Americio
El americio es un elemento químico radiactivo sintético con el símbolo Am y el número atómico 95. Es un miembro transuránico de la serie de actínidos, en la tabla periódica ubicada debajo del elemento lantánido europio, y por lo tanto, por analogía, recibió su nombre de las Américas.
El americio fue producido por primera vez en 1944 por el grupo de Glenn T. Seaborg de Berkeley, California, en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, como parte del Proyecto Manhattan. Aunque es el tercer elemento de la serie transuránica, fue descubierto en cuarto lugar, después del curio más pesado. El descubrimiento se mantuvo en secreto y solo se hizo público en noviembre de 1945. La mayor parte del americio se produce mediante el bombardeo de uranio o plutonio con neutrones en reactores nucleares: una tonelada de combustible nuclear gastado contiene alrededor de 100 gramos de americio. Es ampliamente utilizado en detectores de humo de cámaras de ionización comerciales, así como en fuentes de neutrones y medidores industriales. Se han propuesto varias aplicaciones inusuales, como baterías nucleares o combustible para naves espaciales con propulsión nuclear, para el isótopo.Am, pero aún se ven obstaculizados por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear.
El americio es un metal radiactivo relativamente blando con apariencia plateada. Sus isótopos más comunes son Am y Am. En los compuestos químicos, el americio suele asumir el estado de oxidación +3, especialmente en soluciones. Se conocen varios otros estados de oxidación, que van de +2 a +7, y se pueden identificar por sus espectros de absorción óptica característicos. La red cristalina de americio sólido y sus compuestos contienen pequeños defectos radiogénicos intrínsecos, debido a la metamictización inducida por la autoirradiación con partículas alfa, que se acumula con el tiempo; esto puede causar una desviación de algunas propiedades del material con el tiempo, más notable en muestras más antiguas.
Historia
Aunque es probable que el americio se haya producido en experimentos nucleares anteriores, Glenn T. Seaborg, Leon O. Morgan, Ralph A. James y Albert lo sintetizaron, aislaron e identificaron intencionalmente por primera vez a fines del otoño de 1944 en la Universidad de California, Berkeley. Ghiorso. Usaron un ciclotrón de 60 pulgadas en la Universidad de California, Berkeley.El elemento fue identificado químicamente en el Laboratorio Metalúrgico (ahora Laboratorio Nacional Argonne) de la Universidad de Chicago. Después del neptunio más ligero, el plutonio y el curio más pesado, el americio fue el cuarto elemento transuránico descubierto. En ese momento, Seaborg había reestructurado la tabla periódica a su diseño actual, que contenía la fila de actínidos debajo de la de los lantánidos. Esto llevó a que el americio se ubicara justo debajo de su elemento gemelo lantánido europio; por analogía, recibió su nombre de las Américas: "El nombre americio (después de las Américas) y el símbolo Am se sugieren para el elemento sobre la base de su posición como el sexto miembro de la serie de tierras raras de actínidos, análoga al europio, Eu, de la serie de los lantánidos".
El nuevo elemento se aisló de sus óxidos en un proceso complejo de varios pasos. La primera solución de nitrato de plutonio-239 (PuNO 3) se revistió sobre una lámina de platino de aproximadamente 0,5 cm de área, la solución se evaporó y el residuo se convirtió en dióxido de plutonio (PuO 2) mediante calcinación. Después de la irradiación con ciclotrón, el recubrimiento se disolvió con ácido nítrico y luego se precipitó como hidróxido usando una solución acuosa concentrada de amoníaco. El residuo se disolvió en ácido perclórico. Se llevó a cabo una mayor separación por intercambio iónico, lo que produjo cierto isótopo de curio. La separación de curio y americio fue tan minuciosa que el grupo de Berkeley llamó inicialmente a esos elementos como pandemonium (del griego paratodos los demonios o el infierno) y el delirio (del latín locura).
Los experimentos iniciales produjeron cuatro isótopos de americio: Am, Am, Am y Am. El americio-241 se obtuvo directamente del plutonio tras la absorción de dos neutrones. Se desintegra por emisión de una partícula α a Np; la vida media de esta descomposición se determinó por primera vez como510 ± 20 años pero luego corregido a 432,2 años.
El segundo isótopo Am se produjo tras el bombardeo con neutrones del Am ya creado. Tras una rápida desintegración β, Am se convierte en el isótopo de curio Cm (que se había descubierto anteriormente). La vida media de esta descomposición se determinó inicialmente en 17 horas, que estaba cerca del valor actualmente aceptado de 16,02 h.
El descubrimiento de americio y curio en 1944 estuvo estrechamente relacionado con el Proyecto Manhattan; los resultados fueron confidenciales y desclasificados recién en 1945. Seaborg filtró la síntesis de los elementos 95 y 96 en el programa de radio estadounidense para niños Quiz Kids cinco días antes de la presentación oficial en una reunión de la American Chemical Society el 11 de noviembre de 1945, cuando uno de los los oyentes preguntaron si durante la guerra se había descubierto algún nuevo elemento transuránico además del plutonio y el neptunio. Después del descubrimiento de los isótopos de americio Am y Am, su producción y compuestos fueron patentados y solo se incluyó a Seaborg como inventor.Las muestras iniciales de americio pesaban unos pocos microgramos; apenas eran visibles y se identificaban por su radiactividad. Las primeras cantidades sustanciales de americio metálico que pesaban entre 40 y 200 microgramos no se prepararon hasta 1951 mediante la reducción de fluoruro de americio (III) con bario metálico en alto vacío a 1100 °C.
Ocurrencia
Los isótopos de americio más longevos y más comunes, Am y Am, tienen vidas medias de 432,2 y 7370 años, respectivamente. Por lo tanto, cualquier americio primordial (americio que estuvo presente en la Tierra durante su formación) ya debería haberse descompuesto. Es probable que se produzcan trazas de americio de forma natural en los minerales de uranio como resultado de reacciones nucleares, aunque esto no se ha confirmado.
El americio existente se concentra en las áreas utilizadas para las pruebas de armas nucleares atmosféricas realizadas entre 1945 y 1980, así como en los sitios de incidentes nucleares, como el desastre de Chernobyl. Por ejemplo, el análisis de los escombros en el sitio de prueba de la primera bomba de hidrógeno de EE. UU., Ivy Mike, (1 de noviembre de 1952, Enewetak Atoll), reveló altas concentraciones de varios actínidos, incluido el americio; pero debido al secreto militar, este resultado no se publicó hasta más tarde, en 1956.Trinitite, el residuo vítreo que quedó en el suelo del desierto cerca de Alamogordo, Nuevo México, después de la prueba de la bomba nuclear Trinity basada en plutonio el 16 de julio de 1945, contiene trazas de americio-241. También se detectaron niveles elevados de americio en el lugar del accidente de un bombardero estadounidense Boeing B-52, que llevaba cuatro bombas de hidrógeno, en 1968 en Groenlandia.
En otras regiones, la radiactividad promedio de la superficie del suelo debido al americio residual es de solo alrededor de 0,01 picocuries/g (0,37 mBq/g). Los compuestos de americio atmosférico son poco solubles en solventes comunes y en su mayoría se adhieren a las partículas del suelo. El análisis del suelo reveló una concentración de americio alrededor de 1900 veces mayor dentro de las partículas del suelo arenoso que en el agua presente en los poros del suelo; se midió una proporción aún mayor en suelos francos.
El americio se produce principalmente artificialmente en pequeñas cantidades, con fines de investigación. Una tonelada de combustible nuclear gastado contiene alrededor de 100 gramos de varios isótopos de americio, principalmente Am y Am. Su radiactividad prolongada es indeseable para la eliminación y, por lo tanto, el americio, junto con otros actínidos de vida prolongada, debe neutralizarse. El procedimiento asociado puede involucrar varios pasos, donde el americio primero se separa y luego se convierte mediante bombardeo de neutrones en reactores especiales en nucleidos de vida corta. Este procedimiento es bien conocido como transmutación nuclear, pero aún se está desarrollando para el americio. Los elementos transuránicos del americio al fermio se produjeron naturalmente en el reactor de fisión nuclear natural en Oklo, pero ya no lo hacen.
El americio también es uno de los elementos que se han detectado en la estrella de Przybylski.
Síntesis y extracción
Nucleosíntesis de isótopos
El americio se ha producido en pequeñas cantidades en reactores nucleares durante décadas, y ya se han acumulado kilogramos de sus isótopos Am y Am. Sin embargo, desde que se puso a la venta por primera vez en 1962, su precio, alrededor de US$1.500 por gramo (US$43.000/oz) de Am, se mantiene casi sin cambios debido al muy complejo procedimiento de separación. El isótopo más pesado Am se produce en cantidades mucho más pequeñas; por lo tanto, es más difícil de separar, lo que resulta en un mayor costo del pedido de US $ 100 000 a US $ 160 000 por gramo (US $ 2 800 000 a US $ 4 500 000/oz).
El americio no se sintetiza directamente a partir del uranio, el material de reactor más común, sino del isótopo de plutonio Pu. Este último debe producirse primero, de acuerdo con el siguiente proceso nuclear:
La captura de dos neutrones por Pu (la llamada reacción (n, γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado Am:
El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene alrededor del 12% de Pu. Debido a que se descompone beta en Am, Pu se puede extraer y se puede usar para generar más Am. Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de Pu se descompone en Am después de unos 15 años, y la cantidad de Am alcanza un máximo después de 70 años.
El Am obtenido se puede utilizar para generar isótopos de americio más pesados mediante una mayor captura de neutrones dentro de un reactor nuclear. En un reactor de agua ligera (LWR), el 79% de Am se convierte en Am y el 10% en su isómero nuclear Am:
El americio-242 tiene una vida media de solo 16 horas, lo que hace que su posterior conversión a Am sea extremadamente ineficiente. El último isótopo se produce en cambio en un proceso en el que Pu captura cuatro neutrones bajo un alto flujo de neutrones:
Generación de metales
La mayoría de las rutinas de síntesis producen una mezcla de diferentes isótopos de actínidos en forma de óxido, a partir de los cuales se pueden separar los isótopos de americio. En un procedimiento típico, el combustible gastado del reactor (p. ej., combustible MOX) se disuelve en ácido nítrico y la mayor parte del uranio y el plutonio se elimina mediante una extracción de tipo PUREX (extracción de plutonio - UR anio) con fosfato de tributilo en un hidrocarburo.. A continuación, los lantánidos y los actínidos restantes se separan del residuo acuoso (refinado) mediante una extracción a base de diamida, para dar, después de la extracción, una mezcla de actínidos y lantánidos trivalentes. Luego, los compuestos de americio se extraen de forma selectiva mediante técnicas cromatográficas y de centrifugación de varios pasos.con un reactivo apropiado. Se ha realizado una gran cantidad de trabajo sobre la extracción con disolventes del americio. Por ejemplo, un proyecto financiado por la UE de 2003 con nombre en código "EUROPART" estudió las triazinas y otros compuestos como posibles agentes de extracción. En 2009 se propuso un complejo de bis -triazinil bipiridina, ya que dicho reactivo es altamente selectivo para el americio (y el curio). La separación del americio del curio, muy similar, se puede lograr tratando una suspensión de sus hidróxidos en bicarbonato de sodio acuoso con ozono, a temperaturas elevadas. Tanto Am como Cm están presentes principalmente en soluciones en el estado de valencia +3; mientras que el curio permanece inalterado, el americio se oxida a complejos de Am(IV) solubles que pueden eliminarse por lavado.
El americio metálico se obtiene por reducción a partir de sus compuestos. El fluoruro de americio (III) se utilizó por primera vez para este propósito. La reacción se llevó a cabo usando bario elemental como agente reductor en un ambiente libre de agua y oxígeno dentro de un aparato hecho de tantalio y tungsteno.
Una alternativa es la reducción de dióxido de americio por lantano metálico o torio:
Propiedades físicas
En la tabla periódica, el americio se ubica a la derecha del plutonio, a la izquierda del curio y debajo del lantánido europio, con el que comparte muchas propiedades físicas y químicas. El americio es un elemento altamente radiactivo. Cuando está recién preparado, tiene un brillo metálico blanco plateado, pero luego se empaña lentamente en el aire. Con una densidad de 12 g/cm, el americio es menos denso que el curio (13,52 g/cm) y el plutonio (19,8 g/cm); pero tiene una densidad más alta que el europio (5,264 g/cm), principalmente debido a su mayor masa atómica. El americio es relativamente suave y fácilmente deformable y tiene un módulo de volumen significativamente más bajo que los actínidos anteriores: Th, Pa, U, Np y Pu.Su punto de fusión de 1173 °C es significativamente más alto que el del plutonio (639 °C) y el europio (826 °C), pero más bajo que el del curio (1340 °C).
En condiciones ambientales, el americio está presente en su forma α más estable que tiene una simetría cristalina hexagonal y un grupo espacial P6 3 /mmc con parámetros de celda a = 346.8 pm y c = 1124 pm, y cuatro átomos por celda unitaria. El cristal consta de un empaque cerrado hexagonal doble con la secuencia de capas ABAC y, por lo tanto, es isotípico con α-lantano y varios actínidos como α-curio. La estructura cristalina del americio cambia con la presión y la temperatura. Cuando se comprime a temperatura ambiente a 5 GPa, α-Am se transforma en la modificación β, que tiene una simetría cúbica centrada en las caras (fcc), grupo espacial Fm 3 m y constante de red a = 489 pm. esta fccestructura es equivalente al empaquetamiento más cercano con la secuencia ABC. Tras una mayor compresión a 23 GPa, el americio se transforma en una estructura ortorrómbica γ-Am similar a la del α-uranio. No se observan más transiciones hasta 52 GPa, excepto la aparición de una fase monoclínica a presiones entre 10 y 15 GPa. No hay consistencia en el estado de esta fase en la literatura, que a veces también enumera las fases α, β y γ como I, II y III. La transición β-γ se acompaña de una disminución del 6% en el volumen del cristal; aunque la teoría también predice un cambio de volumen significativo para la transición α-β, no se observa experimentalmente. La presión de la transición α-β disminuye al aumentar la temperatura, y cuando el α-americio se calienta a presión ambiente, a 770 °C se transforma en unfase fcc que es diferente de β-Am, y a 1075 °C se convierte en una estructura cúbica centrada en el cuerpo. El diagrama de fase de presión-temperatura del americio es bastante similar al del lantano, praseodimio y neodimio.
Al igual que con muchos otros actínidos, el autodaño de la estructura cristalina debido a la irradiación de partículas alfa es intrínseco al americio. Es especialmente notable a bajas temperaturas, donde la movilidad de los defectos estructurales producidos es relativamente baja, por la ampliación de los picos de difracción de rayos X. Este efecto hace algo incierta la temperatura del americio y algunas de sus propiedades, como la resistividad eléctrica.Entonces, para el americio-241, la resistividad a 4,2 K aumenta con el tiempo desde alrededor de 2 µOhm·cm a 10 µOhm·cm después de 40 horas, y se satura a alrededor de 16 µOhm·cm después de 140 horas. Este efecto es menos pronunciado a temperatura ambiente, debido a la aniquilación de los defectos de radiación; también calentando a temperatura ambiente la muestra que se mantuvo durante horas a bajas temperaturas restaura su resistividad. En muestras frescas, la resistividad aumenta gradualmente con la temperatura desde alrededor de 2 µOhm·cm con helio líquido hasta 69 µOhm·cm a temperatura ambiente; este comportamiento es similar al del neptunio, uranio, torio y protactinio, pero es diferente del plutonio y el curio, que muestran un rápido aumento hasta 60 K seguido de saturación. El valor a temperatura ambiente del americio es inferior al del neptunio, plutonio y curio, pero superior al del uranio, el torio y el protactinio.
El americio es paramagnético en un amplio rango de temperatura, desde el del helio líquido hasta la temperatura ambiente y superior. Este comportamiento es marcadamente diferente al de su vecino curio, que exhibe una transición antiferromagnética a 52 K. El coeficiente de expansión térmica del americio es ligeramente anisotrópico y asciende a(7.5 ± 0.2) × 10 /°C a lo largo del eje a más corto y(6,2 ± 0,4) × 10 /°C para el eje hexagonal c más largo. La entalpía de disolución del americio metálico en ácido clorhídrico en condiciones estándar es−620,6 ± 1,3 kJ/mol, a partir del cual el cambio de formación de entalpía estándar (Δ f H °) del ion Am acuoso es−621,2 ± 2,0 kJ/mol. El potencial estándar Am /Am es−2,08 ± 0,01 V.
Propiedades químicas
El americio metálico reacciona fácilmente con el oxígeno y se disuelve en ácidos acuosos. El estado de oxidación más estable para el americio es +3,. La química del americio (III) tiene muchas similitudes con la química de los compuestos de lantánidos (III). Por ejemplo, el americio trivalente forma fluoruro, oxalato, yodato, hidróxido, fosfato y otras sales insolubles. También se han estudiado compuestos de americio en los estados de oxidación 2, 4, 5, 6 y 7. Este es el rango más amplio que se ha observado con elementos actínidos. El color de los compuestos de americio en solución acuosa es el siguiente: Am (amarillo-rojizo), Am (amarillo-rojizo), Am O2; (amarillo), Am O2(marrón) y Am O6(verde oscuro). Los espectros de absorción tienen picos pronunciados, debido a las transiciones f - f ' en las regiones del visible y del infrarrojo cercano. Típicamente, Am(III) tiene máximos de absorción en ca. 504 y 811 nm, Am(V) a ca. 514 y 715 nm, y Am(VI) a ca. 666 y 992 nm.
Los compuestos de americio con estado de oxidación +4 y superior son agentes oxidantes fuertes, comparables en fuerza al ion permanganato (MnO4) en soluciones ácidas. Mientras que los iones Am son inestables en soluciones y se convierten fácilmente en Am, los compuestos como el dióxido de americio (AmO 2) y el fluoruro de americio (IV) (AmF 4) son estables en estado sólido.
El estado de oxidación pentavalente del americio se observó por primera vez en 1951. En solución acuosa ácida, el AmO2ion es inestable con respecto a la desproporción. La reacción3[AmO 2 ] + 4H -> 2[AmO 2 ] + Am + 2H 2 O
es tipico La química de Am(V) y Am(VI) es comparable a la química del uranio en esos estados de oxidación. En particular, compuestos como Li 3 AmO 4 y Li 6 AmO 6 son comparables a los uranatos y el ion AmO 2 es comparable al ion uranilo, UO 2. Dichos compuestos se pueden preparar por oxidación de Am(III) en ácido nítrico diluido con persulfato de amonio. Otros agentes oxidantes que se han utilizado incluyen óxido de plata (I), ozono y persulfato de sodio.
Compuestos químicos
Compuestos de oxígeno
Se conocen tres óxidos de americio, con los estados de oxidación +2 (AmO), +3 (Am 2 O 3) y +4 (AmO 2). El óxido de americio (II) se preparó en cantidades mínimas y no se ha caracterizado en detalle. El óxido de americio (III) es un sólido marrón rojizo con un punto de fusión de 2205 °C. El óxido de americio (IV) es la principal forma de americio sólido que se utiliza en casi todas sus aplicaciones. Como la mayoría de los otros dióxidos de actínidos, es un sólido negro con una estructura cristalina cúbica (fluorita).
El oxalato de americio(III), secado al vacío a temperatura ambiente, tiene la fórmula química Am 2 (C 2 O 4) 3 ·7H 2 O. Al calentarse al vacío, pierde agua a 240 °C y comienza a descomponerse en AmO 2 a 300 °C, la descomposición se completa alrededor de los 470 °C. El oxalato inicial se disuelve en ácido nítrico con una solubilidad máxima de 0,25 g/L.
Haluros
Los haluros de americio se conocen por los estados de oxidación +2, +3 y +4, donde el +3 es más estable, especialmente en soluciones.
| Estado de oxidación | F | cl | hermano | yo |
|---|---|---|---|---|
| +4 | Fluoruro de americio (IV)AmF 4rosa pálido | |||
| +3 | Fluoruro de americio (III)AmF 3rosa | Cloruro de americio (III)AmCl 3rosa | Bromuro de americio(III)AmBr 3amarillo claro | Yoduro de americio (III)AmI 3amarillo claro |
| +2 | Cloruro de americio (II)AmCl 2negro | Bromuro de americio (II)AmBr 2negro | Yoduro de americio (II)AmI 2negro |
La reducción de los compuestos de Am(III) con amalgama de sodio produce sales de Am(II), los haluros negros AmCl 2, AmBr 2 y AmI 2. Son muy sensibles al oxígeno y se oxidan en el agua, liberando hidrógeno y volviendo al estado Am(III). Las constantes de red específicas son:
- Ortorrómbico AmCl 2: a =896.3 ± 0.8 pm, b =757,3 ± 0,8 pm y c =453,2 ± 0,6 horas
- AmBr 2 tetragonal: a =1 159.2 ± 0.4 pm y c =712.1 ± 0.3 pm. También se pueden preparar haciendo reaccionar americio metálico con un haluro de mercurio apropiado HgX 2, donde X = Cl, Br o I:
El fluoruro de americio (III) (AmF 3) es poco soluble y precipita tras la reacción de Am y los iones de fluoruro en soluciones ácidas débiles:
El fluoruro de americio(IV) tetravalente (AmF 4) se obtiene haciendo reaccionar fluoruro de americio(III) sólido con flúor molecular:
Otra forma conocida de fluoruro de americio tetravalente sólido es KAmF5. También se ha observado americio tetravalente en la fase acuosa. Para este propósito, se disolvió Am(OH) 4 negro en NH 4 F 15 M con una concentración de americio de 0,01 M. La solución rojiza resultante tenía un espectro de absorción óptica característico que es similar al de AmF 4 pero difería de otras soluciones de oxidación. estados de americio. Calentar la solución de Am(IV) a 90 °C no resultó en su desproporción o reducción, sin embargo, se observó una reducción lenta a Am(III) y se asignó a la auto-irradiación de americio por partículas alfa.
La mayoría de los haluros de americio (III) forman cristales hexagonales con una ligera variación del color y la estructura exacta entre los halógenos. Entonces, el cloruro (AmCl 3) es rojizo y tiene una estructura isotípica al cloruro de uranio (III) (grupo espacial P6 3 /m) y el punto de fusión de 715 °C. El fluoruro es isotípico a LaF 3 (grupo espacial P6 3 /mmc) y el yoduro a BiI 3 (grupo espacial R 3). El bromuro es una excepción con la estructura ortorrómbica de tipo PuBr 3 y el grupo espacial Cmcm. Cristales de americio hexahidratado (AmCl 3 ·6H 2O) se puede preparar disolviendo dióxido de americio en ácido clorhídrico y evaporando el líquido. Estos cristales son higroscópicos y tienen un color amarillo-rojizo y una estructura cristalina monoclínica.
Los oxihaluros de americio en forma de Am O 2 X 2, Am O 2 X, Am OX 2 y Am OX se pueden obtener haciendo reaccionar el haluro de americio correspondiente con oxígeno o Sb 2 O 3, y AmOCl también se puede producir por hidrólisis en fase vapor:AmCl3 + H2O - > AmOCl + 2HCl
Calcogenidas y pnictidas
Los calcogenuros de americio conocidos incluyen el sulfuro AmS 2, los seleniuros AmSe 2 y Am 3 Se 4 y los telururos Am 2 Te 3 y AmTe 2. Los pnictides de americio (Am) del tipo AmX son conocidos por los elementos fósforo, arsénico, antimonio y bismuto. Cristalizan en la red de sal de roca.
Siliciuros y boruros
El monosiliciuro de americio (AmSi) y el "disiliciuro" (nominalmente AmSi x con: 1,87 < x < 2,0) se obtuvieron mediante la reducción de fluoruro de americio (III) con silicio elemental en vacío a 1050 °C (AmSi) y 1150-1200 °C (Am Si x). AmSi es un isomorfo sólido negro con LaSi, tiene una simetría cristalina ortorrómbica. AmSi x tiene un brillo plateado brillante y una red cristalina tetragonal (grupo espacial I 4 1 /amd), es isomorfo con PuSi 2 y ThSi 2. Los boruros de americio incluyen AmB 4 y AmB 6. El tetraboruro se puede obtener calentando un óxido o un haluro de americio con diboruro de magnesio al vacío o en atmósfera inerte.
Compuestos de organoamericio
Análogo al uranoceno, el americio forma el compuesto organometálico ameroceno con dos ligandos de ciclooctatetraeno, con la fórmula química (η -C 8 H 8) 2 Am. También se conoce un complejo de ciclopentadienilo que probablemente sea AmCp3 estequiométricamente.
Formación de los complejos del tipo Am(nC 3 H 7 -BTP) 3, donde BTP significa 2,6-di(1,2,4-triazin-3-il)piridina, en soluciones que contienen nC 3 H 7 - Los iones BTP y Am han sido confirmados por EXAFS. Algunos de estos complejos tipo BTP interactúan selectivamente con el americio y por lo tanto son útiles en su separación selectiva de los lantánidos y otros actínidos.
Aspectos biológicos
El americio es un elemento artificial de origen reciente, por lo que no tiene un requisito biológico. Es perjudicial para la vida. Se ha propuesto utilizar bacterias para la eliminación de americio y otros metales pesados de ríos y arroyos. Así, las Enterobacteriaceae del género Citrobacter precipitan los iones americio de las soluciones acuosas, uniéndolos a un complejo de metal-fosfato en sus paredes celulares. Se han informado varios estudios sobre la biosorción y bioacumulación de americio por bacterias y hongos.
Fisión
El isótopo Am (vida media 141 años) tiene las secciones transversales más grandes para la absorción de neutrones térmicos (5700 graneros), lo que da como resultado una pequeña masa crítica para una reacción nuclear en cadena sostenida. La masa crítica para una esfera Am desnuda es de aproximadamente 9 a 14 kg (la incertidumbre resulta del conocimiento insuficiente de las propiedades de su material). Puede reducirse a 3-5 kg con un reflector de metal y debe volverse aún más pequeño con un reflector de agua. Una masa crítica tan pequeña es favorable para las armas nucleares portátiles, pero las basadas en Am aún no se conocen, probablemente debido a su escasez y alto precio. Las masas críticas de otros dos isótopos fácilmente disponibles, Am y Am, son relativamente altas: 57,6 a 75,6 kg para Am y 209 kg paraSoy. La escasez y el alto precio aún dificultan la aplicación del americio como combustible nuclear en los reactores nucleares.
Hay propuestas de reactores de alto flujo de 10 kW muy compactos que utilizan tan solo 20 gramos de Am. Dichos reactores de baja potencia serían relativamente seguros de usar como fuentes de neutrones para radioterapia en hospitales.
Isótopos
Se conocen alrededor de 19 isótopos y 8 isómeros nucleares para el americio. Hay dos emisores alfa de larga duración; Am tiene una vida media de 7370 años y es el isótopo más estable, y Am tiene una vida media de 432,2 años. El isómero nuclear más estable es Am; tiene una vida media larga de 141 años. Las vidas medias de otros isótopos e isómeros oscilan entre 0,64 microsegundos para Am y 50,8 horas para Am. Al igual que con la mayoría de los otros actínidos, los isótopos de americio con un número impar de neutrones tienen una tasa de fisión nuclear relativamente alta y una masa crítica baja.
El americio-241 se desintegra a Np emitiendo partículas alfa de 5 energías diferentes, principalmente a 5,486 MeV (85,2%) y 5,443 MeV (12,8%). Debido a que muchos de los estados resultantes son metaestables, también emiten rayos gamma con energías discretas entre 26,3 y 158,5 keV.
El americio-242 es un isótopo de vida corta con una vida media de 16,02 h. En su mayoría (82,7%) se convierte por desintegración β en Cm, pero también por captura de electrones en Pu (17,3%). Tanto Cm como Pu se transforman a través de casi la misma cadena de descomposición a través de Pu hasta U.
Casi todo (99,541%) de Am se desintegra por conversión interna a Am y el 0,459% restante por desintegración α a Np. Este último posteriormente decae a Pu y luego a U.
El americio-243 se transforma por emisión α en Np, que se convierte por desintegración β en Pu, y el Pu se transforma en U emitiendo una partícula α.
Aplicaciones
Detector de humo de tipo ionización
El americio se utiliza en el tipo más común de detector de humo doméstico, que utiliza Am en forma de dióxido de americio como fuente de radiación ionizante. Este isótopo es preferible al Ra porque emite 5 veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina.
La cantidad de americio en un detector de humo nuevo típico es de 1 microcurio (37 kBq) o 0,29 microgramos. Esta cantidad disminuye lentamente a medida que el americio se descompone en neptunio-237, un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (alrededor de 2,14 millones de años). Con su vida media de 432,2 años, el americio en un detector de humo incluye alrededor del 3% de neptunio después de 19 años y alrededor del 5% después de 32 años. La radiación pasa a través de una cámara de ionización, un espacio lleno de aire entre dos electrodos, y permite una pequeña corriente constante entre los electrodos. Cualquier humo que ingrese a la cámara absorbe las partículas alfa, lo que reduce la ionización y afecta esta corriente, disparando la alarma. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo por ionización es más económico y puede detectar partículas que son demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa; sin embargo, es más propenso a falsas alarmas.
Radionucleido
Como Am tiene una vida media más o menos similar a Pu (432,2 años frente a 87 años), se ha propuesto como elemento activo de los generadores termoeléctricos de radioisótopos, por ejemplo, en naves espaciales. Aunque el americio produce menos calor y electricidad (el rendimiento energético es de 114,7 mW/g para Am y 6,31 mW/g para Am (cf. 390 mW/g para Pu)) y su radiación representa una mayor amenaza para los humanos debido a la emisión de neutrones, el La Agencia Espacial Europea está considerando usar americio para sus sondas espaciales.
Otra aplicación propuesta del americio relacionada con el espacio es un combustible para naves espaciales con propulsión nuclear. Se basa en la tasa muy alta de fisión nuclear de Am, que se puede mantener incluso en una lámina de un micrómetro de espesor. El pequeño espesor evita el problema de la autoabsorción de la radiación emitida. Este problema es pertinente para las barras de uranio o plutonio, en las que solo las capas superficiales proporcionan partículas alfa. Los productos de fisión de Am pueden propulsar directamente la nave espacial o pueden calentar un gas de empuje. También pueden transferir su energía a un fluido y generar electricidad a través de un generador magnetohidrodinámico.
Una propuesta más que utiliza la alta tasa de fisión nuclear de Am es una batería nuclear. Su diseño no se basa en la energía emitida por las partículas alfa de americio, sino en su carga, es decir, el americio actúa como el "cátodo" autosuficiente. Una sola carga de 3,2 kg Am de dicha batería podría proporcionar unos 140 kW de potencia durante un período de 80 días. Incluso con todos los beneficios potenciales, las aplicaciones actuales de Am aún se ven obstaculizadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear en particular.
En 2019, investigadores del Laboratorio Nacional Nuclear del Reino Unido y la Universidad de Leicester demostraron el uso del calor generado por el americio para iluminar una pequeña bombilla. Esta tecnología podría conducir a sistemas para impulsar misiones con duraciones de hasta 400 años en el espacio interestelar, donde los paneles solares no funcionan.
Fuente de neutrones
El óxido de Am prensado con berilio es una fuente de neutrones eficiente. Aquí el americio actúa como fuente alfa y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n):
El uso más generalizado de las fuentes de neutrones AmBe es una sonda de neutrones, un dispositivo que se utiliza 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. Las fuentes de neutrones am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones, tomografía y otras investigaciones radioquímicas.
Producción de otros elementos.
El americio es un material de partida para la producción de otros elementos transuránicos y transactínidos; por ejemplo, el 82,7 % de Am se descompone en Cm y el 17,3 % en Pu. En el reactor nuclear, Am también se convierte por captura de neutrones en Am y Am, que se transforma por desintegración β en Cm:
La irradiación de Am por iones C o Ne produce los isótopos Es (einstenio) o Db (dubnio), respectivamente. Además, el elemento berkelio (isótopo Bk) había sido producido e identificado intencionalmente por primera vez bombardeando Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas. De manera similar, el nobelio se produjo en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear, Dubna, Rusia, en 1965 en varias reacciones, una de las cuales incluyó la irradiación de Am con iones N. Además, una de las reacciones de síntesis del laurencio, descubierta por científicos de Berkeley y Dubna, incluía el bombardeo de Am con O.
Espectrómetro
El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para varios usos médicos e industriales. Las emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV de Am en dichas fuentes se pueden utilizar para el análisis indirecto de materiales en radiografía y espectroscopia de fluorescencia de rayos X, así como para el control de calidad en densómetros nucleares y medidores de densidad nuclear fijos. Por ejemplo, el elemento se ha empleado para medir el grosor del vidrio para ayudar a crear vidrio plano. El americio-241 también es adecuado para la calibración de espectrómetros de rayos gamma en el rango de baja energía, ya que su espectro consta de casi un solo pico y un continuo de Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud de menor intensidad).También se utilizaron rayos gamma de americio-241 para proporcionar un diagnóstico pasivo de la función tiroidea. Sin embargo, esta aplicación médica está obsoleta.
Preocupaciones de salud
Como elemento altamente radiactivo, el americio y sus compuestos deben manipularse únicamente en un laboratorio apropiado bajo arreglos especiales. Aunque la mayoría de los isótopos de americio emiten predominantemente partículas alfa que pueden bloquearse con capas delgadas de materiales comunes, muchos de los productos secundarios emiten rayos gamma y neutrones que tienen una gran profundidad de penetración.
Si se consume, la mayor parte del americio se excreta en unos pocos días, con solo el 0,05 % absorbido en la sangre, del cual aproximadamente el 45 % va al hígado y el 45 % a los huesos, y el 10 % restante se excreta. La captación al hígado depende del individuo y aumenta con la edad. En los huesos, el americio se deposita primero sobre las superficies corticales y trabeculares y se redistribuye lentamente sobre el hueso con el tiempo. La vida media biológica de Am es de 50 años en los huesos y 20 años en el hígado, mientras que en las gónadas (testículos y ovarios) permanece de forma permanente; en todos estos órganos, el americio promueve la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad.
El americio a menudo ingresa a los vertederos de detectores de humo desechados. Las reglas asociadas con la eliminación de detectores de humo se relajan en la mayoría de las jurisdicciones. En 1994, David Hahn, de 17 años, extrajo el americio de unos 100 detectores de humo en un intento de construir un reactor nuclear reproductor. Ha habido algunos casos de exposición al americio, el peor caso fue el del técnico de operaciones químicas Harold McCluskey, quien a la edad de 64 años estuvo expuesto a 500 veces el estándar ocupacional de americio-241 como resultado de una explosión en su laboratorio.. McCluskey murió a la edad de 75 años de una enfermedad preexistente no relacionada.
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