Torio

El torio es un elemento químico metálico débilmente radiactivo con el símbolo Th y el número atómico 90. El torio es plateado y se vuelve negro cuando se expone al aire, formando dióxido de torio; es moderadamente suave y maleable y tiene un alto punto de fusión. El torio es un actínido electropositivo cuya química está dominada por el estado de oxidación +4; es bastante reactivo y puede encenderse en el aire cuando está finamente dividido.

Todos los isótopos de torio conocidos son inestables. El isótopo más estable, Th, tiene una vida media de 14 050 millones de años, o aproximadamente la edad del universo; se desintegra muy lentamente a través de la desintegración alfa, comenzando una cadena de desintegración llamada serie del torio que termina en Pb estable. En la Tierra, el torio y el uranio son los únicos elementos significativamente radiactivos que todavía se encuentran naturalmente en grandes cantidades como elementos primordiales. Se estima que el torio es tres veces más abundante que el uranio en la corteza terrestre y se refina principalmente a partir de arenas de monacita como subproducto de la extracción de metales de tierras raras.

El torio fue descubierto en 1828 por el mineralogista aficionado noruego Morten Thrane Esmark e identificado por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius, quien lo nombró en honor a Thor, el dios nórdico del trueno. Sus primeras aplicaciones se desarrollaron a finales del siglo XIX. La radiactividad del torio fue ampliamente reconocida durante las primeras décadas del siglo XX. En la segunda mitad del siglo, el torio fue reemplazado en muchos usos debido a preocupaciones sobre su radiactividad.

El torio todavía se usa como elemento de aleación en los electrodos de soldadura TIG, pero se está reemplazando lentamente en el campo con diferentes composiciones. También fue material en óptica de alta gama e instrumentación científica, utilizado en algunos tubos de vacío de transmisión y como fuente de luz en mantos de gas, pero estos usos se han vuelto marginales. Se ha sugerido como reemplazo del uranio como combustible nuclear en reactores nucleares y se han construido varios reactores de torio. El torio también se usa para fortalecer el magnesio, recubrir el alambre de tungsteno en equipos eléctricos, controlar el tamaño de grano del tungsteno en lámparas eléctricas, crisoles de alta temperatura y anteojos, incluidas lentes de cámaras e instrumentos científicos. Otros usos del torio incluyen cerámicas resistentes al calor, motores de aviones y bombillas. La ciencia oceánica ha utilizado Pa/Estas proporciones de isótopos para entender el océano antiguo.

Propiedades a granel

El torio es un metal actínido radiactivo plateado brillante, paramagnético, moderadamente blando. En la tabla periódica, se encuentra a la derecha del actinio, a la izquierda del protactinio y debajo del cerio. El torio puro es muy dúctil y, como ocurre normalmente con los metales, se puede laminar en frío, estampar y estirar. A temperatura ambiente, el torio metálico tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras; tiene otras dos formas, una a alta temperatura (más de 1360 °C; cúbica centrada en el cuerpo) y otra a alta presión (alrededor de 100 GPa; tetragonal centrada en el cuerpo).

El torio metálico tiene un módulo volumétrico (una medida de la resistencia a la compresión de un material) de 54 GPa, casi el mismo que el del estaño (58,2 GPa). la del aluminio es de 75,2 GPa; 137,8 GPa del cobre; y el del acero dulce es de 160 a 169 GPa. El torio es casi tan duro como el acero blando, por lo que cuando se calienta se puede enrollar en láminas y estirar en alambre.

El torio es casi la mitad de denso que el uranio y el plutonio y es más duro que ambos. Se vuelve superconductor por debajo de 1,4 K.El punto de fusión del torio de 1750 °C está por encima del actinio (1227 °C) y del protactinio (1568 °C). Al comienzo del período 7, del francio al torio, los puntos de fusión de los elementos aumentan (como en otros períodos), porque el número de electrones deslocalizados que aporta cada átomo aumenta de uno en el francio a cuatro en el torio, lo que provoca una mayor atracción entre ellos. estos electrones y los iones metálicos a medida que su carga aumenta de uno a cuatro. Después del torio, hay una nueva tendencia a la baja en los puntos de fusión del torio al plutonio, donde el número de electrones f aumenta de alrededor de 0,4 a alrededor de 6: esta tendencia se debe a la creciente hibridación de los orbitales 5f y 6d y a la formación de electrones direccionales. enlaces que dan como resultado estructuras cristalinas más complejas y enlaces metálicos debilitados.(El conteo de electrones f para el torio metálico no es un número entero debido a una superposición de 5f–6d). Entre los actínidos hasta el californio, que se pueden estudiar en cantidades de al menos miligramos, el torio tiene los puntos de fusión y ebullición más altos y el segundo -densidad más baja; sólo el actinio es más ligero. El punto de ebullición del torio de 4788 °C es el quinto más alto entre todos los elementos con puntos de ebullición conocidos.

Las propiedades del torio varían ampliamente según el grado de impurezas en la muestra. La principal impureza suele ser dióxido de torio ThO ₂); incluso las muestras de torio más puras suelen contener alrededor de una décima parte del dióxido. Las mediciones experimentales de su densidad arrojan valores entre 11,5 y 11,66 g/cm: estos son ligeramente más bajos que el valor esperado teóricamente de 11,7 g/cm calculado a partir de los parámetros de la red del torio, quizás debido a los huecos microscópicos que se forman en el metal cuando se funde. Estos valores se encuentran entre los de sus vecinos actinio (10,1 g/cm) y protactinio (15,4 g/cm), parte de una tendencia entre los primeros actínidos.

El torio puede formar aleaciones con muchos otros metales. La adición de pequeñas proporciones de torio mejora la resistencia mecánica del magnesio, y las aleaciones de torio y aluminio se han considerado como una forma de almacenar torio en los futuros reactores nucleares de torio propuestos. El torio forma mezclas eutécticas con cromo y uranio, y es completamente miscible en estado sólido y líquido con su congénere más ligero, el cerio.

Isótopos

Todos menos dos elementos hasta el bismuto (elemento 83) tienen un isótopo que es prácticamente estable para todos los propósitos ("clásicamente estable"), con las excepciones del tecnecio y el prometio (elementos 43 y 61). Todos los elementos desde el polonio (elemento 84) en adelante son mediblemente radiactivos. Este es uno de los dos nucleidos más allá del bismuto (el otro es U) que tienen vidas medias medidas en miles de millones de años; su vida media es de 14.050 millones de años, aproximadamente tres veces la edad de la tierra y un poco más que la edad del universo. Cuatro quintas partes del torio presente en la formación de la Tierra ha sobrevivido hasta el presente. Este es el único isótopo de torio que se encuentra en cantidad en la naturaleza. Su estabilidad se atribuye a su subcapa nuclear cerrada con 142 neutrones.El torio tiene una composición isotópica terrestre característica, con un peso atómico de 232,0377(4). Es uno de los cuatro elementos radiactivos (junto con el bismuto, el protactinio y el uranio) que se encuentran en la Tierra en cantidades lo suficientemente grandes como para determinar un peso atómico estándar.

Los núcleos de torio son susceptibles a la desintegración alfa porque la fuerza nuclear fuerte no puede superar la repulsión electromagnética entre sus protones. La desintegración alfa de Th inicia la cadena de desintegración de 4 n que incluye isótopos con un número de masa divisible por 4 (de ahí el nombre; también se denomina serie del torio por su progenitor). Esta cadena de desintegraciones alfa y beta consecutivas comienza con la desintegración de Th a Ra y termina en Pb. Cualquier muestra de torio o sus compuestos contiene trazas de estos hijos, que son isótopos de talio, plomo, bismuto, polonio, radón, radio y actinio. Las muestras de torio natural se pueden purificar químicamente para extraer nucleidos hijos útiles, comoPb, que se utiliza en medicina nuclear para el tratamiento del cáncer. Th (emisor alfa con una vida media de 18,68 días) también se puede utilizar en tratamientos contra el cáncer, como las terapias alfa dirigidas. Th también sufre muy ocasionalmente fisión espontánea en lugar de desintegración alfa, y ha dejado evidencia de hacerlo en sus minerales (como gas xenón atrapado formado como un producto de fisión), pero la vida media parcial de este proceso es muy grande en más de 10 años. y predomina la desintegración alfa.

En total, se han caracterizado 32 radioisótopos, cuyo número de masa oscila entre 207 y 238. Después de Th, los más estables (con sus respectivas vidas medias) son Th (75.380 años), Th (7.340 años), Th (1,92 años), Th (24,10 días) y Th (18,68 días). Todos estos isótopos se encuentran en la naturaleza como trazas de radioisótopos debido a su presencia en las cadenas de desintegración de Th, U,U y Np: el último de estos se extinguió hace mucho tiempo debido a su corta vida media (2,14 millones de años), pero se produce continuamente en trazas diminutas a partir de la captura de neutrones en minerales de uranio. Todos los isótopos de torio restantes tienen vidas medias inferiores a treinta días y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a diez minutos.

En aguas profundas, el isótopo Th constituye hasta el 0,04 % del torio natural. Esto se debe a que su padre U es soluble en agua, pero Th es insoluble y precipita en el sedimento. Los minerales de uranio con bajas concentraciones de torio se pueden purificar para producir muestras de torio del tamaño de un gramo, de las cuales más de una cuarta parte es el isótopo Th, ya que Th es una de las hijas de U. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reclasificó el torio como un elemento binuclidico en 2013; anteriormente se había considerado un elemento mononucleídico.

El torio tiene tres isómeros nucleares conocidos (o estados metaestables), Th, Th y Th. Th tiene la energía de excitación más baja conocida de cualquier isómero, medida para ser7,6 ± 0,5 eV. Esta es tan baja que cuando sufre una transición isomérica, la radiación gamma emitida está en el rango ultravioleta.

Los diferentes isótopos de torio son químicamente idénticos, pero tienen propiedades físicas ligeramente diferentes: por ejemplo, se espera que las densidades de Th, Th, Th y Th puros sean, respectivamente, de 11,5, 11,6, 11,6 y 11,7 g/cm. Se espera que el isótopo Th sea fisionable con una masa crítica desnuda de 2839 kg, aunque con reflectores de acero este valor podría descender a 994 kg. Esto no es fisionable, pero es fértil ya que puede convertirse en U fisionable mediante la captura de neutrones y la subsiguiente desintegración beta.

Datación radiométrica

Dos métodos de datación radiométrica involucran isótopos de torio: datación de uranio-torio, basada en la descomposición de U a Th, y datación de ionio-torio, que mide la proporción de Th a Th. Estos se basan en el hecho de que Th es un radioisótopo primordial, pero Th solo ocurre como un producto de descomposición intermedio en la cadena de descomposición de U. La datación con uranio-torio es un proceso de rango relativamente corto debido a las vidas medias cortas de U y Th relativo a la edad de la Tierra: también va acompañado de un proceso hermano que implica la descomposición alfa de U en Th, que muy rápidamente se convierte en el de mayor duraciónPa, y este proceso se usa a menudo para comprobar los resultados de la datación con uranio-torio. La datación con uranio-torio se usa comúnmente para determinar la edad de los materiales de carbonato de calcio, como los espeleotemas o el coral, porque el uranio es más soluble en agua que el torio y el protactinio, que se precipitan selectivamente en los sedimentos del fondo oceánico, donde se miden sus proporciones. El esquema tiene un rango de varios cientos de miles de años. La datación por ionio-torio es un proceso relacionado, que aprovecha la insolubilidad del torio (tanto Th como Th) y, por lo tanto, su presencia en los sedimentos oceánicos para fechar estos sedimentos midiendo la proporción de Th a Th. Ambos métodos de datación asumen que la proporción de Th aEsta es una constante durante el período en que se formó la capa de sedimento, que el sedimento no contenía ya torio antes de las contribuciones de la descomposición del uranio, y que el torio no puede migrar dentro de la capa de sedimento.

Química

Un átomo de torio tiene 90 electrones, de los cuales cuatro son electrones de valencia. En teoría, hay cuatro orbitales atómicos disponibles para que los ocupen los electrones de valencia: 5f, 6d, 7s y 7p. A pesar de la posición del torio en el bloque f de la tabla periódica, tiene un [Rn]6d 7s anómalo.configuración electrónica en el estado fundamental, ya que las subcapas 5f y 6d en los actínidos primitivos tienen una energía muy cercana, incluso más que las subcapas 4f y 5d de los lantánidos: las subcapas 6d del torio tienen menos energía que sus subcapas 5f, porque su Las subcapas 5f no están bien protegidas por las subcapas 6s y 6p llenas y están desestabilizadas. Esto se debe a los efectos relativistas, que se vuelven más fuertes cerca de la parte inferior de la tabla periódica, específicamente la interacción relativista espín-órbita. La cercanía en los niveles de energía de los niveles de energía 5f, 6d y 7s del torio da como resultado que el torio casi siempre pierda los cuatro electrones de valencia y se presente en su estado de oxidación más alto posible de +4. Esto es diferente de su congénere lantánido cerio, en el que +4 es también el estado más alto posible, pero +3 juega un papel importante y es más estable. El torio es mucho más similar a los metales de transición zirconio y hafnio que al cerio en sus energías de ionización y potenciales redox y, por lo tanto, también en su química: este comportamiento similar al de un metal de transición es la norma en la primera mitad de la serie de actínidos.

A pesar de la configuración electrónica anómala de los átomos de torio gaseoso, el torio metálico muestra una participación significativa de 5f. Un estado metálico hipotético de torio que tuviera la configuración [Rn]6d 7s con los orbitales 5f por encima del nivel de Fermi debería ser un empaque compacto hexagonal como los elementos del grupo 4 titanio, circonio y hafnio, y no un cubo centrado en las caras como en realidad es. La estructura cristalina real solo se puede explicar cuando se invocan los estados 5f, lo que demuestra que el torio es metalúrgicamente un verdadero actínido.

Los compuestos de torio tetravalente suelen ser incoloros o amarillos, como los de la plata o el plomo, ya que el ion Th no tiene electrones 5f o 6d. Por lo tanto, la química del torio es en gran medida la de un metal electropositivo que forma un ion diamagnético único con una configuración estable de gas noble, lo que indica una similitud entre el torio y los elementos del grupo principal del bloque s. El torio y el uranio son los elementos radiactivos más investigados porque su radiactividad es lo suficientemente baja como para no requerir un manejo especial en el laboratorio.

Reactividad

El torio es un metal altamente reactivo y electropositivo. Con un potencial de reducción estándar de −1,90 V para el par Th /Th, es algo más electropositivo que el zirconio o el aluminio. El torio metálico finamente dividido puede exhibir piroforicidad y encenderse espontáneamente en el aire. Cuando se calientan en el aire, las virutas de torio se encienden y se queman con una luz blanca brillante para producir el dióxido. A granel, la reacción del torio puro con el aire es lenta, aunque puede producirse corrosión después de varios meses; la mayoría de las muestras de torio están contaminadas con diversos grados de dióxido, lo que acelera en gran medida la corrosión. Estas muestras se deslustran lentamente, se vuelven grises y finalmente negras en la superficie.

A temperatura y presión estándar, el torio es atacado lentamente por el agua, pero no se disuelve fácilmente en la mayoría de los ácidos comunes, con la excepción del ácido clorhídrico, donde se disuelve dejando un residuo insoluble negro de ThO(OH,Cl)H. Se disuelve en ácido nítrico concentrado que contiene una pequeña cantidad de iones catalíticos de fluoruro o fluorosilicato; si estos no están presentes, puede ocurrir pasivación por el nitrato, como ocurre con el uranio y el plutonio.

Compuestos inorgánicos

La mayoría de los compuestos binarios de torio con no metales se pueden preparar calentando los elementos juntos. En el aire, el torio se quema para formar ThO ₂, que tiene la estructura de fluorita. El dióxido de torio es un material refractario, con el punto de fusión más alto (3390 °C) de cualquier óxido conocido. Es algo higroscópico y reacciona fácilmente con agua y muchos gases; se disuelve fácilmente en ácido nítrico concentrado en presencia de fluoruro.

Cuando se calienta en el aire, el dióxido de torio emite una intensa luz azul; la luz se vuelve blanca cuando el ThO ₂ se mezcla con su homólogo más ligero, el dióxido de cerio (CeO ₂, ceria): esta es la base de su aplicación común anterior en los mantos de gas. Una llama no es necesaria para este efecto: en 1901, se descubrió que un manto de gas Welsbach caliente (usando ThO ₂ con 1% de CeO ₂) permanecía en "plena incandescencia" cuando se exponía a una mezcla fría sin encender de gas inflamable y aire. La luz emitida por el dióxido de torio tiene una longitud de onda mayor que la emisión de cuerpo negro que se espera de la incandescencia a la misma temperatura, un efecto llamado candoluminiscencia. Ocurre porque ThO₂: El Ce actúa como catalizador de la recombinación de radicales libres que aparecen en alta concentración en una llama, cuya desexcitación libera grandes cantidades de energía. La adición de dióxido de cerio al 1%, como en los mantos de gas, aumenta el efecto al aumentar la emisividad en la región visible del espectro; pero debido a que el cerio, a diferencia del torio, puede ocurrir en múltiples estados de oxidación, su carga y, por lo tanto, su emisividad visible dependerán de la región de la llama en la que se encuentre (ya que dichas regiones varían en su composición química y, por lo tanto, cuán oxidantes o reductoras son).

También se conocen varios calcogenuros y oxicalcogenuros binarios de torio con azufre, selenio y telurio.

Se conocen los cuatro tetrahaluros de torio, al igual que algunos bromuros y yoduros de baja valencia: los tetrahaluros son todos compuestos higroscópicos coordinados en 8 que se disuelven fácilmente en disolventes polares como el agua. También se conocen muchos iones de polihaluro relacionados. El tetrafluoruro de torio tiene una estructura cristalina monoclínica como las del tetrafluoruro de circonio y el tetrafluoruro de hafnio, donde los iones Th se coordinan con los iones F en antiprismas cuadrados algo distorsionados. En cambio, los otros tetrahaluros tienen geometría dodecaédrica. Yoduros inferiores ThI ₃ (negro) y ThI ₂(de color dorado) también se pueden preparar reduciendo el tetrayoduro con torio metálico: no contienen Th(III) y Th(II), sino que contienen Th y podrían formularse más claramente como compuestos de electruro. Se conocen muchos haluros polinarios con metales alcalinos, bario, talio y amonio para los fluoruros, cloruros y bromuros de torio. Por ejemplo, cuando se trata con fluoruro de potasio y ácido fluorhídrico, Th forma el anión complejo [ThF ₆ ] (hexafluorotorato (IV)), que precipita como una sal insoluble, K ₂ [ThF ₆ ] (hexafluorotorato de potasio (IV)).

Los boruros, carburos, siliciuros y nitruros de torio son materiales refractarios, como los del uranio y el plutonio, y por lo tanto han recibido atención como posibles combustibles nucleares. Los cuatro pnictógenos más pesados ​​(fósforo, arsénico, antimonio y bismuto) también forman compuestos binarios de torio. También se conocen germanuros de torio. El torio reacciona con el hidrógeno para formar los hidruros de torio ThH ₂ y Th ₄ H ₁₅, el último de los cuales es superconductor por debajo de 7,5–8 K; a temperatura y presión estándar, conduce la electricidad como un metal. Los hidruros son térmicamente inestables y se descomponen fácilmente al exponerlos al aire o la humedad.

Compuestos de coordinación

En una solución acuosa ácida, el torio se presenta como el ion de agua tetrapositivo [Th(H ₂ O) ₉ ], que tiene una geometría molecular prismática trigonal tricapada: a pH < 3, las soluciones de sales de torio están dominadas por este catión. El ion Th es el más grande de los iones actínidos tetrapositivos y, según el número de coordinación, puede tener un radio entre 0,95 y 1,14 Å. Es bastante ácido debido a su alta carga, ligeramente más fuerte que el ácido sulfuroso: por lo tanto, tiende a sufrir hidrólisis y polimerización (aunque en menor medida que el Fe), predominantemente a [Th ₂ (OH) ₂ ]en soluciones con pH 3 o inferior, pero en soluciones más alcalinas la polimerización continúa hasta que se forma el hidróxido gelatinoso Th(OH) ₄ y precipita (aunque el equilibrio puede tardar semanas en alcanzarse, porque la polimerización normalmente se ralentiza antes de la precipitación). Como ácido de Lewis duro, Th favorece ligandos duros con átomos de oxígeno como donantes: los complejos con átomos de azufre como donantes son menos estables y más propensos a la hidrólisis.

Los números de coordinación altos son la regla para el torio debido a su gran tamaño. El nitrato de torio pentahidratado fue el primer ejemplo conocido del número de coordinación 11, el tetrahidrato de oxalato tiene el número de coordinación 10 y el borohidruro (preparado por primera vez en el Proyecto Manhattan) tiene el número de coordinación 14. Estas sales de torio son conocidas por su alta solubilidad en agua y polar. disolventes orgánicos.

Se conocen muchos otros compuestos inorgánicos de torio con aniones poliatómicos, como los percloratos, sulfatos, sulfitos, nitratos, carbonatos, fosfatos, vanadatos, molibdatos y cromatos, y sus formas hidratadas. Son importantes en la purificación del torio y la eliminación de desechos nucleares, pero la mayoría de ellos aún no se han caracterizado por completo, especialmente en lo que respecta a sus propiedades estructurales. Por ejemplo, el nitrato de torio se produce haciendo reaccionar hidróxido de torio con ácido nítrico: es soluble en agua y alcoholes y es un intermediario importante en la purificación del torio y sus compuestos.Los complejos de torio con ligandos orgánicos, como oxalato, citrato y EDTA, son mucho más estables. En las aguas naturales que contienen torio, los complejos orgánicos de torio suelen presentarse en concentraciones de órdenes de magnitud superiores a las de los complejos inorgánicos, incluso cuando las concentraciones de ligandos inorgánicos son mucho mayores que las de los ligandos orgánicos.

En enero de 2021, se observó la aromaticidad en un gran grupo de aniones metálicos que consta de 12 átomos de bismuto estabilizados por un catión central de torio. Se demostró que este compuesto es sorprendentemente estable, a diferencia de muchos grupos de metales aromáticos conocidos anteriormente.

Compuestos de organotorio

La mayor parte del trabajo sobre compuestos de organotorio se ha centrado en los complejos de ciclopentadienilo y ciclooctatetraenilos. Como muchos de los actínidos tempranos y medios (hasta el americio, y también esperado para el curio), el torio forma un complejo de ciclooctatetraenida: el Th(C ₈ H ₈) ₂ amarillo, toroceno. Es isotípico con el compuesto de uranio análogo más conocido, el uranoceno. Puede prepararse haciendo reaccionar K ₂ C ₈ H ₈ con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano (THF) a la temperatura del hielo seco, o haciendo reaccionar tetrafluoruro de torio con MgC ₈ H ₈.Es inestable en el aire y se descompone en agua oa 190 °C. También se conocen compuestos de medio sándwich, como (η -C ₈ H ₈)ThCl ₂ (THF) ₂, que tiene una estructura de taburete de piano y se prepara haciendo reaccionar toroceno con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano.

Los ciclopentadienilos más simples son Th(C ₅ H ₅) ₃ y Th(C ₅ H ₅) ₄: se conocen muchos derivados. El primero (que tiene dos formas, una púrpura y otra verde) es un raro ejemplo de torio en el estado de oxidación formal +3; un estado de oxidación formal +2 ocurre en un derivado. El derivado de cloruro [Th(C ₅ H ₅) ₃ Cl] se prepara calentando tetracloruro de torio con KC ₅ H _{5 limitante.}usado (también pueden usarse otros ciclopentadienilos metálicos monovalentes). Los derivados de alquilo y arilo se preparan a partir del derivado de cloruro y se han utilizado para estudiar la naturaleza del enlace sigma Th-C.

Otros compuestos de organotorio no están bien estudiados. Se conocen tetrabenciltorio, Th(CH ₂ C ₆ H ₅) ₄, y tetraaliltorio, Th(CH ₂ CH=CH ₂) ₄, pero no se han determinado sus estructuras. Se descomponen lentamente a temperatura ambiente. El torio forma el anión prismático trigonal monocapa [Th(CH ₃) ₇ ], heptametiltorato(IV), que forma la sal [Li(tmeda)] ₃ [Th(CH ₃) ₇ ] (tmeda = (CH ₃) ₂ NCH _2CH2N (CH3) ₂) _. Aunque un grupo metilo solo está unido al átomo de torio (distancia Th-C 257,1 pm) y los otros seis conectan los átomos de litio y torio (distancia Th-C 265,5-276,5 pm), se comportan de manera equivalente en solución. El tetrametiltorio, Th(CH ₃) ₄, no se conoce, pero sus aductos están estabilizados por ligandos de fosfina.

Ocurrencia

Formación

Este es un nucleido primordial que ha existido en su forma actual durante más de diez mil millones de años; se formó durante el proceso r, que probablemente ocurre en las fusiones de supernovas y estrellas de neutrones. Estos eventos violentos lo esparcieron por toda la galaxia. La letra "r" significa "captura rápida de neutrones", y ocurre en supernovas con colapso del núcleo, donde los núcleos semilla pesados, como el Fe, capturan rápidamente neutrones, chocando contra la línea de goteo de neutrones, ya que los neutrones se capturan mucho más rápido que los nucleidos resultantes. puede beta decaer de nuevo hacia la estabilidad. La captura de neutrones es la única forma en que las estrellas pueden sintetizar elementos más allá del hierro debido a las mayores barreras de Coulomb que dificultan las interacciones entre partículas cargadas en números atómicos altos y al hecho de que la fusión más allá del Fe es endotérmica.Debido a la abrupta pérdida de estabilidad más allá de Bi, el proceso r es el único proceso de nucleosíntesis estelar que puede crear torio y uranio; todos los demás procesos son demasiado lentos y los núcleos intermedios alfa se desintegran antes de capturar suficientes neutrones para alcanzar estos elementos.

Abundancias estimadas de los 83 elementos primordiales en el sistema solar, trazadas en una escala logarítmica. El torio, de número atómico 90, es uno de los elementos más raros.

En el universo, el torio se encuentra entre los elementos primordiales más raros, porque es uno de los dos elementos que se pueden producir solo en el proceso r (el otro es el uranio), y también porque se ha ido descomponiendo lentamente desde el momento en que se formó. Los únicos elementos primordiales más raros que el torio son el tulio, el lutecio, el tantalio y el renio, los elementos impares justo antes del tercer pico de abundancias del proceso r alrededor de los metales pesados ​​del grupo del platino, así como el uranio. En el pasado distante, las abundancias de torio y uranio se enriquecieron por la desintegración de los isótopos de plutonio y curio, y el torio se enriqueció en relación con el uranio por la desintegración de U a Th y el agotamiento natural de U, pero estas fuentes hace mucho que se descompusieron y ya no contribuye.

En la corteza terrestre, el torio es mucho más abundante: con una abundancia de 8,1 partes por millón (ppm), es uno de los elementos pesados ​​más abundantes, casi tan abundante como el plomo (13 ppm) y más abundante que el estaño (2,1 ppm). Esto se debe a que es probable que el torio forme minerales de óxido que no se hunden en el núcleo; se clasifica como litófilo según la clasificación de Goldschmidt, lo que significa que generalmente se encuentra combinado con oxígeno. Los compuestos de torio comunes también son poco solubles en agua. Por lo tanto, aunque los elementos refractarios tienen las mismas abundancias relativas en la Tierra que en el Sistema Solar en su conjunto, hay más torio accesible que metales pesados ​​del grupo del platino en la corteza.

En la tierra

El torio es el 41º elemento más abundante en la corteza terrestre. El torio natural suele ser Th casi puro, que es el isótopo de torio más duradero y estable, con una vida media comparable a la edad del universo. Su desintegración radiactiva es el mayor contribuyente individual al calor interno de la Tierra; los otros principales contribuyentes son los radionucleidos primordiales de vida más corta, que son U, K y U en orden descendente de su contribución. (En el momento de la formación de la Tierra, K y U contribuyeron mucho más en virtud de sus cortas vidas medias, pero han decaído más rápidamente, dejando predominante la contribución de Th y U).Su decaimiento explica una disminución gradual del contenido de torio de la Tierra: el planeta tiene actualmente alrededor del 85% de la cantidad presente en la formación de la Tierra. Los otros isótopos naturales de torio tienen una vida mucho más corta; de ellos, solo Th suele ser detectable, se produce en equilibrio secular con su padre U y constituye como máximo el 0,04% del torio natural.

El torio solo se presenta como un componente menor de la mayoría de los minerales y, por esta razón, anteriormente se pensaba que era raro. El suelo normalmente contiene alrededor de 6 ppm de torio.

En la naturaleza, el torio se encuentra en el estado de oxidación +4, junto con el uranio (IV), el circonio (IV), el hafnio (IV) y el cerio (IV), y también con el escandio, el itrio y los lantánidos trivalentes que tienen propiedades iónicas similares. radios Debido a la radiactividad del torio, los minerales que lo contienen a menudo son metamíticos (amorfos), ya que su estructura cristalina ha sido dañada por la radiación alfa producida por el torio. Un ejemplo extremo es la ekanita, (Ca,Fe,Pb) ₂ (Th,U)Si ₈ O ₂₀, que casi nunca se presenta en forma no metamíctica debido al torio que contiene.

La monacita (principalmente fosfatos de varios elementos de tierras raras) es la fuente comercial más importante de torio porque se encuentra en grandes depósitos en todo el mundo, principalmente en India, Sudáfrica, Brasil, Australia y Malasia. Contiene alrededor de un 2,5 % de torio de media, aunque algunos depósitos pueden contener hasta un 20 %. La monacita es un mineral químicamente no reactivo que se encuentra como arena amarilla o marrón; su baja reactividad dificulta la extracción de torio. La alanita (principalmente silicatos-hidróxidos de varios metales) puede tener de 0,1 a 2 % de torio y circón (principalmente silicato de circonio, ZrSiO ₄) hasta 0,4 % de torio.

El dióxido de torio se presenta como el raro mineral torianita. Debido a que es isotípico con el dióxido de uranio, estos dos dióxidos de actínidos comunes pueden formar soluciones en estado sólido y el nombre del mineral cambia según el contenido de ThO ₂. La torita (principalmente silicato de torio, ThSiO ₄), también tiene un alto contenido de torio y es el mineral en el que se descubrió por primera vez el torio. En minerales de silicato de torio, el Th y SiO4−4Los iones a menudo se reemplazan con M (donde M = Sc, Y o Ln) y fosfato (PO3−4) iones respectivamente. Debido a la gran insolubilidad del dióxido de torio, el torio no suele propagarse rápidamente por el medio ambiente cuando se libera. El ion Th es soluble, especialmente en suelos ácidos, y en tales condiciones la concentración de torio puede llegar a 40 ppm.

Historia

Informe erróneo

En 1815, el químico sueco Jöns Jacob Berzelius analizó una muestra inusual de gadolinita de una mina de cobre en Falun, Suecia central. Observó trazas impregnadas de un mineral blanco, que con cautela supuso que era una tierra (óxido en la nomenclatura química moderna) de un elemento desconocido. Berzelius ya había descubierto dos elementos, el cerio y el selenio, pero una vez se había equivocado públicamente al anunciar un nuevo elemento, el gahnio, que resultó ser óxido de zinc. Berzelius nombró en privado al elemento putativo "torio" en 1817 y su supuesto óxido "thorina" en honor a Thor, el dios nórdico del trueno.En 1824, después de que se descubrieran más depósitos del mismo mineral en Vest-Agder, Noruega, se retractó de sus hallazgos, ya que el mineral (más tarde llamado xenotima) resultó ser principalmente ortofosfato de itrio.

Descubrimiento

En 1828, Morten Thrane Esmark encontró un mineral negro en la isla de Løvøya, condado de Telemark, Noruega. Fue un sacerdote noruego y mineralogista aficionado que estudió los minerales en Telemark, donde se desempeñó como vicario. Por lo general, enviaba los especímenes más interesantes, como este, a su padre, Jens Esmark, un destacado mineralogista y profesor de mineralogía y geología en la Royal Frederick University en Christiania (hoy llamada Oslo). El anciano Esmark determinó que no era un mineral conocido y envió una muestra a Berzelius para que la examinara. Berzelius determinó que contenía un nuevo elemento. Publicó sus hallazgos en 1829, habiendo aislado una muestra impura mediante la reducción de K[ThF ₅ ] (pentafluorotorato de potasio (IV)) con potasio metálico.Berzelius reutilizó el nombre del supuesto descubrimiento previo del elemento y nombró al mineral fuente torita.

Berzelius hizo algunas caracterizaciones iniciales del nuevo metal y sus compuestos químicos: determinó correctamente que la relación de masa torio-oxígeno del óxido de torio era de 7,5 (su valor real es cercano a eso, ~7,3), pero asumió que el nuevo elemento era divalente. en lugar de tetravalente, por lo que calculó que la masa atómica era 7,5 veces la del oxígeno (120 uma); en realidad es 15 veces más grande. Determinó que el torio era un metal muy electropositivo, por delante del cerio y por detrás del zirconio en electropositividad. El torio metálico fue aislado por primera vez en 1914 por los empresarios holandeses Dirk Lely Jr. y Lodewijk Hamburger.

Clasificación química inicial

En la tabla periódica publicada por Dmitri Mendeleev en 1869, el torio y las tierras raras se colocaron fuera del cuerpo principal de la tabla, al final de cada período vertical después de los metales alcalinotérreos. Esto reflejaba la creencia en ese momento de que el torio y los metales de tierras raras eran divalentes. Con el reconocimiento posterior de que las tierras raras eran en su mayoría trivalentes y el torio era tetravalente, Mendeleev movió el cerio y el torio al grupo IV en 1871, que también contenía el grupo moderno de carbono (grupo 14) y el grupo de titanio (grupo 4), debido a su oxidación máxima. el estado era +4. Pronto se eliminó el cerio del cuerpo principal de la mesa y se colocó en una serie separada de lantánidos; el torio se quedó con el grupo 4 ya que tenía propiedades similares a sus supuestos congéneres más ligeros en ese grupo, como el titanio y el circonio.

Primeros usos

Si bien el torio se descubrió en 1828, su primera aplicación data de 1885, cuando el químico austriaco Carl Auer von Welsbach inventó el manto de gas, una fuente de luz portátil que produce luz a partir de la incandescencia del óxido de torio cuando se calienta quemando combustibles gaseosos. Posteriormente, se encontraron muchas aplicaciones para el torio y sus compuestos, incluidas cerámicas, lámparas de arco de carbón, crisoles resistentes al calor y como catalizadores para reacciones químicas industriales, como la oxidación de amoníaco a ácido nítrico.

Radioactividad

El torio fue observado por primera vez como radiactivo en 1898 por el químico alemán Gerhard Carl Schmidt y más tarde ese mismo año, de forma independiente, por la física polaco-francesa Marie Curie. Fue el segundo elemento que se descubrió que era radiactivo, después del descubrimiento de la radiactividad en el uranio en 1896 por el físico francés Henri Becquerel. A partir de 1899, el físico neozelandés Ernest Rutherford y el ingeniero eléctrico estadounidense Robert Bowie Owens estudiaron la radiación del torio; las observaciones iniciales mostraron que variaba significativamente. Se determinó que estas variaciones procedían de una hija gaseosa de corta duración del torio, que encontraron que era un elemento nuevo. Este elemento ahora se llama radón, el único de los raros radioelementos que se descubre en la naturaleza como un hijo del torio en lugar del uranio.

Después de tener en cuenta la contribución del radón, Rutherford, ahora trabajando con el físico británico Frederick Soddy, mostró cómo el torio se descomponía a una tasa fija a lo largo del tiempo en una serie de otros elementos en un trabajo que data de 1900 a 1903. Esta observación condujo a la identificación de la vida media como uno de los resultados de los experimentos con partículas alfa que condujeron a la teoría de la desintegración de la radiactividad. El efecto biológico de la radiación se descubrió en 1903. El recién descubierto fenómeno de la radiactividad entusiasmó tanto a los científicos como al público en general. En la década de 1920, la radiactividad del torio se promocionó como una cura para el reumatismo, la diabetes y la impotencia sexual. En 1932, la mayoría de estos usos fueron prohibidos en los Estados Unidos después de una investigación federal sobre los efectos de la radiactividad en la salud.10.000 personas en los Estados Unidos habían sido inyectadas con torio durante el diagnóstico por rayos X; Más tarde se descubrió que sufrían problemas de salud como leucemia y cromosomas anormales. El interés público en la radiactividad había disminuido a fines de la década de 1930.

Clasificación adicional

Hasta finales del siglo XIX, los químicos acordaron por unanimidad que el torio y el uranio eran los miembros más pesados ​​del grupo 4 y el grupo 6, respectivamente; la existencia de los lantánidos en la sexta fila se consideró una casualidad única. En 1892, el químico británico Henry Bassett postuló una segunda fila de tabla periódica extra larga para acomodar elementos conocidos y no descubiertos, considerando que el torio y el uranio eran análogos a los lantánidos. En 1913, el físico danés Niels Bohr publicó un modelo teórico del átomo y sus orbitales electrónicos, que pronto obtuvo una amplia aceptación. El modelo indicó que la séptima fila de la tabla periódica también debería tener capas f antes de las capas d que se llenaron en los elementos de transición, como la sexta fila con los lantánidos que preceden a los metales de transición 5d.La existencia de una segunda serie de transición interna, en forma de actínidos, no fue aceptada hasta que se establecieron similitudes con las estructuras electrónicas de los lantánidos; Bohr sugirió que el llenado de los orbitales 5f podría retrasarse hasta después del uranio.

Fue solo con el descubrimiento de los primeros elementos transuránicos, que desde el plutonio en adelante tienen estados de oxidación dominantes +3 y +4 como los lantánidos, que se dio cuenta de que los actínidos llenaban los orbitales f en lugar de los orbitales d, con el la química similar a la de los metales de transición de los primeros actínidos es la excepción y no la regla. En 1945, cuando el físico estadounidense Glenn T. Seaborg y su equipo descubrieron los elementos transuránicos americio y curio, propuso el concepto de actínido y se dio cuenta de que el torio era el segundo miembro de una serie de actínidos del bloque f análoga a los lantánidos, en lugar de ser el congénere más pesado del hafnio en una cuarta fila del bloque d.

Eliminación gradual

En la década de 1990, la mayoría de las aplicaciones que no dependen de la radiactividad del torio se redujeron rápidamente debido a preocupaciones ambientales y de seguridad, ya que se encontraron reemplazos adecuados más seguros. A pesar de su radiactividad, el elemento se ha mantenido en uso para aplicaciones en las que no se pudieron encontrar alternativas adecuadas. Un estudio de 1981 realizado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos estimó que el uso de un manto de gas de torio todos los fines de semana sería seguro para una persona, pero no fue así para la dosis recibida por las personas que fabrican los mantos o para los suelos alrededor de algunos sitios de fábrica. Algunos fabricantes han cambiado a otros materiales, como el itrio.Recientemente, en 2007, algunas empresas continuaron fabricando y vendiendo mantos de torio sin brindar información adecuada sobre su radiactividad, y algunas incluso afirmaron falsamente que no eran radiactivos.

La energía nuclear

El torio se ha utilizado como fuente de energía a escala de prototipo. El primer reactor a base de torio se construyó en el Indian Point Energy Center ubicado en Buchanan, Nueva York, Estados Unidos en 1962. China puede ser el primero en tener la oportunidad de comercializar la tecnología. El país con las mayores reservas estimadas de torio del mundo es India, que tiene escasas reservas de uranio. En la década de 1950, India apuntó a lograr la independencia energética con su programa de energía nuclear de tres etapas. En la mayoría de los países, el uranio era relativamente abundante y el progreso de los reactores a base de torio era lento; en el siglo XX se construyeron tres reactores en India y doce en otros lugares.La Agencia Internacional de Energía Atómica inició una investigación a gran escala en 1996 para estudiar el uso de reactores de torio; un año después, el Departamento de Energía de los Estados Unidos inició su investigación. Alvin Radkowsky, de la Universidad de Tel Aviv en Israel, fue el diseñador principal de la central nuclear de Shippingport en Pensilvania, el primer reactor civil estadounidense que generó torio. Fundó un consorcio para desarrollar reactores de torio, que incluía otros laboratorios: Raytheon Nuclear Inc. y el Laboratorio Nacional Brookhaven en los Estados Unidos, y el Instituto Kurchatov en Rusia.

En el siglo XXI, el potencial del torio para reducir la proliferación nuclear y sus características de desecho generó un interés renovado en el ciclo del combustible del torio. India ha proyectado satisfacer hasta el 30% de sus demandas eléctricas a través de energía nuclear basada en torio para 2050. En febrero de 2014, el Centro de Investigación Atómica Bhabha (BARC), en Mumbai, India, presentó su último diseño para una "nueva generación nuclear". reactor" que quema torio como mineral combustible, llamándolo Reactor Avanzado de Agua Pesada (AHWR). En 2009, el presidente de la Comisión de Energía Atómica de la India dijo que India tiene un "objetivo a largo plazo de volverse independiente de la energía en función de sus vastos recursos de torio".

Armas nucleares

Cuando se produjeron por primera vez cantidades de plutonio en gramos en el Proyecto Manhattan, se descubrió que un isótopo menor (Pu) experimentó una fisión espontánea significativa, lo que puso en duda la viabilidad de un arma nuclear tipo pistola alimentada con plutonio. Mientras que el equipo de Los Alamos comenzó a trabajar en el arma de tipo implosión para evitar este problema, el equipo de Chicago discutió las soluciones de diseño del reactor. Eugene Wigner propuso utilizar el plutonio contaminado con Pu para impulsar la conversión de torio en U en un reactor convertidor especial. Se planteó la hipótesis de que la U se podría usar en un arma tipo pistola, aunque las preocupaciones sobre la contaminación deU fue expresado. El progreso en el arma de implosión fue suficiente y este convertidor no se desarrolló más, pero el diseño tuvo una enorme influencia en el desarrollo de la energía nuclear. Fue la primera descripción detallada de un reactor moderado por agua, refrigerado por agua altamente enriquecido, similar a los futuros reactores de potencia comerciales y navales.

Durante la Guerra Fría, Estados Unidos exploró la posibilidad de utilizar Th como fuente de U para una bomba nuclear; dispararon una bomba de prueba en 1955. Llegaron a la conclusión de que una bomba disparada con U sería un arma muy potente, pero tenía pocas "ventajas técnicas" sostenibles sobre las bombas contemporáneas de uranio-plutonio, especialmente porque el U es difícil de producir en isotópicamente puro. forma.

El torio metálico se utilizó en el caso de radiación de al menos un diseño de arma nuclear desplegado por los Estados Unidos (el W71).

Producción

País	Reservas
India	1070
Brasil	632
Australia	595
Estados Unidos	595
Egipto	380
Pavo	374
Venezuela	300
Canadá	172
Rusia	155
Sudáfrica	148
Porcelana	100
Noruega	87
Groenlandia	86
Finlandia	60.5
Suecia	50
Kazajistán	50
Otros países	1,725
total mundial	6579.5

La baja demanda hace que las minas en funcionamiento para la extracción de torio solo no sean rentables, y casi siempre se extrae con tierras raras, que en sí mismas pueden ser subproductos de la producción de otros minerales. La dependencia actual de la monacita para la producción se debe a que el torio se produce en gran medida como subproducto; otras fuentes, como la torita, contienen más torio y podrían utilizarse fácilmente para la producción si aumentara la demanda. El conocimiento actual de la distribución de los recursos de torio es escaso, ya que la baja demanda ha llevado a que los esfuerzos de exploración sean relativamente menores. En 2014, la producción mundial del concentrado de monacita, del que se extraería el torio, fue de 2.700 toneladas.

La ruta de producción común de torio constituye la concentración de minerales de torio; extracción de torio del concentrado; purificación de torio; y (opcionalmente) conversión a compuestos, tales como dióxido de torio.

Concentración

Hay dos categorías de minerales de torio para la extracción de torio: primaria y secundaria. Los depósitos primarios ocurren en magmas graníticos ácidos y pegmatitas. Son concentrados, pero de pequeño tamaño. Los depósitos secundarios ocurren en las desembocaduras de los ríos en las regiones montañosas graníticas. En estos depósitos, el torio se enriquece junto con otros minerales pesados. La concentración inicial varía con el tipo de depósito.

Para los depósitos primarios, las pegmatitas de origen, que generalmente se obtienen mediante minería, se dividen en partes pequeñas y luego se someten a flotación. Los carbonatos de metales alcalinotérreos pueden eliminarse después de la reacción con cloruro de hidrógeno; luego sigue el espesamiento, la filtración y la calcinación. El resultado es un concentrado con un contenido de tierras raras de hasta el 90%. Los materiales secundarios (como las arenas costeras) se separan por gravedad. Sigue la separación magnética, con una serie de imanes de fuerza creciente. La monacita obtenida por este método puede tener una pureza del 98 %.

La producción industrial en el siglo XX se basaba en el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado caliente en recipientes de hierro fundido, seguido de precipitación selectiva por dilución con agua, como en los pasos posteriores. Este método se basó en las especificaciones de la técnica y el tamaño de grano del concentrado; Se han propuesto muchas alternativas, pero solo una ha demostrado su eficacia económica: la digestión alcalina con solución de hidróxido de sodio caliente. Este es más costoso que el método original pero produce una mayor pureza de torio; en particular, elimina los fosfatos del concentrado.

Digestión ácida

La digestión ácida es un proceso de dos etapas que implica el uso de hasta un 93 % de ácido sulfúrico a 210–230 °C. Primero, se agrega ácido sulfúrico en exceso del 60% de la masa de arena, espesando la mezcla de reacción a medida que se forman los productos. Luego, se agrega ácido sulfúrico fumante y la mezcla se mantiene a la misma temperatura durante otras cinco horas para reducir el volumen de solución que queda después de la dilución. La concentración del ácido sulfúrico se selecciona en función de la velocidad de reacción y la viscosidad, que aumentan con la concentración, aunque la viscosidad retarda la reacción. El aumento de la temperatura también acelera la reacción, pero se deben evitar temperaturas de 300 °C y superiores, ya que provocan la formación de pirofosfato de torio insoluble. Dado que la disolución es muy exotérmica, la arena de monacita no se puede agregar al ácido demasiado rápido. En cambio, a temperaturas por debajo de 200 °C, la reacción no es lo suficientemente rápida para que el proceso sea práctico. Para garantizar que no se formen precipitados que bloqueen la superficie reactiva de la monacita, la masa de ácido utilizada debe ser el doble de la de la arena, en lugar del 60% que se esperaría de la estequiometría. Luego, la mezcla se enfría a 70 °C y se diluye con diez veces su volumen de agua fría, de modo que cualquier monacita restante se hunda hasta el fondo mientras que las tierras raras y el torio permanecen en solución. Luego, el torio se puede separar precipitándolo como fosfato a un pH de 1,3, ya que las tierras raras no precipitan hasta un pH de 2. en lugar del 60% que se esperaría de la estequiometría. Luego, la mezcla se enfría a 70 °C y se diluye con diez veces su volumen de agua fría, de modo que cualquier monacita restante se hunda hasta el fondo mientras que las tierras raras y el torio permanecen en solución. Luego, el torio se puede separar precipitándolo como fosfato a un pH de 1,3, ya que las tierras raras no precipitan hasta un pH de 2. en lugar del 60% que se esperaría de la estequiometría. Luego, la mezcla se enfría a 70 °C y se diluye con diez veces su volumen de agua fría, de modo que cualquier monacita restante se hunda hasta el fondo mientras que las tierras raras y el torio permanecen en solución. Luego, el torio se puede separar precipitándolo como fosfato a un pH de 1,3, ya que las tierras raras no precipitan hasta un pH de 2.

Digestión alcalina

La digestión alcalina se lleva a cabo en una solución de hidróxido de sodio al 30-45 % a unos 140 °C durante unas tres horas. Una temperatura demasiado alta conduce a la formación de óxido de torio poco soluble y un exceso de uranio en el filtrado, y una concentración demasiado baja de álcali conduce a una reacción muy lenta. Estas condiciones de reacción son bastante suaves y requieren arena de monacita con un tamaño de partícula inferior a 45 μm. Después de la filtración, la torta del filtro incluye torio y tierras raras como sus hidróxidos, uranio como diuranato de sodio y fosfato como fosfato trisódico. Este cristaliza el fosfato trisódico decahidratado cuando se enfría por debajo de 60 °C; las impurezas de uranio en este producto aumentan con la cantidad de dióxido de silicio en la mezcla de reacción, por lo que se requiere la recristalización antes del uso comercial. Los hidróxidos se disuelven a 80 °C en ácido clorhídrico al 37%. La filtración de los precipitados restantes seguida de la adición de hidróxido de sodio al 47% da como resultado la precipitación de torio y uranio a un pH de aproximadamente 5,8. Debe evitarse el secado completo del precipitado, ya que el aire puede oxidar el cerio del estado de oxidación +3 al +4, y el cerio(IV) formado puede liberar cloro libre del ácido clorhídrico. Las tierras raras precipitan nuevamente a un pH más alto. Los precipitados son neutralizados por la solución original de hidróxido de sodio, aunque primero se debe eliminar la mayor parte del fosfato para evitar la precipitación de fosfatos de tierras raras. La extracción con solventes también se puede utilizar para separar el torio y el uranio, disolviendo la torta de filtración resultante en ácido nítrico. La presencia de hidróxido de titanio es perjudicial ya que se une al torio y evita que se disuelva por completo.

Purificación

Se necesitan altas concentraciones de torio en aplicaciones nucleares. En particular, las concentraciones de átomos con secciones transversales de captura de neutrones altas deben ser muy bajas (por ejemplo, las concentraciones de gadolinio deben ser inferiores a una parte por millón en peso). Anteriormente, se usaba disolución y recristalización repetidas para lograr una alta pureza. Hoy en día, se utilizan procedimientos de extracción con disolventes líquidos que implican la complejación selectiva de Th. Por ejemplo, después de la digestión alcalina y la eliminación del fosfato, los complejos de nitrato resultantes de torio, uranio y tierras raras pueden separarse mediante extracción con fosfato de tributilo en queroseno.

Aplicaciones modernas

Los usos del torio no relacionados con la radiactividad han ido en declive desde la década de 1950 debido a preocupaciones ambientales derivadas en gran medida de la radiactividad del torio y sus productos de descomposición.

La mayoría de las aplicaciones de torio utilizan su dióxido (a veces llamado "torio" en la industria), en lugar del metal. Este compuesto tiene un punto de fusión de 3300 °C (6000 °F), el más alto de todos los óxidos conocidos; solo unas pocas sustancias tienen puntos de fusión más altos. Esto ayuda a que el compuesto permanezca sólido en una llama y aumenta considerablemente el brillo de la llama; esta es la razón principal por la que se utiliza torio en los mantos de las lámparas de gas. Todas las sustancias emiten energía (brillo) a altas temperaturas, pero la luz emitida por el torio está casi toda en el espectro visible, de ahí el brillo de los mantos de torio.

La energía, parte de ella en forma de luz visible, se emite cuando el torio se expone a una fuente de energía propia, como un rayo catódico, el calor o la luz ultravioleta. Este efecto lo comparte el dióxido de cerio, que convierte la luz ultravioleta en luz visible de manera más eficiente, pero el dióxido de torio proporciona una temperatura de llama más alta y emite menos luz infrarroja. El torio en los mantos, aunque sigue siendo común, ha sido reemplazado progresivamente por itrio desde finales de la década de 1990. Según la revisión de 2005 realizada por la Junta Nacional de Protección Radiológica del Reino Unido, "aunque [los mantos de gas toriado] estaban ampliamente disponibles hace unos años, ya no lo están". El torio también se usa para fabricar generadores de iones negativos permanentes y baratos, como en las pulseras de salud pseudocientíficas.

Durante la producción de filamentos incandescentes, la recristalización del tungsteno se reduce significativamente agregando pequeñas cantidades de dióxido de torio al polvo de sinterización de tungsteno antes de estirar los filamentos. Una pequeña adición de torio a los termocátodos de tungsteno reduce considerablemente la función de trabajo de los electrones; como resultado, los electrones se emiten a temperaturas considerablemente más bajas. El torio forma una capa de un átomo de espesor en la superficie del tungsteno. La función de trabajo de una superficie de torio se reduce posiblemente debido al campo eléctrico en la interfaz entre el torio y el tungsteno formado debido a la mayor electropositividad del torio.Desde la década de 1920, los alambres de tungsteno toriados se han utilizado en tubos electrónicos y en los cátodos y anticátodos de los tubos de rayos X y rectificadores. Gracias a la reactividad del torio con el oxígeno y el nitrógeno atmosféricos, el torio también actúa como captador de impurezas en los tubos de vacío. La introducción de transistores en la década de 1950 disminuyó significativamente este uso, pero no del todo. El dióxido de torio se utiliza en la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) para aumentar la resistencia a altas temperaturas de los electrodos de tungsteno y mejorar la estabilidad del arco. El óxido de torio se está reemplazando en este uso con otros óxidos, como los de circonio, cerio y lantano.

El dióxido de torio se encuentra en cerámicas resistentes al calor, como crisoles de laboratorio de alta temperatura, ya sea como ingrediente principal o como adición al dióxido de circonio. Una aleación de 90 % de platino y 10 % de torio es un catalizador eficaz para oxidar el amoníaco a óxidos de nitrógeno, pero ha sido reemplazada por una aleación de 95 % de platino y 5 % de rodio debido a sus mejores propiedades mecánicas y mayor durabilidad.

Cuando se agrega al vidrio, el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y disminuir la dispersión. Tal vidrio encuentra aplicación en lentes de alta calidad para cámaras e instrumentos científicos. La radiación de estos lentes puede oscurecerlos y volverlos amarillos durante un período de años y degrada la película, pero los riesgos para la salud son mínimos. Los lentes amarillentos pueden restaurarse a su estado incoloro original mediante una exposición prolongada a la radiación ultravioleta intensa. Desde entonces, el dióxido de torio ha sido reemplazado en esta aplicación por óxidos de tierras raras, como el lantano, ya que proporcionan efectos similares y no son radiactivos.

El tetrafluoruro de torio se utiliza como material antirreflectante en revestimientos ópticos multicapa. Es transparente a las ondas electromagnéticas que tienen longitudes de onda en el rango de 0,350 a 12 µm, un rango que incluye luz ultravioleta cercana, visible e infrarroja media. Su radiación se debe principalmente a las partículas alfa, que pueden detenerse fácilmente con una fina capa de cobertura de otro material. Se están desarrollando reemplazos para el tetrafluoruro de torio a partir de la década de 2010, que incluyen trifluoruro de lantano.

Las aleaciones Mag-Thor (también llamadas magnesio toriado) encontraron uso en algunas aplicaciones aeroespaciales, aunque tales usos se han eliminado debido a preocupaciones sobre la radiactividad.

Uso potencial de la energía nuclear

La principal fuente de energía nuclear en un reactor es la fisión de un nucleido inducida por neutrones; los núcleos fisionables sintéticos U y Pu pueden generarse a partir de la captura de neutrones por los nucleidos de cantidad naturales Th y U. U ocurre naturalmente y también es fisionable. En el ciclo del combustible del torio, el isótopo fértil Th es bombardeado por neutrones lentos, lo que lo captura para convertirse en Th, que sufre dos desintegraciones beta consecutivas para convertirse primero en Pa y luego en U fisionable:₉₀el+ 3 norte →₉₀el+ γ + 2 norteβ→21,8 minutos ₉₁Pensilvania+ norteβ→27,0 días ₉₂tuα→1,60 × 10y

El U es fisionable y puede usarse como combustible nuclear de la misma manera que el U o el Pu. Cuando U sufre fisión nuclear, los neutrones emitidos pueden golpear más núcleos de Th, continuando el ciclo. Esto es paralelo al ciclo del combustible de uranio en los reactores reproductores rápidos donde el U se somete a la captura de neutrones para convertirse en U, la beta se descompone primero en Np y luego en Pu fisionable.

Ventajas

El torio es más abundante que el uranio y puede satisfacer la demanda mundial de energía durante más tiempo. Es particularmente adecuado para ser utilizado como material fértil en reactores de sales fundidas.

Th absorbe neutrones más fácilmente que U, y U tiene una mayor probabilidad de fisión tras la captura de neutrones (92,0 %) que U (85,5 %) o Pu (73,5 %). También libera más neutrones en la fisión en promedio. La captura de un solo neutrón por U produce desechos transuránicos junto con el Pu fisionable, pero Th solo produce estos desechos después de cinco capturas, formando Np. Este número de capturas no ocurre para el 98-99% de los núcleos Th porque los productos intermedios U oU sufre fisión y se producen menos transuránicos de larga vida. Debido a esto, el torio es una alternativa potencialmente atractiva al uranio en combustibles de óxidos mixtos para minimizar la generación de transuránicos y maximizar la destrucción de plutonio.

Los combustibles de torio dan como resultado un núcleo de reactor más seguro y de mejor rendimiento porque el dióxido de torio tiene un punto de fusión más alto, una conductividad térmica más alta y un coeficiente de expansión térmica más bajo. Es más estable químicamente que el ahora común dióxido de uranio como combustible, porque este último se oxida a octóxido de triuranio (U ₃ O ₈), volviéndose sustancialmente menos denso.

Desventajas

El combustible usado es difícil y peligroso de reprocesar porque muchas de las hijas de Th y U son fuertes emisores de rayos gamma. Todos los métodos de producción de U dan como resultado impurezas de U, ya sea por reacciones parásitas de desactivación (n,2n) en Th, Pa o U que resultan en la pérdida de un neutrón, o por la captura de doble neutrón de Th, una impureza en la naturaleza. jue:₉₀el+ norte →₉₀el+ γ β→25,5 horas ₉₁Pensilvaniaα→3,28 × 10y­₉₁Pensilvania+ norte →₉₁Pensilvania+ γ β→1,3 días ₉₂tuα→69 años

U por sí mismo no es particularmente dañino, pero se desintegra rápidamente para producir el potente emisor gamma Tl. (Th sigue la misma cadena de descomposición, pero su vida media mucho más larga significa que las cantidades de Tl producidas son insignificantes). Estas impurezas de U hacen que U sea fácil de detectar y peligroso para trabajar, y la impracticabilidad de su separación limita las posibilidades. de proliferación nuclear usando U como material fisionable. Pa tiene una vida media relativamente larga de 27 días y una sección transversal alta para la captura de neutrones. Por lo tanto, es un veneno de neutrones: en lugar de decaer rápidamente en U útil, una cantidad significativa de Pa se convierte en U y consume neutrones, degradando la eficiencia del reactor. Para evitar esto,El Pa se extrae de la zona activa de los reactores de sales fundidas de torio durante su funcionamiento, por lo que no tiene posibilidad de capturar un neutrón y solo decaerá a U.

Es necesario dominar la irradiación de Th con neutrones, seguida de su procesamiento, antes de poder aprovechar estas ventajas, y esto requiere una tecnología más avanzada que el ciclo del combustible de uranio y plutonio; la investigación continúa en esta área. Otros citan la baja viabilidad comercial del ciclo del combustible del torio: la Agencia Internacional de Energía Nuclear predice que el ciclo del torio nunca será comercialmente viable mientras el uranio esté disponible en abundancia, una situación que puede persistir "en las próximas décadas". La mayoría de los isótopos producidos en el ciclo del combustible del torio no son transuránicos, pero algunos de ellos siguen siendo muy peligrosos, como el Pa, que tiene una vida media de 32 760 años y es uno de los principales contribuyentes a la radiotoxicidad a largo plazo del combustible nuclear gastado..

Riesgos

Radiológico

El torio natural se desintegra muy lentamente en comparación con muchos otros materiales radiactivos y la radiación alfa emitida no puede penetrar la piel humana. Como resultado, el manejo de pequeñas cantidades de torio, como las que se encuentran en los mantos de gas, se considera seguro, aunque el uso de dichos elementos puede presentar algunos riesgos. La exposición a un aerosol de torio, como el polvo contaminado, puede aumentar el riesgo de cáncer de pulmón, páncreas y sangre, ya que la radiación alfa puede penetrar en los pulmones y otros órganos internos. La exposición interna al torio conduce a un mayor riesgo de enfermedades hepáticas.

Los productos de descomposición de Th incluyen radionúclidos más peligrosos como el radio y el radón. Aunque relativamente pocos de esos productos se crean como resultado de la lenta descomposición del torio, una evaluación adecuada de la toxicidad radiológica de Th debe incluir la contribución de sus descendientes, algunos de los cuales son peligrosos emisores de rayos gamma, y ​​que se acumulan rápidamente después de la descomposición inicial de Th debido a la ausencia de nucleidos de vida larga a lo largo de la cadena de descomposición. Como los peligrosos hijos del torio tienen puntos de fusión mucho más bajos que el dióxido de torio, se volatilizan cada vez que se calienta el manto para su uso. En la primera hora de uso se liberan grandes fracciones de los hijos del torio Ra, Ra, Pb y Bi.La mayor parte de la dosis de radiación de un usuario normal surge de la inhalación del radio, lo que da como resultado una dosis de radiación de hasta 0,2 milisieverts por uso, aproximadamente un tercio de la dosis sostenida durante una mamografía.

Algunas agencias de seguridad nuclear hacen recomendaciones sobre el uso de mantos de torio y han planteado preocupaciones de seguridad con respecto a su fabricación y eliminación; la dosis de radiación de un manto no es un problema grave, pero sí lo es la de muchos mantos reunidos en fábricas o vertederos.

Biológico

El torio es inodoro e insípido. La toxicidad química del torio es baja porque el torio y sus compuestos más comunes (principalmente el dióxido) son poco solubles en agua y se precipitan antes de ingresar al cuerpo como hidróxido. Algunos compuestos de torio son químicamente moderadamente tóxicos, especialmente en presencia de iones fuertes formadores de complejos, como el citrato, que transportan el torio al cuerpo en forma soluble. Si un objeto que contiene torio ha sido masticado o succionado, pierde el 0,4% del torio y el 90% de sus hijas peligrosas en el cuerpo. Las tres cuartas partes del torio que ha penetrado en el cuerpo se acumulan en el esqueleto. La absorción a través de la piel es posible, pero no es un medio probable de exposición.La baja solubilidad del torio en agua también significa que la excreción de torio por los riñones y las heces es bastante lenta.

Las pruebas sobre la absorción de torio de los trabajadores involucrados en el procesamiento de monacita mostraron niveles de torio superiores a los límites recomendados en sus cuerpos, pero no se encontraron efectos adversos para la salud en esas concentraciones moderadamente bajas. Aún no se ha observado toxicidad química en el tracto traqueobronquial y los pulmones debido a la exposición al torio. Las personas que trabajan con compuestos de torio corren el riesgo de sufrir dermatitis. Pueden pasar hasta treinta años después de la ingestión de torio para que los síntomas se manifiesten. El torio no tiene un papel biológico conocido.

Químico

El torio metálico en polvo es pirofórico: se enciende espontáneamente en el aire. En 1964, el Departamento del Interior de los Estados Unidos incluyó el torio como "grave" en una tabla titulada "Ignición y explosividad de polvos metálicos". Su temperatura de ignición fue de 270 °C (520 °F) para nubes de polvo y de 280 °C (535 °F) para capas. Su concentración explosiva mínima se enumeró como 0,075 oz / pie cúbico (0,075 kg / m); la energía mínima de ignición para el polvo (no submicrónico) figuraba en 5 mJ.

En 1956, se produjo la explosión de Sylvania Electric Products durante el reprocesamiento y la quema de lodos de torio en la ciudad de Nueva York, Estados Unidos. Nueve personas resultaron heridas; uno murió por complicaciones causadas por quemaduras de tercer grado.

Vías de exposición

El torio existe en cantidades muy pequeñas en todas partes de la Tierra, aunque existen cantidades mayores en ciertas partes: el ser humano promedio contiene alrededor de 40 microgramos de torio y normalmente consume tres microgramos por día. La mayor parte de la exposición al torio se produce a través de la inhalación de polvo; algo de torio viene con los alimentos y el agua, pero debido a su baja solubilidad, esta exposición es insignificante.

La exposición aumenta para las personas que viven cerca de depósitos de torio o sitios de eliminación de desechos radiactivos, aquellos que viven cerca o trabajan en fábricas de procesamiento de uranio, fosfato o estaño, y para aquellos que trabajan en la producción de capas de gas. El torio es especialmente común en las áreas costeras de Tamil Nadu en India, donde los residentes pueden estar expuestos a una dosis de radiación natural diez veces mayor que el promedio mundial. También es común en las áreas costeras del norte de Brasil, desde el sur de Bahía hasta Guarapari, una ciudad con playas de arena de monacita radioactiva, con niveles de radiación hasta 50 veces más altos que la radiación de fondo promedio mundial.

Otra posible fuente de exposición es el polvo de torio producido en los campos de pruebas de armas, ya que el torio se utiliza en los sistemas de guía de algunos misiles. Esto ha sido culpado por una alta incidencia de defectos de nacimiento y cáncer en Salto di Quirra en la isla italiana de Cerdeña.