Californio
El californio es un elemento químico radiactivo con el símbolo Cf y el número atómico 98. El elemento se sintetizó por primera vez en 1950 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (entonces el 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 que se sintetiza, y tiene la segunda masa atómica más alta de todos los elementos que se han producido en cantidades lo suficientemente grandes como para verse a simple vista (después del einstenio). El elemento lleva el nombre de la universidad y el estado estadounidense de California.
Existen dos formas cristalinas para el californio 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. Cf, con una vida media de aproximadamente 2,645 años, es el isótopo más común utilizado y se produce en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Rusia.
El californio es uno de los pocos elementos transuránicos con aplicaciones prácticas. La mayoría de estas aplicaciones aprovechan la propiedad de ciertos isótopos de californio para emitir neutrones. Por ejemplo, el californio se puede utilizar para ayudar a poner en marcha reactores nucleares y se emplea como fuente de neutrones cuando se estudian materiales mediante difracción de neutrones y espectroscopia de neutrones. El californio 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 de californio deben tener en cuenta las preocupaciones radiológicas y la capacidad del elemento para interrumpir la formación de glóbulos rojos al bioacumularse en el tejido esquelético.
Características
Propiedades físicas
El californio es un metal actínido de color blanco plateado con un punto de fusión de 900 ± 30 °C (1650 ± 50 °F) y un punto de ebullición estimado de 1745 K (1470 °C; 2680 °F). El metal puro es maleable y se corta fácilmente con una hoja de afeitar. El californio metálico comienza a vaporizarse por encima de los 300 °C (570 °F) cuando se expone al vacío. Por debajo de 51 K (−222 °C; −368 °F), el metal californio es ferromagnético o ferrimagnético (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). Forma aleaciones con metales lantánidos, pero se sabe poco sobre los materiales resultantes.
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 designada beta (β). La forma α existe por debajo de 600–800 °C con una densidad de 15,10 g/cm y la forma β existe por encima de 600–800 °C con una densidad de 8,74 g/cm. 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.
El módulo de volumen de un material es una medida de su resistencia a la presión uniforme. El módulo volumétrico de Californium es50 ± 5 GPa, que es similar a los metales lantánidos trivalentes pero más pequeño que los metales más familiares, como el aluminio (70 GPa).
Propiedades químicas y compuestos.
| estado | compuesto | fórmula | color | |
|---|---|---|---|---|
| +2 | bromuro de californio (II) | CfBr 2 | amarillo | |
| +2 | yoduro de californio (II) | cf 2 | Violeta oscuro | |
| +3 | óxido de californio (III) | Cf 2 O 3 | amarillo verde | |
| +3 | fluoruro de californio (III) | CF 3 | verde brillante | |
| +3 | cloruro de californio (III) | CfCl 3 | verde esmeralda | |
| +3 | bromuro de californio (III) | CfBr 3 | verde amarillento | |
| +3 | yoduro de californio (III) | cf 3 | Limon amarillo | |
| +3 | poliborato de californio (III) | Cf[B 6 O 8 (OH) 5 ] | Verde pálido | |
| +4 | óxido de californio (IV) | CfO2 _ | marrón oscuro | |
| +4 | fluoruro de californio (IV) | CF 4 | verde |
El californio exhibe estados de oxidación de 4, 3 o 2. Por lo general, forma ocho o nueve enlaces con los átomos o iones circundantes. Se prevé que sus propiedades químicas sean similares a las de otros elementos actínidos de valencia principalmente 3+ y al elemento disprosio, que es el lantánido por encima del californio en la tabla periódica. Los compuestos en el estado de oxidación +4 son agentes oxidantes fuertes y los que están en el estado +2 son agentes reductores fuertes.
El elemento se deslustra lentamente en el aire a temperatura ambiente, y la velocidad aumenta cuando se agrega humedad. 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.
El californio solo es soluble en agua como catión californio (III). Los intentos de reducir u oxidar el ion +3 en solución han fallado. El elemento forma un cloruro, nitrato, perclorato y sulfato solubles en agua y se precipita como fluoruro, oxalato o hidróxido. El californio es el actínido más pesado que exhibe propiedades covalentes, como se observa en el borato de californio.
Isótopos
Se conocen veinte isótopos de californio (número de masa que va de 237 a 256); los más estables son Cf con vida media de 898 años, Cf con vida media de 351 años, Cf con vida media de 13,08 años y Cf con vida media de 2,645 años. Todos los demás isótopos tienen una vida media inferior a un año, y la mayoría de estos tienen una vida media inferior a 20 minutos.
Cf se forma a partir de la desintegración beta del berkelio-249, y la mayoría de los otros isótopos de californio se obtienen al someter al berkelio a una intensa radiación de neutrones en un reactor nuclear. 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).
Californium-252 es un emisor de neutrones muy fuerte, lo que lo hace extremadamente radiactivo y dañino. Cf, el 96,9% de las veces, alfa se desintegra a curio-248; el otro 3,1% de las desintegraciones son fisiones espontáneas. Un microgramo (μg) de Cf emite 2,3 millones de neutrones por segundo, un promedio de 3,7 neutrones por fisión espontánea. La mayoría de los otros isótopos de californio, desintegración alfa a curio (número atómico 96).
Historia
El californio fue fabricado 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. Fue el sexto elemento transuránico descubierto; el equipo anunció su descubrimiento el 17 de marzo de 1950.
Para producir californio, un objetivo del tamaño de un microgramo de curio-242 (96Cm) fue bombardeado con partículas alfa de 35 MeV (2Él) en el ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) en Berkeley, que produjo californio-245 (98Cf.) más un neutrón libre (norte).96Cm+2Él→98Cf.+0norte
Para identificar y separar el elemento, se llevaron a cabo métodos de intercambio iónico y adsorción. En este experimento, solo se produjeron unos 5000 átomos de californio, y estos átomos tenían una vida media de 44 minutos.
Los descubridores nombraron el nuevo elemento después de la universidad y el estado. Esta fue una ruptura con la convención utilizada para los elementos 95 a 97, que se inspiró en cómo se nombraron los elementos directamente encima de ellos en la tabla periódica. Sin embargo, el elemento directamente arriba del #98 en la tabla periódica, el disprosio, tiene un nombre que significa "difícil de encontrar", por lo que los investigadores decidieron dejar de lado la convención de nomenclatura informal. Agregaron que "lo mejor que podemos hacer es señalar [que]... a los buscadores de hace un siglo les resultó difícil llegar a California".
Primero se produjeron cantidades ponderables de californio mediante la irradiación de objetivos de plutonio en el reactor de prueba de materiales en la estación nacional de prueba de reactores, en el este de Idaho; estos hallazgos se informaron en 1954. En estas muestras se observó la alta tasa de fisión espontánea de californio-252. El primer experimento con californio en forma concentrada se produjo en 1958. Los isótopos Cf a Cf se aislaron ese mismo año a partir de una muestra de plutonio-239 que había sido irradiada con neutrones en un reactor nuclear durante cinco años.Dos años más tarde, en 1960, Burris Cunningham y James Wallman del Lawrence Radiation Laboratory 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.
El Reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en Oak Ridge, Tennessee, comenzó a producir pequeños lotes de californio en la década de 1960. Para 1995, HFIR producía nominalmente 500 miligramos (0,018 oz) de californio al año. 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.
La Comisión de Energía Atómica vendió Cf a clientes industriales y académicos a principios de la década de 1970 por $ 10 por microgramo, y se envió un promedio de 150 mg (0,0053 oz) de Cf cada año desde 1970 hasta 1990. El metal de californio fue preparado por primera vez en 1974 por Haire y Baybarz, que redujo el óxido de californio (III) con lantano metálico para obtener cantidades de microgramos de películas gruesas submicrométricas.
Ocurrencia
Se pueden encontrar rastros de californio cerca de las instalaciones que utilizan el elemento en la prospección de minerales y en tratamientos médicos. El elemento es bastante insoluble en agua, pero se adhiere bien al suelo ordinario; y sus concentraciones en el suelo pueden ser 500 veces más altas que en el agua que rodea las partículas del suelo.
La lluvia radiactiva de las pruebas de armas nucleares atmosféricas antes de 1980 contribuyó con una pequeña cantidad de californio al medio ambiente. Se han observado isótopos de californio con números de masa 249, 252, 253 y 254 en el polvo radiactivo recogido del aire después de una explosión nuclear. 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.
Alguna vez se creyó que el californio se producía en las supernovas, ya que su descomposición coincide con la vida media de 60 días de Cf. Sin embargo, estudios posteriores no lograron demostrar ningún espectro de californio, y ahora se cree que las curvas de luz de las supernovas siguen la descomposición del níquel-56.
Los elementos transuránicos desde el americio hasta el fermio, incluido el californio, se produjeron naturalmente en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo, pero ya no lo hacen.
Las líneas espectrales de californio, junto con las de varios otros elementos no primordiales, se detectaron en la estrella de Przybylski en 2008.
Producción
El californio se produce en reactores nucleares y aceleradores de partículas. Californium-250 se hace bombardeando berkelium-249 (97negro) con neutrones, formando berkelio-250 (97negro) a través de la captura de neutrones (n, γ) que, a su vez, rápidamente beta decae (β) a californio-250 (98Cf.) en la siguiente reacción:97negro(n,γ)97negro→98Cf.+ β
El bombardeo de californio-250 con neutrones produce californio-251 y californio-252.
La irradiación prolongada de americio, curio y plutonio con neutrones produce cantidades de miligramos de californio-252 y cantidades de microgramos de californio-249. A partir de 2006, los isótopos de curio 244 a 248 son irradiados por neutrones en reactores especiales para producir principalmente californio-252 con cantidades menores de isótopos 249 a 255.
Cantidades de microgramos de californio-252 están disponibles para uso comercial a través de la Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. Solo dos sitios producen californio-252: el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Dimitrovgrad, Rusia. A partir de 2003, los dos sitios producen 0,25 gramos y 0,025 gramos de californio-252 por año, respectivamente.
Se producen tres isótopos de californio con vidas medias significativas, lo que requiere un total de 15 capturas de neutrones por parte del uranio-238 sin que se produzca fisión nuclear o desintegración alfa durante el proceso. El californio-253 se encuentra al final de una cadena de producción que comienza con el uranio-238 e incluye varios isótopos de plutonio, americio, curio, berkelio y los isótopos de californio 249 a 253 (ver diagrama).
Esquema de producción de californio-252 a partir de uranio-238 por irradiación de neutrones.
Aplicaciones
Californium-252 tiene una serie de usos especializados como un fuerte emisor de neutrones; produce 139 millones de neutrones por microgramo por minuto. Esta propiedad lo hace útil como fuente de neutrones de arranque para algunos reactores nucleares y como fuente de neutrones portátil (no basada en reactores) para el análisis de activación de neutrones para detectar trazas de elementos en las muestras. Los neutrones del californio se usan como tratamiento de ciertos cánceres de cuello uterino y de cerebro en los que otras radioterapias no son efectivas. Se ha utilizado en aplicaciones educativas desde 1969 cuando el Instituto de Tecnología de Georgia obtuvo un préstamo de 119 μg de Cf del sitio del río Savannah. También se utiliza con analizadores de carbón elemental en línea y analizadores de material 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 los escáneres de barras de combustible; radiografía de neutrones de aeronaves y componentes de armas para detectar corrosión, malas soldaduras, grietas y humedad atrapada; y en detectores de metales portátiles. Los medidores de humedad de neutrones usan Cf para encontrar capas de agua y petróleo en pozos de petróleo, como una fuente de neutrones portátil para la prospección de oro y plata para el análisis en el lugar y para detectar el movimiento del agua subterránea. Los principales usos de Cf en 1982 fueron la puesta en marcha de reactores (48,3 %), el escaneo de barras de combustible (25,3 %) y el análisis de activación (19,4 %). Para 1994, la mayoríaCf se utilizó en radiografía de neutrones (77,4 %), con exploración de barras de combustible (12,1 %) y puesta en marcha de reactores (6,9 %) como usos importantes pero secundarios. En 2021, se utilizaron neutrones rápidos de Cf para la transmisión inalámbrica de datos.
Cf tiene una masa crítica calculada muy pequeña de aproximadamente 5 kg (11 lb), 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.
En octubre de 2006, los investigadores anunciaron que se habían identificado tres átomos de oganesón (elemento 118) en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, al bombardear Cf con calcio-48, convirtiéndolo en el elemento más pesado jamás creado. El objetivo contenía alrededor de 10 mg de Cf depositados en una lámina de titanio de 32 cm de área. El californio también se ha utilizado para producir otros elementos transuránicos; por ejemplo, el elemento 103 (más tarde llamado laurencio) se sintetizó por primera vez en 1961 bombardeando californio con núcleos de boro.
Precauciones
El californio que se bioacumula en el tejido esquelético libera radiación que interrumpe la capacidad del cuerpo para formar glóbulos rojos. El elemento no juega ningún papel biológico natural en ningún organismo debido a su intensa radiactividad y baja concentración en el medio ambiente.
El californio puede ingresar al cuerpo al ingerir alimentos o bebidas contaminados o al respirar aire con partículas suspendidas del elemento. Una vez en el cuerpo, solo el 0,05% del californio llegará al torrente sanguíneo. Aproximadamente el 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 por todo el hueso.
El elemento es más peligroso si se ingiere en el cuerpo. Además, el californio-249 y el californio-251 pueden causar daño tisular externo, a través de la emisión de rayos gamma. La radiación ionizante emitida por el californio en los huesos y en el hígado puede causar cáncer.
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