Fermio

El fermio es un elemento sintético con el símbolo Fm y el número atómico 100. Es un actínido y el elemento más pesado que puede formarse por bombardeo de neutrones de elementos más ligeros y, por lo tanto, el último elemento que puede prepararse en cantidades macroscópicas, aunque es puro metal fermio. aún no ha sido preparado. Se conocen un total de 19 isótopos, siendo Fm el más longevo con una vida media de 100,5 días.

Fue descubierto entre los escombros de la primera explosión de una bomba de hidrógeno en 1952 y lleva el nombre de Enrico Fermi, uno de los pioneros de la física nuclear. Su química es la típica de los actínidos tardíos, con una preponderancia del estado de oxidación +3 pero también un accesible estado de oxidación +2. Debido a que las pequeñas cantidades de fermio producido y todos sus isótopos tienen vidas medias relativamente cortas, actualmente no tiene usos fuera de la investigación científica básica.

Descubrimiento

El fermio se descubrió por primera vez en las consecuencias de la prueba nuclear 'Ivy Mike' (1 de noviembre de 1952), la primera prueba exitosa de una bomba de hidrógeno. El examen inicial de los escombros de la explosión mostró la producción de un nuevo isótopo de plutonio,₉₄PU: esto solo podría haberse formado por la absorción de seis neutrones por un núcleo de uranio-238 seguido de dos desintegraciones β. En ese momento, se pensaba que la absorción de neutrones por un núcleo pesado era un proceso raro, pero la identificación de₉₄PUplanteó la posibilidad de que aún más neutrones podrían haber sido absorbidos por los núcleos de uranio, dando lugar a nuevos elementos.

El elemento 99 (einstenio) se descubrió rápidamente en papeles de filtro que habían volado a través de la nube desde la explosión (la misma técnica de muestreo que se había utilizado para descubrir₉₄PU). Luego fue identificado en diciembre de 1952 por Albert Ghiorso y colaboradores de la Universidad de California en Berkeley. Descubrieron el isótopo Es (vida media de 20,5 días) que se produjo mediante la captura de 15 neutrones por núcleos de uranio-238, que luego se sometieron a siete desintegraciones beta sucesivas:

(1)

Sin embargo, algunos átomos de U podrían capturar otra cantidad de neutrones (lo más probable, 16 o 17).

El descubrimiento de fermio (Z = 100) requirió más material, ya que se esperaba que el rendimiento fuera al menos un orden de magnitud menor que el del elemento 99, por lo que el coral contaminado del atolón Enewetak (donde se había realizado la prueba) fue enviado al Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, California, para su procesamiento y análisis. Aproximadamente dos meses después de la prueba, se aisló un nuevo componente que emitía partículas α de alta energía (7,1 MeV) con una vida media de aproximadamente un día. Con una vida media tan corta, solo podía surgir de la desintegración β de un isótopo de einstenio, por lo que tenía que ser un isótopo del nuevo elemento 100: se identificó rápidamente como Fm (t = 20,07 (7) horas).

El descubrimiento de los nuevos elementos y los nuevos datos sobre la captura de neutrones se mantuvo inicialmente en secreto por orden del ejército estadounidense hasta 1955 debido a las tensiones de la Guerra Fría. Sin embargo, el equipo de Berkeley pudo preparar los elementos 99 y 100 por medios civiles, mediante el bombardeo de neutrones de plutonio-239, y publicó este trabajo en 1954 con la advertencia de que no eran los primeros estudios que se habían realizado sobre los elementos.. Los estudios de "Ivy Mike" fueron desclasificados y publicados en 1955.

Al equipo de Berkeley le preocupaba que otro grupo pudiera descubrir isótopos más ligeros del elemento 100 a través de técnicas de bombardeo de iones antes de que pudieran publicar su investigación clasificada, y así resultó ser. Un grupo del Instituto Nobel de Física de Estocolmo descubrió de forma independiente el elemento, produciendo un isótopo que luego se confirmó que era Fm (t _1/2 = 30 minutos) al bombardear un₉₂tublanco con iones de oxígeno-16, y publicaron su trabajo en mayo de 1954. Sin embargo, la prioridad del equipo de Berkeley fue generalmente reconocida, y con ella la prerrogativa de nombrar el nuevo elemento en honor al recientemente fallecido Enrico Fermi, el desarrollador del primer reactor nuclear artificial autosostenido.

Isótopos

Vía de descomposición del fermio-257

Hay 20 isótopos de fermio enumerados en N UBASE 2016, con pesos atómicos de 241 a 260, de los cuales Fm es el más longevo con una vida media de 100,5 días. Fm tiene una vida media de 3 días, mientras que Fm de 5,3 h, Fm de 25,4 h, Fm de 3,2 h, Fm de 20,1 hy Fm de 2,6 horas. Todos los restantes tienen vidas medias que van desde 30 minutos hasta menos de un milisegundo. El producto de captura de neutrones del fermio-257, Fm, sufre una fisión espontánea con una vida media de solo 370(14) microsegundos; Fm y Fm también son inestables con respecto a la fisión espontánea (t _1/2 = 1,5(3) sy 4 ms respectivamente).Esto significa que la captura de neutrones no se puede utilizar para crear nucleidos con un número de masa superior a 257, a menos que se lleve a cabo en una explosión nuclear. Como Fm es un emisor α, que se descompone en Cf, y ningún isótopo de fermio conocido sufre una desintegración beta negativa al siguiente elemento, mendelevio, el fermio también es el último elemento que se puede preparar mediante un proceso de captura de neutrones. Debido a este impedimento en la formación de isótopos más pesados, estos isótopos Fm de vida corta constituyen el llamado "vacío de fermio".

Producción

El fermio se produce por el bombardeo de actínidos más ligeros con neutrones en un reactor nuclear. El fermio-257 es el isótopo más pesado que se obtiene mediante la captura de neutrones y solo se puede producir en cantidades de picogramos. La fuente principal es el Reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de 85 MW en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, EE. UU., que se dedica a la producción de elementos de transcurio (Z > 96). Los isótopos de fermio de menor masa están disponibles en mayores cantidades, aunque estos isótopos (Fm y Fm) tienen una vida comparativamente corta. En una "campaña de procesamiento típica" en Oak Ridge, se irradian decenas de gramos de curio para producir cantidades de decigramos de californio, cantidades de miligramos de berkelio y einstenio, y cantidades de picogramos de fermio.Sin embargo, se pueden preparar cantidades de nanogramos de fermio para experimentos específicos. Se cree que las cantidades de fermio producidas en explosiones termonucleares de 20 a 200 kilotones son del orden de miligramos, aunque se mezcla con una gran cantidad de desechos; Se recuperaron 4,0 picogramos de Fm de 10 kilogramos de escombros de la prueba "Hutch" (16 de julio de 1969). El experimento de Hutch produjo un total estimado de 250 microgramos de Fm.

Después de la producción, el fermio debe separarse de otros actínidos y de los productos de fisión de los lantánidos. Esto generalmente se logra mediante cromatografía de intercambio iónico, con el proceso estándar usando un intercambiador de cationes como Dowex 50 o T EVA eluido con una solución de α-hidroxiisobutirato de amonio. Los cationes más pequeños forman complejos más estables con el anión α-hidroxiisobutirato, por lo que se eluyen preferentemente de la columna. También se ha descrito un método de cristalización fraccionada rápida.

Aunque el isótopo más estable del fermio es el Fm, con una vida media de 100,5 días, la mayoría de los estudios se realizan sobre el Fm (t _1/2 = 20,07(7) horas), ya que este isótopo se puede aislar fácilmente según se requiera según la desintegración. producto de Es (t _1/2 = 39,8(12) días).

Síntesis en explosiones nucleares

El análisis de los escombros en la prueba nuclear Ivy Mike de 10 megatones fue parte de un proyecto a largo plazo, uno de cuyos objetivos era estudiar la eficiencia de la producción de elementos transuránicos en explosiones nucleares de alta potencia. La motivación de estos experimentos fue la siguiente: la síntesis de dichos elementos a partir del uranio requiere la captura de múltiples neutrones. La probabilidad de tales eventos aumenta con el flujo de neutrones, y las explosiones nucleares son las fuentes de neutrones más poderosas, proporcionando densidades del orden de 10 neutrones/cm dentro de un microsegundo, es decir, alrededor de 10 neutrones/(cm ·s). En comparación, el flujo del reactor HFIR es de 5 × 10 neutrones/(cm·s). Se instaló un laboratorio dedicado justo en el atolón Enewetak para el análisis preliminar de los desechos, ya que algunos isótopos podrían haberse descompuesto cuando las muestras de desechos llegaron a los EE. UU. El laboratorio estaba recibiendo muestras para su análisis, lo antes posible, de aviones equipados con filtros de papel. que sobrevoló el atolón después de las pruebas. Si bien se esperaba descubrir nuevos elementos químicos más pesados ​​que el fermio, no se encontraron después de una serie de explosiones de megatones realizadas entre 1954 y 1956 en el atolón.

Los resultados atmosféricos se complementaron con los datos de pruebas subterráneas acumulados en la década de 1960 en el sitio de pruebas de Nevada, ya que se esperaba que las poderosas explosiones realizadas en espacios confinados pudieran dar como resultado mejores rendimientos e isótopos más pesados. Aparte de las cargas tradicionales de uranio, se han probado combinaciones de uranio con americio y torio, así como una carga mixta de plutonio-neptunio. Tuvieron menos éxito en términos de rendimiento, lo que se atribuyó a mayores pérdidas de isótopos pesados ​​debido a tasas de fisión mejoradas en cargas de elementos pesados. Se descubrió que el aislamiento de los productos era bastante problemático, ya que las explosiones estaban esparciendo escombros a través de rocas derretidas y vaporizadas a una gran profundidad de 300 a 600 metros, y perforar a tal profundidad para extraer los productos era lento e ineficiente en términos de los volúmenes recopilados.

Entre las nueve pruebas subterráneas, que se llevaron a cabo entre 1962 y 1969 y con el nombre en código Anacostia (5,2 kilotones, 1962), Kennebec (<5 kilotones, 1963), Par (38 kilotones, 1964), Barbel (<20 kilotones, 1964), Tweed (<20 kilotones, 1965), Cyclamen (13 kilotones, 1966), Kankakee (20-200 kilotones, 1966), Vulcan (25 kilotones, 1966) y Hutch (20-200 kilotones, 1969), este último fue el más potente y tuvo el mayor rendimiento de elementos transuránicos. En la dependencia del número de masa atómica, el rendimiento mostró un comportamiento de diente de sierra con los valores más bajos para los isótopos impares, debido a sus mayores tasas de fisión. Sin embargo, el principal problema práctico de toda la propuesta era recoger los desechos radiactivos dispersados ​​por la poderosa explosión. Los filtros de aviones adsorbieron solo alrededor de 4 × 10de la cantidad total y la recolección de toneladas de corales en el atolón Enewetak aumentó esta fracción en solo dos órdenes de magnitud. La extracción de alrededor de 500 kilogramos de rocas subterráneas 60 días después de la explosión de Hutch recuperó solo alrededor del 10% de la carga total. La cantidad de elementos transuránicos en este lote de 500 kg fue solo 30 veces mayor que en una roca de 0,4 kg recogida 7 días después de la prueba. Esta observación demostró la dependencia altamente no lineal del rendimiento de los elementos transuránicos en la cantidad de roca radiactiva recuperada.Para acelerar la recolección de muestras después de la explosión, se perforaron pozos en el sitio no después sino antes de la prueba, de modo que la explosión expulsara material radiactivo del epicentro, a través de los pozos, a los volúmenes de recolección cerca de la superficie. Este método se probó en las pruebas de Anacostia y Kennebec y proporcionó instantáneamente cientos de kilogramos de material, pero con una concentración de actínidos 3 veces menor que en las muestras obtenidas después de la perforación; mientras que dicho método podría haber sido eficiente en estudios científicos de isótopos de vida corta, no pudo mejorar la eficiencia general de recolección de los actínidos producidos.

Aunque no se pudieron detectar nuevos elementos (aparte del einstenio y el fermio) en los desechos de las pruebas nucleares, y los rendimientos totales de elementos transuránicos fueron decepcionantemente bajos, estas pruebas proporcionaron cantidades significativamente más altas de isótopos pesados ​​raros que las disponibles previamente en los laboratorios. Por ejemplo, se podrían recuperar 6 × 10 átomos de Fm después de la detonación de Hutch. Luego se utilizaron en los estudios de fisión de Fm inducida por neutrones térmicos y en el descubrimiento de un nuevo isótopo de fermio Fm. Además, se sintetizó en grandes cantidades el raro isótopo Cm, que es muy difícil de producir en reactores nucleares a partir de su progenitor Cm; la vida media deCm (64 minutos) es demasiado corto para irradiaciones de reactores de meses, pero es muy "largo" en la escala de tiempo de explosión.

Ocurrencia natural

Debido a la corta vida media de todos los isótopos de fermio, cualquier fermio primordial, es decir, el fermio que podría estar presente en la Tierra durante su formación, ya se ha descompuesto. La síntesis de fermio a partir de actínidos naturales de uranio y torio en la corteza terrestre requiere la captura de múltiples neutrones, lo cual es un evento extremadamente improbable. Por lo tanto, la mayor parte del fermio se produce en la Tierra en laboratorios científicos, reactores nucleares de alta potencia o en pruebas de armas nucleares, y está presente solo unos meses después del momento de la síntesis. Los elementos transuránicos del americio al fermio se produjeron de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo, pero ya no.

Química

La química del fermio solo se ha estudiado en solución utilizando técnicas de trazador y no se han preparado compuestos sólidos. En condiciones normales, el fermio existe en solución como ion Fm, que tiene un índice de hidratación de 16,9 y una constante de disociación ácida de 1,6 × 10 (p K _a = 3,8). Fm forma complejos con una amplia variedad de ligandos orgánicos con átomos donantes duros como el oxígeno, y estos complejos suelen ser más estables que los de los actínidos precedentes. También forma complejos aniónicos con ligandos como cloruro o nitrato y, de nuevo, estos complejos parecen ser más estables que los formados por einstenio o californio.Se cree que el enlace en los complejos de los últimos actínidos es principalmente de carácter iónico: se espera que el ion Fm sea más pequeño que los iones An anteriores debido a la mayor carga nuclear efectiva del fermio y, por lo tanto, se espera que se forme fermio. enlaces metal-ligando más cortos y fuertes.

El fermio (III) se puede reducir con bastante facilidad a fermio (II), por ejemplo con cloruro de samario (II), con el que coprecipita el fermio (II). En el precipitado se produjo el compuesto cloruro de fermio(II) (FmCl ₂), aunque no fue purificado ni estudiado de forma aislada. Se ha estimado que el potencial del electrodo es similar al del par iterbio(III)/(II), o alrededor de −1,15 V con respecto al electrodo estándar de hidrógeno, valor que concuerda con los cálculos teóricos. El par Fm /Fm tiene un potencial de electrodo de −2.37(10) V basado en mediciones polarográficas.

Toxicidad

Aunque pocas personas entran en contacto con el fermio, la Comisión Internacional de Protección Radiológica ha establecido límites de exposición anuales para los dos isótopos más estables. Para el fermio-253, el límite de ingestión se fijó en 10 becquereles (1 Bq equivale a una desintegración por segundo) y el límite de inhalación en 10 Bq; para fermio-257, a 10 Bq y 4000 Bq respectivamente.