Actinio

El actinio es un elemento químico de símbolo Ac y número atómico 89. Fue aislado por primera vez por Friedrich Oskar Giesel en 1902, quien le dio el nombre de emanio; el elemento obtuvo su nombre al ser identificado erróneamente con una sustancia que André-Louis Debierne encontró en 1899 y llamó actinio. El actinio dio el nombre a la serie de actínidos, un grupo de 15 elementos similares entre el actinio y el laurencio en la tabla periódica. Junto con el polonio, el radio y el radón, el actinio fue uno de los primeros elementos radiactivos no primordiales en ser aislado.

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

Historia

André-Louis Debierne, químico francés, anunció el descubrimiento de un nuevo elemento en 1899. Lo separó de los residuos de pechblenda que dejaron Marie y Pierre Curie después de extraer el radio. En 1899, Debierne describió la sustancia como similar al titanio y (en 1900) como similar al torio. Friedrich Oskar Giesel encontró en 1902 una sustancia similar al lantano y la llamó "emanium" en 1904. Después de una comparación de las vidas medias de las sustancias determinadas por Debierne, Harriet Brooks en 1904 y Otto Hahn y Otto Sackur en 1905, Debierne eligió El nombre del nuevo elemento se mantuvo porque tenía antigüedad, a pesar de las propiedades químicas contradictorias que afirmó para el elemento en diferentes momentos.

Los artículos publicados en la década de 1970 y posteriores sugieren que los resultados de Debierne publicados en 1904 entran en conflicto con los informados en 1899 y 1900. Además, la química ahora conocida del actinio excluye su presencia como algo más que un componente menor de los resultados de Debierne de 1899 y 1900; de hecho, las propiedades químicas que informó hacen probable que, en cambio, haya identificado accidentalmente protactinio, que no se descubriría hasta dentro de catorce años, solo para desaparecer debido a su hidrólisis y adsorción en su equipo de laboratorio. Esto ha llevado a algunos autores a defender que solo a Giesel se le debe atribuir el descubrimiento. Adloff propone una visión menos conflictiva del descubrimiento científico.Sugiere que la crítica retrospectiva de las primeras publicaciones debería ser mitigada por el estado naciente de la radioquímica en ese momento: destacando la prudencia de las afirmaciones de Debierne en los artículos originales, señala que nadie puede afirmar que la sustancia de Debierne no contenía actinio. Debierne, quien ahora es considerado por la gran mayoría de los historiadores como el descubridor, perdió interés en el elemento y abandonó el tema. A Giesel, por otro lado, se le puede atribuir legítimamente la primera preparación de actinio radioquímicamente puro y la identificación de su número atómico 89.

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

Propiedades

El actinio es un elemento metálico blando, de color blanco plateado, radiactivo. Su módulo de corte estimado es similar al del plomo. Debido a su fuerte radiactividad, el actinio brilla en la oscuridad con una luz azul pálido, que se origina en el aire circundante ionizado por las partículas energéticas emitidas. El actinio tiene propiedades químicas similares al lantano y otros lantánidos y, por lo tanto, estos elementos son difíciles de separar cuando se extraen minerales de uranio. La extracción con solvente y la cromatografía iónica se usan comúnmente para la separación.

El primer elemento de los actínidos, el actinio, dio nombre al grupo, al igual que el lantano lo había hecho con los lantánidos. El grupo de elementos es más diverso que los lantánidos y, por lo tanto, no fue hasta 1945 que el cambio más significativo en la tabla periódica de Dmitri Mendeleev desde el reconocimiento de los lantánidos, la introducción de los actínidos, fue generalmente aceptado después de la investigación de Glenn T. Seaborg sobre los elementos transuránicos (aunque ya había sido propuesto en 1892 por el químico británico Henry Bassett).

El actinio reacciona rápidamente con el oxígeno y la humedad del aire formando una capa blanca de óxido de actinio que impide una mayor oxidación. Como ocurre con la mayoría de los lantánidos y actínidos, el actinio existe en el estado de oxidación +3 y los iones Ac son incoloros en soluciones. El estado de oxidación +3 se origina a partir de la configuración electrónica [Rn]6d 7s del actinio, con tres electrones de valencia que se donan fácilmente para dar la estructura estable de capa cerrada del gas noble radón. El raro estado de oxidación +2 solo se conoce para el dihidruro de actinio (AcH ₂); incluso esto puede ser en realidad un compuesto de electruro como su congénere más ligero LaH ₂ y por lo tanto tener actinio (III). C.Aes el más grande de todos los iones tripositivos conocidos y su primera esfera de coordinación contiene aproximadamente 10,9 ± 0,5 moléculas de agua.

Compuestos químicos

Debido a la intensa radiactividad del actinio, solo se conoce un número limitado de compuestos de actinio. Estos incluyen: AcF ₃, AcCl ₃, AcBr ₃, AcOF, AcOCl, AcOBr, Ac ₂ S ₃, Ac ₂ O ₃, AcPO ₄ y Ac(NO ₃) ₃. A excepción de AcPO ₄, todos son similares a los compuestos de lantano correspondientes. Todos contienen actinio en estado de oxidación +3. En particular, las constantes de red de los compuestos análogos de lantano y actinio difieren solo en un pequeño porcentaje.

mostrarFórmula	color	simetría	grupo espacial	No	símbolo de Pearson	una (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	densidad,g/cm

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

Óxidos

El óxido de actinio (Ac ₂ O ₃) se puede obtener calentando el hidróxido a 500 °C o el oxalato a 1100 °C, en vacío. Su red cristalina es isotípica con los óxidos de la mayoría de los metales de tierras raras trivalentes.

Haluros

El trifluoruro de actinio se puede producir en solución o en una reacción sólida. La primera reacción se lleva a cabo a temperatura ambiente, añadiendo ácido fluorhídrico a una solución que contiene iones de actinio. En el último método, el metal actinio se trata con vapores de fluoruro de hidrógeno a 700 °C en una configuración totalmente de platino. El tratamiento del trifluoruro de actinio con hidróxido de amonio a 900–1000 °C produce oxifluoruro AcOF. Mientras que el oxifluoruro de lantano se puede obtener fácilmente quemando trifluoruro de lantano en aire a 800 °C durante una hora, un tratamiento similar del trifluoruro de actinio no produce AcOF y solo da como resultado la fusión del producto inicial.AcF ₃ + 2 NH ₃ + H ₂ O → AcOF + 2 NH ₄ F

El tricloruro de actinio se obtiene haciendo reaccionar hidróxido u oxalato de actinio con vapores de tetracloruro de carbono a temperaturas superiores a 960 °C. Similar al oxifluoruro, el oxicloruro de actinio se puede preparar hidrolizando tricloruro de actinio con hidróxido de amonio a 1000 °C. Sin embargo, a diferencia del oxifluoruro, el oxicloruro bien podría sintetizarse quemando una solución de tricloruro de actinio en ácido clorhídrico con amoníaco.

La reacción de bromuro de aluminio y óxido de actinio produce tribromuro de actinio:Ac ₂ O ₃ + 2 AlBr ₃ → 2 AcBr ₃ + Al ₂ O ₃

y al tratarlo con hidróxido de amonio a 500 °C se obtiene el oxibromuro AcOBr.

Otros compuestos

El hidruro de actinio se obtuvo por reducción de tricloruro de actinio con potasio a 300 °C, y su estructura se dedujo por analogía con el hidruro de LaH ₂ correspondiente. La fuente de hidrógeno en la reacción era incierta.

Mezclando fosfato monosódico (NaH ₂ PO ₄) con una solución de actinio en ácido clorhídrico se obtiene hemihidrato de fosfato de actinio de color blanco (AcPO ₄ ·0.5H ₂ O), y calentando oxalato de actinio con vapores de sulfuro de hidrógeno a 1400 °C durante unos minutos da como resultado un sulfuro de actinio negro Ac ₂ S ₃. Es posible que se produzca actuando con una mezcla de sulfuro de hidrógeno y disulfuro de carbono sobre óxido de actinio a 1000 °C.

Isótopos

El actinio natural se compone de dos isótopos radiactivos;Ac (de la familia radiactiva deU) yAc (una nieta deTh).Ac se desintegra principalmente como un emisor beta con una energía muy pequeña, pero en el 1,38 % de los casos emite una partícula alfa, por lo que puede identificarse fácilmente mediante espectrometría alfa. Se han identificado treinta y seis radioisótopos, siendo el más estableAc con una vida media de 21.772 años,Ac con una vida media de 10,0 días yAc con una vida media de 29,37 horas. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 10 horas y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a un minuto. El isótopo conocido de actinio de vida más corta esAc (vida media de 69 nanosegundos) que se desintegra mediante la desintegración alfa. El actinio también tiene dos metaestados conocidos. Los isótopos más significativos para la química son Ac, Ac y Ac.

purificadoAc entra en equilibrio con sus productos de descomposición después de aproximadamente medio año. Se desintegra según su vida media de 21.772 años emitiendo principalmente partículas beta (98,62%) y algunas alfa (1,38%); los productos de desintegración sucesivos forman parte de la serie del actinio. Debido a las bajas cantidades disponibles, la baja energía de sus partículas beta (máximo 44,8 keV) y la baja intensidad de la radiación alfa,Ac es difícil de detectar directamente por su emisión y, por lo tanto, se rastrea a través de sus productos de descomposición. Los isótopos de actinio varían en peso atómico desde 205 u (CA) a 236 u (ac).

Isótopo	Producción	Decadencia	Media vida
C.A	Th(d,9n)→ Pa(α)→ Ac	a	52 ms
C.A	Th(d,8n)→ Pa(α)→ Ac	a	5,0 s
C.A	Th(d,7n)→ Pa(a)→ Ac	a	2,1 minutos
C.A	Th(d,6n)→ Pa(α)→ Ac	a	2,78 horas
C.A	Th(n,γ)→ Th(β)→ Pa(β)→ U(α)→ Th(α)→ Ra(β)→ Ac	a	10 días
C.A	Ra(d,2n)→ Ac	a, b captura de electrones	29.37 horas
C.A	U(α)→ Th(β)→ Pa(α)→ Ac	un, b	21,77 años
C.A	Th(a)→ Ra(b)→ Ac	b	6.15 horas
C.A	Ra(n,γ)→ Ra(β)→ Ac	b	62,7 minutos
C.A	Th(d,α)→ Ac	b	122 segundos
C.A	Th(γ,p)→ Ac	b	7,5 minutos
C.A	Th(n,p)→ Ac	b	119 s

Ocurrencia y síntesis

El actinio se encuentra solo en trazas en los minerales de uranio (una tonelada de uranio en el mineral contiene aproximadamente 0,2 miligramos de Ac) y en los minerales de torio, que contienen aproximadamente 5 nanogramos de Ac por tonelada de torio. El isótopo de actinio Ac es un miembro transitorio de la cadena de desintegración de la serie uranio-actinio, que comienza con el isótopo principal U (o Pu) y termina con el isótopo de plomo estable Pb. El isótopo Ac es un miembro transitorio de la cadena de desintegración en serie del torio, que comienza con el isótopo principal Th y termina con el isótopo estable de plomo Pb. Otro isótopo de actinio (Ac) está presente de forma transitoria en la cadena de desintegración de la serie de neptunio, comenzando con Np (o U) y terminando con talio (Tl) y bismuto casi estable (Bi); aunque todo primordialNp se ha desintegrado, se produce continuamente mediante reacciones de eliminación de neutrones en U natural.

La baja concentración natural y la estrecha similitud de las propiedades físicas y químicas con las del lantano y otros lantánidos, que siempre abundan en los minerales que contienen actinio, hacen que la separación del actinio del mineral sea poco práctica y nunca se logró la separación completa. En cambio, el actinio se prepara, en cantidades de miligramos, mediante la irradiación de neutrones de Ra en un reactor nuclear. ^{227}_{88}Ra ->[beta^-][42.2 { qué {min}}] ^{227}_{89}Ac}}}">

El rendimiento de la reacción es de aproximadamente el 2% del peso del radio. Ac puede capturar aún más los neutrones que dan como resultado pequeñas cantidades de Ac. Después de la síntesis, el actinio se separa del radio y de los productos de descomposición y fusión nuclear, como el torio, el polonio, el plomo y el bismuto. La extracción se puede realizar con una solución de tenoiltrifluoroacetona-benceno a partir de una solución acuosa de los productos de radiación, y la selectividad a un determinado elemento se logra ajustando el pH (a aproximadamente 6,0 para el actinio).Un procedimiento alternativo es el intercambio de aniones con una resina adecuada en ácido nítrico, que puede resultar en un factor de separación de 1.000.000 para el radio y el actinio frente al torio en un proceso de dos etapas. Luego, el actinio se puede separar del radio, con una proporción de aproximadamente 100, utilizando una resina de intercambio catiónico de baja reticulación y ácido nítrico como eluyente.

Ac se produjo artificialmente por primera vez en el Instituto de Elementos Transuránicos (ITU) en Alemania usando un ciclotrón y en el Hospital St George en Sydney usando un linac en 2000. Este isótopo raro tiene aplicaciones potenciales en radioterapia y se produce de manera más eficiente bombardeando un radio -226 objetivo con iones de deuterio de 20–30 MeV. Esta reacción también produce Ac que, sin embargo, se desintegra con una vida media de 29 horas y, por lo tanto, no contamina a Ac.

El actinio metálico se ha preparado mediante la reducción de fluoruro de actinio con vapor de litio en vacío a una temperatura entre 1100 y 1300 °C. Las temperaturas más altas dieron como resultado la evaporación del producto y las más bajas dieron lugar a una transformación incompleta. Se eligió el litio entre otros metales alcalinos porque su fluoruro es más volátil.

Aplicaciones

Debido a su escasez, alto precio y radioactividad, Ac actualmente no tiene un uso industrial significativo, pero Ac actualmente se está estudiando para su uso en tratamientos contra el cáncer, como las terapias alfa dirigidas. Ac es altamente radiactivo y, por lo tanto, se estudió para su uso como elemento activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos, por ejemplo, en naves espaciales. El óxido de Ac prensado con berilio también es una fuente de neutrones eficiente con una actividad superior a la de los pares estándar de americio-berilio y radio-berilio. En todas esas aplicaciones, Ac (una fuente beta) es simplemente un progenitor que genera isótopos emisores de alfa en su decaimiento. El berilio captura partículas alfa y emite neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n): ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n + gamma }}}">

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

Ac se aplica en medicina para producir Bi en un generador reutilizable o puede usarse solo como agente para radioterapia, en particular terapia alfa dirigida (TAT). Este isótopo tiene una vida media de 10 días, lo que lo hace mucho más adecuado para la radioterapia que el Bi (vida media de 46 minutos). Además, Ac se descompone en Bi no tóxico en lugar de plomo estable pero tóxico, que es el producto final en las cadenas de descomposición de varios otros isótopos candidatos, a saber, Th, Th y U. No solo Ac en sí, sino también sus hijas, emiten partículas alfa que matan las células cancerosas en el cuerpo. La mayor dificultad con la aplicación deAc fue que la inyección intravenosa de complejos simples de actinio dio como resultado su acumulación en los huesos y el hígado durante un período de decenas de años. Como resultado, después de que las partículas alfa de Ac mataran rápidamente a las células cancerosas, la radiación del actinio y sus descendientes podría inducir nuevas mutaciones. Para resolver este problema, Ac se unió a un agente quelante, como citrato, ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) o ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA). Esto redujo la acumulación de actinio en los huesos, pero la excreción del cuerpo siguió siendo lenta. Se obtuvieron resultados mucho mejores con agentes quelantes como HEHA (ácido 1,4,7,10,13,16-hexaazaciclohexadecano-N,N′,N″,N‴,N‴′,N‴″-hexaacético) o DOTA (1,4,7,10-tetraazaciclododecano-1,4,7,10-ácido tetraacético) acoplado a trastuzumab, un anticuerpo monoclonal que interfiere con el receptor HER2/neu. La última combinación de administración se probó en ratones y demostró ser eficaz contra los cánceres de leucemia, linfoma, mama, ovario, neuroblastoma y próstata.

La vida media media de Ac (21,77 años) lo convierte en un isótopo radiactivo muy conveniente para modelar la mezcla vertical lenta de las aguas oceánicas. Los procesos asociados no pueden ser estudiados con la precisión requerida por mediciones directas de velocidades actuales (del orden de 50 metros por año). Sin embargo, la evaluación de los perfiles de profundidad de concentración para diferentes isótopos permite estimar las tasas de mezcla. La física detrás de este método es la siguiente: las aguas oceánicas contienen U disperso homogéneamente. Su producto de desintegración, Pa, se precipita gradualmente hacia el fondo, de modo que su concentración primero aumenta con la profundidad y luego se mantiene casi constante. Pa decae a Ac; sin embargo, la concentración de este último isótopo no sigue laPa perfil de profundidad, sino que aumenta hacia el fondo del mar. Esto ocurre debido a los procesos de mezcla que elevan algo de Ac adicional del fondo del mar. Por lo tanto, el análisis de los perfiles de profundidad de Pa y Ac permite a los investigadores modelar el comportamiento de la mezcla.

Hay predicciones teóricas de que los hidruros de AcH _x (en este caso con una presión muy alta) son candidatos para un superconductor a temperatura ambiente cercana, ya que tienen una T _c significativamente más alta que la del H3S, posiblemente cerca de 250 K.

Precauciones

Ac es altamente radiactivo y los experimentos con él se llevan a cabo en un laboratorio especialmente diseñado equipado con una guantera hermética. Cuando se administra tricloruro de actinio por vía intravenosa a ratas, aproximadamente el 33 % del actinio se deposita en los huesos y el 50 % en el hígado. Su toxicidad es comparable, pero ligeramente inferior a la del americio y el plutonio. Para cantidades traza, basta con campanas extractoras con buena aireación; para cantidades de gramos, son necesarias celdas calientes con protección contra la intensa radiación gamma emitida por Ac.