el metal californio preparado el año anterior era el compuesto hexagonal Cf 2 O 2 S y el compuesto cúbico centrado en las caras CfS. [45] El trabajo de 1974 se confirmó en 1976 y el trabajo sobre el metal californio continuó. [43]
  8. ^ En 1990, el californio-252 había reemplazado a las fuentes de neutrones de plutonio- berilio debido a su menor tamaño y menor generación de calor y gas. [62]
  9. ^ Un artículo titulado "Hechos y falacias de la Tercera Guerra Mundial" en la edición de julio de 1961 de la revista Popular Science decía: "Una bomba atómica de californio no necesita ser más grande que una bala de pistola. Se podría construir un revólver portátil de seis tiros para disparar balas que explotarían al entrar en contacto con la fuerza de 10 toneladas de TNT". [70]

Referencias

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  • El californio en la tabla periódica de vídeos (Universidad de Nottingham)
  • NuclearWeaponArchive.org – Californio
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