Prometio

El prometio es un elemento químico de símbolo Pm y número atómico 61. Todos sus isótopos son radiactivos; es extremadamente raro, con solo alrededor de 500 a 600 gramos que ocurren naturalmente en la corteza terrestre en un momento dado. El prometio es uno de los dos únicos elementos radiactivos seguidos en la tabla periódica por elementos con formas estables, el otro es el tecnecio. Químicamente, el prometio es un lantánido. El prometio muestra solo un estado de oxidación estable de +3.

En 1902, Bohuslav Brauner sugirió que había un elemento entonces desconocido con propiedades intermedias entre las de los elementos conocidos neodimio (60) y samario (62); esto fue confirmado en 1914 por Henry Moseley, quien, habiendo medido los números atómicos de todos los elementos entonces conocidos, encontró que faltaba el número atómico 61. En 1926, dos grupos (uno italiano y otro estadounidense) afirmaron haber aislado una muestra del elemento 61; pronto se demostró que ambos "descubrimientos" eran falsos. En 1938, durante un experimento nuclear realizado en la Universidad Estatal de Ohio, se produjeron algunos nucleidos radiactivos que ciertamente no eran radioisótopos de neodimio o samario, pero faltaba una prueba química de que se produjera el elemento 61, y el descubrimiento no fue reconocido en general.. El prometio se produjo y caracterizó por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1945 mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en un reactor de grafito. Los descubridores propusieron el nombre "prometeo" (la ortografía se cambió posteriormente), derivado de Prometeo, el titán de la mitología griega que robó el fuego del monte Olimpo y se lo llevó a los humanos, para simbolizar "tanto la audacia como el posible mal uso de la humanidad". intelecto". Sin embargo, una muestra del metal se hizo solo en 1963. el titán de la mitología griega que robó el fuego del monte Olimpo y se lo llevó a los humanos, para simbolizar "tanto la audacia como el posible mal uso del intelecto de la humanidad". Sin embargo, una muestra del metal se hizo solo en 1963. el titán de la mitología griega que robó el fuego del monte Olimpo y se lo llevó a los humanos, para simbolizar "tanto la audacia como el posible mal uso del intelecto de la humanidad". Sin embargo, una muestra del metal se hizo solo en 1963.

Las dos fuentes de prometio natural son las raras desintegraciones alfa del europio-151 natural (que produce prometio-147) y la fisión espontánea del uranio (varios isótopos). El prometio-145 es el isótopo de prometio más estable, pero el único isótopo con aplicaciones prácticas es el prometio-147, cuyos compuestos químicos se utilizan en pintura luminosa, baterías atómicas y dispositivos de medición de espesor. Debido a que el prometio natural es extremadamente escaso, normalmente se sintetiza bombardeando uranio-235 (uranio enriquecido) con neutrones térmicos para producir prometio-147 como producto de fisión.

Propiedades

Propiedades físicas

Un átomo de prometio tiene 61 electrones, dispuestos en la configuración [Xe] 4f 6s. Al formar compuestos, el átomo pierde sus dos electrones más externos y uno de los electrones 4f, que pertenece a una subcapa abierta. El radio atómico del elemento es el segundo más grande entre todos los lantánidos, pero es solo un poco mayor que el de los elementos vecinos.Es la excepción más notable a la tendencia general de la contracción de los átomos de lantánidos con el aumento de sus números atómicos (ver contracción de los lantánidos). Muchas propiedades del prometio dependen de su posición entre los lantánidos y son intermedias entre las del neodimio y el samario. Por ejemplo, el punto de fusión, las tres primeras energías de ionización y la energía de hidratación son mayores que las del neodimio y menores que las del samario; De manera similar, la estimación del punto de ebullición, el radio iónico (Pm) y el calor estándar de formación del gas monoatómico son mayores que los del samario y menores que los del neodimio.

Promethium tiene una estructura de empaque cerrado hexagonal doble (dhcp) y una dureza de 63 kg/mm ​​. Esta forma alfa de baja temperatura se convierte en una fase cúbica centrada en el cuerpo (bcc) beta al calentarse a 890 °C.

Propiedades químicas y compuestos.

El prometio pertenece al grupo del cerio de los lantánidos y es químicamente muy similar a los elementos vecinos. Debido a su inestabilidad, los estudios químicos del prometio están incompletos. Aunque se han sintetizado algunos compuestos, no están completamente estudiados; en general, tienden a ser de color rosa o rojo. El tratamiento de soluciones ácidas que contienen iones Pm con amoníaco da como resultado un sedimento gelatinoso de hidróxido de color marrón claro, Pm(OH) ₃, que es insoluble en agua. Cuando se disuelve en ácido clorhídrico, se produce una sal amarilla soluble en agua, PmCl ₃; De manera similar, cuando se disuelve en ácido nítrico, resulta un nitrato, Pm(NO ₃) ₃. Este último también es bien soluble; cuando se seca, forma cristales rosas, similares a Nd(NO ₃) ₃. La configuración electrónica de Pm es [Xe] 4f y el color del ion es rosa. El símbolo del término del estado fundamental es I ₄. El sulfato es ligeramente soluble, como los demás sulfatos del grupo del cerio. Se han calculado los parámetros de la celda para su octahidrato; llevan a la conclusión de que la densidad de Pm ₂ (SO ₄) ₃ ·8 H ₂ O es de 2,86 g/cm. El oxalato, Pm ₂ (C ₂ O ₄) ₃ ·10 H ₂O, tiene la solubilidad más baja de todos los oxalatos de lantánidos.

A diferencia del nitrato, el óxido es similar a la sal de samario correspondiente y no a la sal de neodimio. Tal como se sintetiza, por ejemplo, calentando el oxalato, es un polvo de color blanco o lavanda con una estructura desordenada. Este polvo cristaliza en una red cúbica al calentarse a 600 °C. El recocido adicional a 800 °C y luego a 1750 °C lo transforma irreversiblemente en fases monoclínica y hexagonal, respectivamente, y las dos últimas fases se pueden interconvertir ajustando el tiempo y la temperatura de recocido.

Fórmula	simetría	grupo espacial	No	símbolo de Pearson	una (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	densidad,g/cm
α-Pm	dhcp	P6 3 / mmc	194	HP4	365	365	1165	4	7.26
β-Pm	CCO	FM 3m _	225	cF4	410	410	410	4	6.99
Pm 2 O 3	cúbico	ia 3	206	cI80	1099	1099	1099	dieciséis	6.77
Pm 2 O 3	monoclínico	C2/m2	12	mS30	1422	365	891	6	7.40
Pm 2 O 3	hexagonal	P 3 m1	164	HP5	380.2	380.2	595.4	1	7.53

El prometio forma solo un estado de oxidación estable, +3, en forma de iones; esto está en línea con otros lantánidos. Según su posición en la tabla periódica, no se puede esperar que el elemento forme estados de oxidación estables +4 o +2; el tratamiento de compuestos químicos que contienen iones Pm con agentes oxidantes o reductores fuertes mostró que el ion no se oxida o reduce fácilmente.

Fórmula	color	número de coordinación	simetría	grupo espacial	No	símbolo de Pearson	pf (°C)
PMF 3	Púrpura-rosa	11	hexagonal	P 3 c1	165	HP24	1338
PmCl 3	Lavanda	9	hexagonal	P6 3 /mc	176	hP8	655
PmBr 3	Rojo	8	ortorrómbico	cmcm	63	oS16	624
α-PmI 3	Rojo	8	ortorrómbico	cmcm	63	oS16	α→β
β-PmI 3	Rojo	6	romboédrico	R 3	148	hR24	695

Isótopos

El prometio es el único lantánido y uno de los dos únicos elementos entre los primeros 83 que no tiene isótopos estables o de larga vida (primordiales). Este es el resultado de un efecto que ocurre raramente en el modelo de gota de líquido y las estabilidades de los isótopos de elementos vecinos; también es el elemento menos estable de los primeros 84. Los principales productos de desintegración son isótopos de neodimio y samario (el prometio-146 se desintegra en ambos, los isótopos más ligeros generalmente en neodimio a través de la desintegración de positrones y la captura de electrones, y los isótopos más pesados ​​en samario a través de beta decadencia). Los isómeros nucleares de prometio pueden decaer en otros isótopos de prometio y un isótopo (Pm) tiene un modo de decaimiento alfa muy raro en praseodimio-141 estable.

El isótopo más estable del elemento es el prometio-145, que tiene una actividad específica de 940 Ci/g (35 TBq/g) y una vida media de 17,7 años por captura de electrones. Como tiene 84 neutrones (dos más de 82, que es un número mágico que corresponde a una configuración neutrónica estable), puede emitir una partícula alfa (que tiene 2 neutrones) para formar praseodimio-141 con 82 neutrones. Por lo tanto, es el único isótopo de prometio con una descomposición alfa observada experimentalmente. Su semivida parcial para la desintegración alfa es de unos 6,3 × 10 años, y la probabilidad relativa de que un núcleo de Pm se desintegre de esta forma es de 2,8 × 10 %. Varios otros isótopos de prometio como Pm, Pm yPm también tiene una liberación de energía positiva para la descomposición alfa; se predice que ocurrirán sus desintegraciones alfa, pero no se han observado.

El elemento también tiene 18 isómeros nucleares, con números de masa de 133 a 142, 144, 148, 149, 152 y 154 (algunos números de masa tienen más de un isómero). El más estable de ellos es el prometio-148m, con una vida media de 43,1 días; esto es más largo que las vidas medias de los estados fundamentales de todos los isótopos de promethium, excepto promethium-143 a 147. De hecho, promethium-148m tiene una vida media más larga que su estado fundamental, promethium-148.

Ocurrencia

En 1934, Willard Libby informó que había encontrado actividad beta débil en neodimio puro, que se atribuyó a una vida media de más de 10 años. Casi 20 años después, se afirmó que el elemento se encuentra en el neodimio natural en equilibrio en cantidades inferiores a 10 gramos de prometio por gramo de neodimio. Sin embargo, estas observaciones fueron refutadas por investigaciones más recientes, porque para los siete isótopos de neodimio que ocurren naturalmente, cualquier desintegración beta individual (que puede producir isótopos de prometio) está prohibida por la conservación de la energía. En particular, las mediciones cuidadosas de las masas atómicas muestran que la diferencia de masa Nd- Pm es negativa (−87 keV), lo que evita absolutamente la desintegración beta simple de Nd a Pm.

En 1965, Olavi Erämetsä separó trazas de Pm de un concentrado de tierras raras purificado de apatito, lo que resultó en un límite superior de 10 para la abundancia de prometio en la naturaleza; esto puede haber sido producido por la fisión nuclear natural del uranio, o por la espalación de rayos cósmicos de Nd.

Ambos isótopos del europio natural tienen excesos de masa mayores que las sumas de sus posibles hijas alfa más la de una partícula alfa; por lo tanto, ellos (estables en la práctica) pueden decaer alfa a promethium. La investigación en Laboratori Nazionali del Gran Sasso mostró que el europio-151 se descompone en prometio-147 con una vida media de 5 × 10 años. Se ha demostrado que el europio es "responsable" de unos 12 gramos de prometio en la corteza terrestre. Todavía no se han encontrado desintegraciones alfa para el europio-153, y su vida media teóricamente calculada es tan alta (debido a la baja energía de desintegración) que este proceso probablemente no se observará en un futuro cercano.

El prometio también se puede formar en la naturaleza como producto de la fisión espontánea de uranio-238. Solo se pueden encontrar trazas en minerales naturales: se ha encontrado que una muestra de pechblenda contiene prometio en una concentración de cuatro partes por trillón (4 × 10) en masa. Por lo tanto, el uranio es "responsable" de 560 g de prometio en la corteza terrestre.

También se ha identificado prometio en el espectro de la estrella HR 465 en Andrómeda; también se ha encontrado en HD 101065 (estrella de Przybylski) y HD 965. Debido a la corta vida media de los isótopos de prometio, deberían formarse cerca de la superficie de esas estrellas.

Historia

Búsquedas del elemento 61

En 1902, el químico checo Bohuslav Brauner descubrió que las diferencias en las propiedades entre el neodimio y el samario eran las más grandes entre dos lantánidos consecutivos en la secuencia entonces conocida; como conclusión, sugirió que había un elemento con propiedades intermedias entre ellos. Esta predicción fue apoyada en 1914 por Henry Moseley quien, habiendo descubierto que el número atómico era una propiedad de los elementos medible experimentalmente, descubrió que algunos números atómicos no tenían elementos correspondientes conocidos: las brechas eran 43, 61, 72, 75, 85 y 87. Con el conocimiento de una brecha en la tabla periódica, varios grupos comenzaron a buscar el elemento predicho entre otras tierras raras en el entorno natural.

La primera afirmación de un descubrimiento fue publicada por Luigi Rolla y Lorenzo Fernandes de Florencia, Italia. Después de separar una mezcla de algunos concentrados de nitrato de elementos de tierras raras del mineral brasileño monacita mediante cristalización fraccionada, produjeron una solución que contenía principalmente samario. Esta solución dio espectros de rayos X atribuidos al samario y al elemento 61. En honor a su ciudad, llamaron al elemento 61 "florencio". Los resultados se publicaron en 1926, pero los científicos afirmaron que los experimentos se realizaron en 1924. También en 1926, un grupo de científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Smith Hopkins y Len Yntema publicaron el descubrimiento del elemento 61. Ellos lo llamó "illinium", en honor a la universidad.Se demostró que ambos descubrimientos informados eran erróneos porque la línea del espectro que "correspondía" al elemento 61 era idéntica a la del didimio; las líneas que se pensaba que pertenecían al elemento 61 resultaron pertenecer a algunas impurezas (bario, cromo y platino).

En 1934, Josef Mattauch finalmente formuló la regla de las isóbaras. Una de las consecuencias indirectas de esta regla fue que el elemento 61 no pudo formar isótopos estables. A partir de 1938, HB Law et al. llevaron a cabo un experimento nuclear. en la Universidad Estatal de Ohio. En 1941 se produjeron nucleidos que no eran radioisótopos de neodimio o samario, y se propuso el nombre "ciclonio", pero faltaba una prueba química de que se produjera el elemento 61 y el descubrimiento no se reconoció en gran medida.

Descubrimiento y síntesis de promethium metal

El prometio se produjo y caracterizó por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Clinton Laboratories en ese momento) en 1945 por Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en el grafito. reactor; sin embargo, al estar demasiado ocupados con la investigación relacionada con el ejército durante la Segunda Guerra Mundial, no anunciaron su descubrimiento hasta 1947. El nombre original propuesto era "clintonio", en honor al laboratorio donde se realizó el trabajo; sin embargo, el nombre "prometheum" fue sugerido por Grace Mary Coryell, la esposa de uno de los descubridores. Se deriva de Prometeo, el titán de la mitología griega que robó el fuego del monte Olimpo y se lo llevó a los humanos.y simboliza "tanto la audacia como el posible mal uso del intelecto humano". Luego se cambió la ortografía a "promethium", ya que esto estaba de acuerdo con la mayoría de los otros metales.

• jacob a. marinsky
• Lawrence E. Glendenin
• Carlos D. Coryell

En 1963, se usó fluoruro de prometio (III) para fabricar metal de prometio. Purificado provisionalmente de impurezas de samario, neodimio y americio, se colocó en un crisol de tantalio que estaba ubicado en otro crisol de tantalio; el crisol exterior contenía litio metálico (10 veces en exceso en comparación con el prometio). Después de crear un vacío, los productos químicos se mezclaron para producir promethium metal:PmF ₃ + 3 Li → Pm + 3 LiF

La muestra de prometio producida se utilizó para medir algunas de las propiedades del metal, como su punto de fusión.

En 1963, se utilizaron métodos de intercambio de iones en ORNL para preparar unos diez gramos de prometio a partir de desechos del procesamiento de combustible de reactores nucleares.

El prometio puede recuperarse de los subproductos de la fisión del uranio o producirse bombardeando Nd con neutrones, convirtiéndolo en Nd, que se descompone en Pm a través de la desintegración beta con una vida media de 11 días.

Producción

Los métodos de producción de los diferentes isótopos varían, y solo se dan los del prometio-147 porque es el único isótopo con aplicaciones industriales. El prometio-147 se produce en grandes cantidades (en comparación con otros isótopos) al bombardear uranio-235 con neutrones térmicos. La producción es relativamente alta, con un 2,6% del producto total. Otra forma de producir prometio-147 es a través del neodimio-147, que se descompone en prometio-147 con una vida media corta. El neodimio-147 se puede obtener bombardeando neodimio-146 enriquecido con neutrones térmicos o bombardeando un objetivo de carburo de uranio con protones energéticos en un acelerador de partículas. Otro método es bombardear uranio-238 con neutrones rápidos para provocar una fisión rápida que, entre múltiples productos de reacción, crea prometio-147.

Ya en la década de 1960, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge podía producir 650 gramos de prometio por año y era la única instalación de síntesis de gran volumen del mundo. La producción a escala de gramos de prometio se suspendió en los EE. UU. a principios de la década de 1980, pero posiblemente se reanude después de 2010 en el High Flux Isotope Reactor. En 2010, Rusia era el único país que producía promethium-147 a una escala relativamente grande.

Aplicaciones

La mayor parte del promethium se usa solo con fines de investigación, excepto el promethium-147, que se puede encontrar fuera de los laboratorios. Se obtiene como óxido o cloruro, en cantidades de miligramos. Este isótopo no emite rayos gamma y su radiación tiene una profundidad de penetración relativamente pequeña en la materia y una vida media relativamente larga.

Algunas luces de señalización utilizan una pintura luminosa que contiene un fósforo que absorbe la radiación beta emitida por el prometio-147 y emite luz. Este isótopo no provoca el envejecimiento del fósforo, como sí lo hacen los emisores alfa, por lo que la emisión de luz es estable durante algunos años. Originalmente, se usó radio-226 para este propósito, pero luego fue reemplazado por prometio-147 y tritio (hidrógeno-3). El prometio puede preferirse al tritio por razones de seguridad nuclear.

En las baterías atómicas, las partículas beta emitidas por el prometio-147 se convierten en corriente eléctrica intercalando una pequeña fuente de prometio entre dos placas semiconductoras. Estas baterías tienen una vida útil de unos cinco años. La primera batería a base de prometio se ensambló en 1964 y generó "unos pocos milivatios de energía a partir de un volumen de aproximadamente 2 pulgadas cúbicas, incluido el blindaje".

El prometio también se usa para medir el grosor de los materiales mediante la evaluación de la cantidad de radiación de una fuente de prometio que pasa a través de la muestra. Tiene posibles usos futuros en fuentes portátiles de rayos X y como fuentes auxiliares de calor o energía para sondas espaciales y satélites (aunque el emisor alfa plutonio-238 se ha convertido en el estándar para la mayoría de los usos relacionados con la exploración espacial).

El prometio-147 también se utiliza, aunque en cantidades muy pequeñas (menos de 330 nCi), en algunos interruptores incandescentes CFL (lámparas fluorescentes compactas) de Philips en el rango PLC 22W/28W 15mm CFL.

Precauciones

El elemento no tiene ningún papel biológico. Promethium-147 puede emitir rayos gamma durante su desintegración beta, que son peligrosos para todas las formas de vida. Las interacciones con pequeñas cantidades de promethium-147 no son peligrosas si se observan ciertas precauciones. En general, se deben usar guantes, cubrezapatos, anteojos de seguridad y una capa exterior de ropa protectora que se quite fácilmente.

No se sabe qué órganos humanos se ven afectados por la interacción con promethium; un posible candidato son los tejidos óseos. El promethium-147 sellado no es peligroso. Sin embargo, si el empaque está dañado, el prometio se vuelve peligroso para el medio ambiente y los humanos. Si se encuentra contaminación radiactiva, el área contaminada debe lavarse con agua y jabón, pero, aunque el prometio afecta principalmente a la piel, esta no debe rasparse. Si se encuentra una fuga de promethium, el área debe identificarse como peligrosa y evacuada, y se debe contactar a los servicios de emergencia. No se conocen peligros del prometio aparte de la radiactividad.