Californio - Californium

Californio,  98 Cf
Un disco muy pequeño de metal plateado, ampliado para mostrar su textura metálica.
Californio
Pronunciación / ˌ k æ l ɪ f ɔr n i ə m / ( KAL -if- O -nee-əm )
Apariencia plateado
Número de masa [251]
Californio en la tabla periódica
Hidrógeno Helio
Litio Berilio Boro Carbón Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón
Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Argón
Potasio Calcio Escandio Titanio Vanadio Cromo Manganeso Planchar Cobalto Níquel Cobre Zinc Galio Germanio Arsénico Selenio Bromo Criptón
Rubidio Estroncio Itrio Circonio Niobio Molibdeno Tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio Indio Estaño Antimonio Telurio Yodo Xenón
Cesio Bario Lantano Cerio Praseodimio Neodimio Prometeo Samario Europio Gadolinio Terbio Disprosio Holmio Erbio Tulio Iterbio Lutecio Hafnio Tantalio Tungsteno Renio Osmio Iridio Platino Oro Mercurio (elemento) Talio Dirigir Bismuto Polonio Astatine Radón
Francio Radio Actinio Torio Protactinio Uranio Neptunio Plutonio Americio Curio Berkelio Californio Einstenio Fermio Mendelevio Nobelio Lawrencium Rutherfordio Dubnium Seaborgio Bohrium Hassium Meitnerio Darmstadtium Roentgenio Copérnico Nihonium Flerovio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Dy

Cf

(Upb)
berkeliocalifornioeinstenio
Número atómico ( Z ) 98
Grupo grupo n / a
Período período 7
Cuadra   f-bloque
Configuración electronica [ Rn ] 5f 10 7s 2
Electrones por capa 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
Propiedades físicas
Fase en  STP sólido
Punto de fusion 1173  K (900 ° C, 1652 ° F)
Punto de ebullición 1743 K (1470 ° C, 2678 ° F) (estimación)
Densidad (cerca de  rt ) 15,1 g / cm 3
Propiedades atómicas
Estados de oxidación +2, +3 , +4, +5
Electronegatividad Escala de Pauling: 1.3
Energías de ionización
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales de californio
Otras propiedades
Ocurrencia natural sintético
Estructura cristalina doble hexagonal compacta (DHCP)
Estructura de cristal compacto hexagonal doble para californio
Dureza de Mohs 3-4
Número CAS 7440-71-3
Historia
Nombrar después de California , donde fue descubierto
Descubrimiento Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (1950)
Isótopos principales del californio
Isótopo Abundancia Vida media ( t 1/2 ) Modo de decaimiento Producto
248 Cf syn 333,5 días α (100%) 244 cm
SF  (2,9 × 10 −3 %) -
249 Cf syn 351 años α (100%) 245 cm
SF (5,0 × 10 −7 %) -
250 Cf syn 13,08 años α (99,92%) 246 cm
SF (0,08%) -
251 Cf syn 898 años α 247 cm
252 Cf syn 2.645 años α (96,91%) 248 cm
SF (3,09%) -
253 Cf syn 17,81 días β - (99,69%) 253 Es
α (0,31%) 249 cm
254 Cf syn 60,5 días SF (99,69%) -
α (0,31%) 250 cm
Categoría Categoría: Californio
| referencias

El californio es un elemento químico radiactivo con el símbolo Cf y número atómico 98. El elemento se sintetizó por primera vez en 1950 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (entonces el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California), bombardeando curio con partículas alfa ( iones helio-4 ). . Es un elemento actínido , el sexto elemento transuránico que se sintetiza , y tiene la segunda masa atómica más alta de todos los elementos que se han producido en cantidades lo suficientemente grandes como para verlas a simple vista (después del einstenio ). El elemento recibió su nombre de la universidad y del estado estadounidense de California .

Existen dos formas cristalinas para el californio bajo presión normal: una por encima y otra por debajo de 900 ° C (1,650 ° F). Existe una tercera forma a alta presión. El californio se empaña lentamente en el aire a temperatura ambiente. Los compuestos de californio están dominados por el estado de oxidación +3 . El más estable de los veinte isótopos conocidos del californio es el californio-251, que tiene una vida media de 898 años. Esta corta vida media significa que el elemento no se encuentra en cantidades significativas en la corteza terrestre. El californio-252, con una vida media de aproximadamente 2.645 años, es el isótopo más comúnmente utilizado y se produce en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos y en el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Rusia.

El californio es uno de los pocos elementos transuránicos que tienen aplicaciones prácticas. La mayoría de estas aplicaciones aprovechan la propiedad de ciertos isótopos del californio para emitir neutrones . Por ejemplo, el californio se puede utilizar para ayudar a poner en marcha reactores nucleares y se emplea como fuente de neutrones cuando se estudian materiales mediante difracción de neutrones y espectroscopia de neutrones . El californio también se puede utilizar en la síntesis nuclear de elementos de mayor masa; oganesson (elemento 118) se sintetizó bombardeando átomos de californio-249 con iones de calcio-48 . Los usuarios de californio deben tener en cuenta las preocupaciones radiológicas y la capacidad del elemento para interrumpir la formación de glóbulos rojos mediante la bioacumulación en el tejido esquelético.

Caracteristicas

Propiedades físicas

El californio es un metal actínido de color blanco plateado con un punto de fusión de 900 ± 30 ° C (1,650 ± 50 ° F) y un punto de ebullición estimado de 1,745 K (1,470 ° C; 2,680 ° F). El metal puro es maleable y se corta fácilmente con una cuchilla de afeitar. El metal de californio comienza a vaporizarse por encima de los 300 ° C (570 ° F) cuando se expone al vacío. Por debajo de 51 K (-222 ° C; -368 ° F) el metal de californio es ferromagnético o ferrimagnético (actúa como un imán), entre 48 y 66 K es antiferromagnético (un estado intermedio) y por encima de 160 K (−113 ° C; −172 ° F) es paramagnético (los campos magnéticos externos pueden hacerlo magnético). Forma aleaciones con metales lantánidos , pero se sabe poco sobre los materiales resultantes.

El elemento tiene dos formas cristalinas a presión atmosférica estándar : una forma compacta doble hexagonal denominada alfa (α) y una forma cúbica centrada en la cara designada beta (β). La forma α existe por debajo de 600–800 ° C con una densidad de 15,10 g / cm 3 y la forma β existe por encima de 600–800 ° C con una densidad de 8,74 g / cm 3 . A 48  GPa de presión, la forma β cambia a un sistema cristalino ortorrómbico debido a la deslocalización de los electrones 5f del átomo , lo que los libera para unirse.

El módulo de volumen de un material es una medida de su resistencia a la presión uniforme. El módulo volumétrico del californio es50 ± 5 GPa , que es similar a los metales lantánidos trivalentes pero más pequeño que los metales más familiares, como el aluminio (70 GPa).

Propiedades y compuestos químicos

Compuestos de californio representativos
estado compuesto fórmula color
+2 bromuro de californio (II) CfBr 2 amarillo
+2 yoduro de californio (II) CfI 2 Violeta oscuro
+3 óxido de californio (III) Cf 2 O 3 amarillo verde
+3 fluoruro de californio (III) CfF 3 verde brillante
+3 cloruro de californio (III) CfCl 3 verde esmeralda
+3 bromuro de californio (III) CfBr 3 verde amarillento
+3 yoduro de californio (III) CfI 3 Limon amarillo
+3 poliborato de californio (III) Cf [B 6 O 8 (OH) 5 ] Verde pálido
+4 óxido de californio (IV) CfO 2 marrón oscuro
+4 fluoruro de californio (IV) CfF 4 verde

El californio exhibe estados de oxidación de 4, 3 o 2. Por lo general, forma ocho o nueve enlaces con los átomos o iones circundantes. Se prevé que sus propiedades químicas sean similares a las de otros elementos principalmente actínidos de valencia 3+ y al elemento disprosio , que es el lantánido por encima del californio en la tabla periódica. Los compuestos en el estado de oxidación +4 son agentes oxidantes fuertes y los del estado +2 son agentes reductores fuertes .

El elemento se empaña lentamente en el aire a temperatura ambiente, y la tasa aumenta cuando se agrega humedad. El californio reacciona cuando se calienta con hidrógeno , nitrógeno o un calcógeno (elemento de la familia del oxígeno); las reacciones con hidrógeno seco y ácidos minerales acuosos son rápidas.

El californio solo es soluble en agua como catión californio (III) . Los intentos de reducir u oxidar el ion +3 en solución han fallado. El elemento forma un cloruro , nitrato , perclorato y sulfato solubles en agua y se precipita como fluoruro , oxalato o hidróxido . El californio es el actínido más pesado que exhibe propiedades covalentes, como se observa en el borato de californio.

Isótopos

Se han caracterizado veinte radioisótopos de californio, siendo el más estable el californio-251 con una vida media de 898 años, el californio-249 con una vida media de 351 años, el californio-250 con una vida media de 13,08 años y el californio -252 con una vida media de 2.645 años. Todos los isótopos restantes tienen vidas medias inferiores a un año, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 20 minutos. Los isótopos del californio varían en número de masa de 237 a 256.

El californio-249 se forma a partir de la desintegración beta del berkelio-249, y la mayoría de los otros isótopos de californio se obtienen sometiendo el berkelio a una intensa radiación de neutrones en un reactor nuclear . Aunque el californio-251 tiene la vida media más larga, su rendimiento de producción es solo del 10% debido a su tendencia a recolectar neutrones (alta captura de neutrones ) y su tendencia a interactuar con otras partículas (alta sección transversal de neutrones ).

El californio-252 es un emisor de neutrones muy fuerte , lo que lo hace extremadamente radiactivo y dañino. El californio-252 sufre desintegración alfa el 96,9% de las veces para formar curio -248, mientras que el 3,1% restante de las desintegraciones son fisión espontánea . Un microgramo (μg) de californio-252 emite 2,3 millones de neutrones por segundo, un promedio de 3,7 neutrones por fisión espontánea. La mayoría de los otros isótopos de californio se desintegran en isótopos de curio ( número atómico 96) a través de la desintegración alfa.

Historia

Grandes piezas de equipo con un hombre cerca.
El ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) utilizado para sintetizar californio por primera vez

El californio fue sintetizado por primera vez en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley , por los investigadores de física Stanley G. Thompson , Kenneth Street, Jr. , Albert Ghiorso y Glenn T. Seaborg alrededor del 9 de febrero de 1950. Fue el sexto transuranio. elemento por descubrir; el equipo anunció su descubrimiento el 17 de marzo de 1950.

Para producir californio, un objetivo del tamaño de un microgramo de curio-242 (242
96
Cm
) fue bombardeado con partículas alfa de 35 MeV (4
2
Él
) en el ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) en Berkeley, que produjo californio-245 (245
98
Cf
) más un neutrón libre (
norte
).

242
96
Cm
+ 4
2
Él
245
98
Cf
+ 1
0

norte

Para identificar y separar el elemento, se llevaron a cabo métodos de intercambio iónico y adsorción. En este experimento solo se produjeron unos 5.000 átomos de californio, y estos átomos tenían una vida media de 44 minutos.

Los descubridores nombraron al nuevo elemento en honor a la universidad y el estado. Esta fue una ruptura con la convención utilizada para los elementos 95 a 97, que se inspiró en cómo se nombraron los elementos directamente encima de ellos en la tabla periódica. Sin embargo, el elemento directamente encima del elemento 98 en la tabla periódica, disprosio , tiene un nombre que simplemente significa "difícil de conseguir", por lo que los investigadores decidieron dejar de lado la convención de nomenclatura informal. Agregaron que "lo mejor que podemos hacer es señalar [que] ... los buscadores de hace un siglo tenían dificultades para llegar a California".

Primero se produjeron cantidades pesadas de californio mediante la irradiación de objetivos de plutonio en el Reactor de Prueba de Materiales en la Estación Nacional de Prueba de Reactores en el este de Idaho ; y estos hallazgos se informaron en 1954. En estas muestras se observó la alta tasa de fisión espontánea del californio-252. El primer experimento con californio en forma concentrada ocurrió en 1958. Los isótopos californio-249 a californio-252 se aislaron ese mismo año de una muestra de plutonio-239 que había sido irradiada con neutrones en un reactor nuclear durante cinco años. Dos años más tarde, en 1960, Burris Cunningham y James Wallman del Lawrence Radiation Laboratory de la Universidad de California crearon los primeros compuestos de californio —tricloruro de californio , oxicloruro de californio y óxido de californio— tratando el californio con vapor y ácido clorhídrico.

El Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en Oak Ridge, Tennessee , comenzó a producir pequeños lotes de californio en la década de 1960. Para 1995, el HFIR produjo nominalmente 500 miligramos (0.018 oz) de californio anualmente. El plutonio suministrado por el Reino Unido a los Estados Unidos en virtud del Acuerdo de Defensa Mutua entre los Estados Unidos y el Reino Unido de 1958 se utilizó para la producción de californio.

La Comisión de Energía Atómica vendió californio-252 a clientes industriales y académicos a principios de la década de 1970 por $ 10 por microgramo y se envió un promedio de 150 mg (0.0053 oz) de californio-252 cada año desde 1970 a 1990. El metal de californio se preparó por primera vez en 1974 por Haire y Baybarz, quienes redujeron el óxido de californio (III) con metal lantano para obtener cantidades de microgramos de películas gruesas submicrométricas.

Ocurrencia

Se pueden encontrar rastros de californio cerca de las instalaciones que utilizan el elemento en la prospección de minerales y en los tratamientos médicos. El elemento es bastante insoluble en agua, pero se adhiere bien al suelo ordinario; y sus concentraciones en el suelo pueden ser 500 veces más altas que en el agua que rodea las partículas del suelo.

Las consecuencias de las pruebas nucleares atmosféricas anteriores a 1980 aportaron una pequeña cantidad de californio al medio ambiente. Se han observado isótopos de californio con números de masa 249, 252, 253 y 254 en el polvo radiactivo recogido del aire después de una explosión nuclear. El californio no es un radionúclido importante en los sitios heredados del Departamento de Energía de los Estados Unidos , ya que no se produjo en grandes cantidades.

Alguna vez se creyó que el californio se producía en supernovas , ya que su descomposición coincide con la vida media de 60 días de 254 Cf. Sin embargo, los estudios posteriores no pudieron demostrar ningún espectro de californio, y ahora se cree que las curvas de luz de las supernovas siguen la desintegración del níquel-56 .

Los elementos transuránicos de americio a fermio , incluyendo el californio, se produjo de forma natural en el reactor de fisión nuclear naturales en Oklo , pero ya no lo hacen.

Producción

El californio se produce en reactores nucleares y aceleradores de partículas . El californio-250 se fabrica bombardeando berkelio-249 (249
97
Bk
) con neutrones, formando berkelio-250 (250
97
Bk
) a través de la captura de neutrones (n, γ) que, a su vez, rápidamente beta se desintegra- ) a californio-250 (250
98
Cf
) en la siguiente reacción:

249
97
Bk
(n, γ)250
97
Bk
250
98
Cf
+ β -

El bombardeo de californio-250 con neutrones produce californio-251 y californio-252.

La irradiación prolongada de americio , curio y plutonio con neutrones produce cantidades de miligramos de californio-252 y microgramos de californio-249. A partir de 2006, los isótopos de curio 244 a 248 son irradiados por neutrones en reactores especiales para producir principalmente californio-252 con cantidades menores de isótopos 249 a 255.

Cantidades de microgramos de californio-252 están disponibles para uso comercial a través de la Comisión Reguladora Nuclear de EE . UU . Solo dos sitios producen californio-252: el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Dimitrovgrad, Rusia . A partir de 2003, los dos sitios producen 0,25 gramos y 0,025 gramos de californio-252 por año, respectivamente.

Se producen tres isótopos de californio con vidas medias significativas, que requieren un total de 15 capturas de neutrones por el uranio-238 sin que se produzca fisión nuclear o desintegración alfa durante el proceso. El californio-253 se encuentra al final de una cadena de producción que comienza con el uranio-238, incluye varios isótopos de plutonio , americio , curio , berkelio y los isótopos de californio 249 a 253 (ver diagrama).

Un diagrama de flujo complejo que muestra varios isótopos.
Esquema de producción de californio-252 a partir de uranio-238 por irradiación de neutrones

Aplicaciones

Gran estructura cónica sobre polea con un hombre arriba y dos cerca de la base.
Barril de envío de cincuenta toneladas construido en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge que puede transportar hasta 1 gramo de 252 Cf. Se necesitan contenedores de transporte grandes y fuertemente blindados para evitar la liberación de material altamente radiactivo en caso de accidentes normales e hipotéticos.

El californio-252 tiene una serie de aplicaciones especializadas como fuerte emisor de neutrones, y cada microgramo de californio fresco produce 139 millones de neutrones por minuto. Esta propiedad hace que el californio sea útil como fuente de arranque de neutrones para algunos reactores nucleares y como fuente de neutrones portátil (no basada en reactores) para el análisis de activación de neutrones para detectar trazas de elementos en muestras. Los neutrones de californio se emplean como tratamiento de ciertos cánceres de cuello uterino y de cerebro donde otra radioterapia es ineficaz. Se ha utilizado en aplicaciones educativas desde 1969, cuando el Instituto de Tecnología de Georgia recibió un préstamo de 119 μg de californio-252 de la planta del río Savannah . También se utiliza con analizadores de carbón elemental en línea y analizadores de materiales a granel en las industrias del carbón y del cemento.

La penetración de neutrones en los materiales hace que el californio sea útil en instrumentos de detección como los escáneres de barras de combustible ; radiografía de neutrones de componentes de aviones y armas para detectar corrosión , soldaduras defectuosas, grietas y humedad atrapada; y en detectores de metales portátiles. Los medidores de humedad de neutrones utilizan californio-252 para encontrar capas de agua y petróleo en los pozos de petróleo, como una fuente de neutrones portátil para la prospección de oro y plata para análisis sobre el terreno y para detectar el movimiento del agua subterránea. Los principales usos del californio-252 en 1982 fueron, por orden de uso, la puesta en marcha del reactor (48,3%), el barrido de barras de combustible (25,3%) y el análisis de activación (19,4%). En 1994, la mayor parte del californio-252 se utilizó en radiografía de neutrones (77,4%), con el barrido de barras de combustible (12,1%) y la puesta en marcha del reactor (6,9%) como usos secundarios importantes pero distantes.

El californio-251 tiene una masa crítica calculada muy pequeña de aproximadamente 5 kg (11 lb), alta letalidad y un período relativamente corto de irradiación ambiental tóxica. La baja masa crítica de californio llevó a algunas afirmaciones exageradas sobre los posibles usos del elemento.

En octubre de 2006, los investigadores anunciaron que tres átomos de oganesson (elemento 118) habían sido identificados en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna , Rusia , como producto del bombardeo de californio-249 con calcio-48 , convirtiéndolo en el elemento más pesado de la historia. sintetizado. El objetivo de este experimento contenía aproximadamente 10 mg de californio-249 depositados sobre una lámina de titanio de 32 cm 2 de área. El californio también se ha utilizado para producir otros elementos transuránicos; por ejemplo, el elemento 103 (más tarde llamado lawrencium ) se sintetizó por primera vez en 1961 bombardeando californio con núcleos de boro .

Precauciones

El californio que se bioacumula en el tejido esquelético libera radiación que interrumpe la capacidad del cuerpo para formar glóbulos rojos . El elemento no juega ningún papel biológico natural en ningún organismo debido a su intensa radiactividad y baja concentración en el medio ambiente.

El californio puede ingresar al cuerpo al ingerir alimentos o bebidas contaminados o al respirar aire con partículas suspendidas del elemento. Una vez en el cuerpo, solo el 0.05% del californio llegará al torrente sanguíneo. Aproximadamente el 65% de ese californio se depositará en el esqueleto, el 25% en el hígado y el resto en otros órganos, o se excretará, principalmente en la orina. La mitad del californio depositado en el esqueleto y el hígado desaparece en 50 y 20 años, respectivamente. El californio del esqueleto se adhiere a las superficies óseas antes de migrar lentamente por todo el hueso.

El elemento es más peligroso si se ingiere en el cuerpo. Además, el californio-249 y el californio-251 pueden causar daño tisular externamente, a través de la emisión de rayos gamma . La radiación ionizante emitida por el californio en los huesos y en el hígado puede causar cáncer.

Notas

Referencias

Bibliografía

enlaces externos

Medios relacionados con el californio en Wikimedia Commons