Plutoniu

El plutoniu ye un elementu transuránico radiactivu col símbolu químicu Pu y el númberu atómicu 94. Ye un metal actínido con apariencia gris platiada que s'escurez cuando ye espuestu al aire, formando una capa opaca cuando s'aferruña. L'elementu de normal exhibe seis estados alotrópicos y cuatro d'oxidación. Reacciona col carbonu, los halóxenos, nitróxenu y siliciu. Cuando s'espón al aire húmedo forma óxidos y hidruros qu'espanden hasta un 70% el so volume, que de la mesma, esprender en forma de polvu que puede engafar de forma bonal. Tamién ye un elementu radiactivu y puede atropase nos güesos. Estes propiedaes faen que manipoliar plutoniu sía peligrosu.

Neptuniu ← Plutoniu → Americiu
94 Pu
Tabla completa • Tabla enantada
Blancu platiáu
Información xeneral
Nome, símbolu, númberu	Plutoniu, Pu, 94
Serie química	Actínidos
Grupu, periodu, bloque	5, 7, f
Masa atómica	244 u
Configuración electrónica	[Rn] 5f⁶ 7s²
Electrones per nivel	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Propiedaes atómiques
Radiu mediu	135 pm
Electronegatividá	1,28 (Pauling)
Radiu atómicu (calc)	159 pm (Radiu de Bohr)
Radiu covalente	187±1 pm
Estáu(aos) d'oxidación	6, 5, 4, 3 (óxidu anfotérico)
Propiedaes físiques
Estáu ordinariu	Sólidu
Densidá	19816 kg/m³
Puntu de fusión	912,5 K (639 °C)
Puntu de bullidura	3505 K (3232 °C)
Entalpía de vaporización	333,5 kJ/mol
Entalpía de fusión	2,82 kJ/mol
Presión de vapor	10,00 Pa a 2.926 K
Varios
Estructura cristalina	Monoclínica
Nᵘ CAS	7440-07-5
Calor específica	35,5 J/(K·kg)
Conductividá térmica	6,74 W/(m·K)
Módulu elásticu	96 GPa
Módulu de cizalladura	43 GPa
Coeficiente de Poisson	0,21
Velocidá del soníu	2,260 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículu principal: Isótopos del plutoniu
iso AN Periodu MD Ed PD MeV 238Pu 87,74 años 204,66 5,5 — 234O 239Pu 2,41 × 10⁴ años 207,06 5,157 — 235O 240Pu 6,35 × 10³ años 205,66 5,256 — 236O 241Pu 14 años 0,02078 210,83 241Am — 242Pu 3,73 × 10⁵ años 209,47 4,984 — 238O 244Pu 8,08 × 10⁷ años 4,666 — 240O —
Valores nel SI y condiciones normales de presión y temperatura, sacante que se diga lo contrario.
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El plutoniu ye l'elementu primordial más pesáu en virtú a la so isótopu más estable, el plutoniu-244, con una semi vida averada de 80 millones d'años ye tiempu abondu por que el elementu alcuéntrase en pequeñes cantidaes na naturaleza. El plutoniu ye principalmente un subproductu de la fisión nuclear nos reactores, onde dalgunos de los neutrones lliberaos pol procesu de fisión converten nucleos d'uraniu-238 en plutoniu.

Unu de los isótopos del plutoniu utilizaos ye'l plutoniu-239, que tien una semi vida de 24.100 años. El plutoniu-239, xunto col plutoniu-241 son elementos fisibles, esto quier dicir que'l nucleu de los sos átomos puede estremase cuando ye bombardiáu con neutrones térmicos, lliberando enerxía, radiación gamma y más neutrones. Esos neutrones pueden caltener una reacción nuclear en cadena, dando llugar a aplicaciones n'armes y reactores nucleares.

El plutoniu-238 tien una semi vida de 88 años y emite partícules alfa. Ye una fonte de calor nos xeneradores termoeléctricos de radioisótopos, que son utilizaos p'apurrir enerxía a delles sondes espaciales. El plutoniu-240 tien una tasa elevada de fisión bonal, aumentando'l fluxu de neutrones de cualquier amuesa na que s'atope. La presencia de plutoniu-240 llinda l'usu de muestres p'armes o combustible nuclear y determina el so grau. Los isótopos del plutoniu son caros y difíciles de dixebrar, por esto suelen fabricase en reactores especializaos.

El plutoniu foi sintetizáu per primer vegada en 1940 por un equipu empobináu por Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan nel llaboratoriu de la Universidá de California, Berkeley bombardiando uraniu-238 con deuteriu. Darréu atopáronse traces de plutoniu na naturaleza. La producción de plutoniu en cantidaes útiles per primer vegada foi una parte importante del Proyeutu Manhattan mientres la Segunda Guerra Mundial, que desenvolvió les primeres bombes atómiques. La primer prueba nuclear ("Trinity", en xunetu de 1945), y la segunda bomba atómica usada pa destruyir una ciudá ("Fat Man" en Nagasaki, Xapón n'agostu de 1945) teníen nucleos de plutoniu-239. Mientres y dempués de la guerra, realizáronse esperimentos con humanos ensin consentimientu informáu qu'estudiaben la radiación del plutoniu y tuvieron llugar varios accidentes críticos, dalgunos d'ellos letales. La eliminación de los residuos de plutoniu de les centrales nucleares y l'esmantelamientu de les armes nucleares construyíes mientres la Guerra Fría son esmoliciones sobre la proliferación nuclear y el mediu ambiente. Otres fontes de plutoniu nel mediu ambiente son consecuencia de les numberoses pruebes nucleares na superficie (agora prohibíes).

Historia

Descubrimientu

Glenn T. Seaborg y el so equipu fueron los primeres en producir plutoniu.

Enrico Fermi y un equipu de científicos de la Universidá de Roma informaron qu'afayaren l'elementu 94 en 1934. Fermi llamo al nuevu elementu hesperio y mentar nel so discursu del Nobel en 1938. La muestra yera en realidá un amiestu de bariu, kriptón y otros elementos, pero esto nun se conocía nesi momentu porque la fisión nuclear inda nun s'había descubiertu.

El plutoniu (específicamente, plutoniu-238) foi producíu y aislláu per primer vegada'l 14 d'avientu de 1940 y foi identificáu químicamente el 23 de febreru de 1941 pol Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy y A. C. Wahl bombardiando uraniu con deuteriu nel ciclotrón de 150 cm de diámetru de la Universidá de California, Berkeley. Nel esperimentu de 1940, producióse neptuniu-238 nel bombardéu pero se desintegró por emisión beta con una semi vida curtia d'unos dos díes, qu'indicaba la formación del elementu 94.

Un documentu científicu que documentaba el descubrimientu foi preparáu pol equipu y unviáu a la revista Physical Review en marzu de 1941. El documentu foi retiráu enantes de la publicación por cuenta de qu'afayaron qu'un isótopu d'esti nuevu elementu (plutoniu-239) podría esperimentar la fisión nuclear de forma que podría ser útil pa la bomba atómica. La publicación foi retrasada hasta un añu dempués del fin de la Segunda Guerra Mundial por cuenta de les esmoliciones sobre la seguridá.

Edwin McMillan nomara apocayá'l primer elementu transuránico debíu al planeta Neptunu y suxirió que l'elementu 94, siendo'l siguiente elementu de la serie, fora nomáu como'l que nesi momentu yera'l siguiente planeta, Plutón. Seaborg orixinalmente consideró'l nome "plutio", pero dempués pensó que nun sonaba tan bien como "plutoniu". Él escoyó les lletres "Pu" como una chancia, que foi aprobada ensin previu avisu na tabla periódica. Otros nomes alternativos consideraos por Seaborg y otros fueron "ultimio" o "extremio" por cuenta de la creencia errónea de qu'atoparen l'últimu elementu posible na tabla periódica.

Primeres investigaciones

Dempués d'unos pocos meses d'estudiu inicial atopóse que la química básica del plutoniu yera paecida a la del uraniu. Les primeres investigaciones siguieron nel Llaboratoriu Metalúrxicu de la Universidá de Chicago. El 18 d'agostu de 1942, una cantidá bien pequeña foi aisllada y midida per primer vegada. Fueron producíos unos 50 mg de plutoniu-239 xunto con uraniu y productos de la fisión y solo aisllóse 1 mg aproximao. Esti procedimientu dexó a los químicos determinar la masa atómico del nuevu elementu.

En payares de 1943 dalgunos trifluoruros de plutoniu fueron amenorgaos pa crear la primer muestra de plutoniu metálicu: unos pocos microgramos de perlles metáliques. Producióse abondu plutoniu por que fuera el primer elementu sintéticu visible a güeyu.

Les propiedaes nucleares del plutoniu-239 tamién fueron estudiaes; los investigadores atoparon que, cuando un átomu ye cutíu por un neutrón, ruémpese (fisión), lliberando más neutrones y enerxía. Esos neutrones pueden cutir otros átomos de plutoniu-239 y asina socesivamente nuna rápida reacción nuclear en cadena. Esto puede aniciar una esplosión abondo grande como pa destruyir una ciudá si concéntrase abondu plutoniu-239 p'algamar la masa crítico.

Producción nel Proyeutu Manhattan

Mientres la Segunda Guerra Mundial, el Gobiernu federal de los Estaos Xuníos creó'l Proyeutu Manhattan, que foi l'encargáu de desenvolver la bomba atómica. Los trés principales sitios d'investigación y producción del proyeutu fueron: la instalación de producción de plutoniu no qu'agora ye Hanford Site, les instalaciones d'arriquecimientu d'uraniu en Oak Ridge, Tennessee y el llaboratoriu d'investigación y diseñu d'armes, agora conocíu como Llaboratoriu Nacional de Los Álamos

El reactor B de Hanford en construcción. El primer reactor productor de plutoniu.

El primer reactor de producción que producía plutoniu-239 foi'l reactor de Grafitu X-10. Empezó a funcionar en 1943 y foi construyíu nuna instalación en Oak Ridge que dempués se convirtió nel Llaboratoriu Nacional Oak Ridge.

El 5 d'abril de 1944, Emilio Segrè, en Los Alamos, recibió la primer muestra de plutoniu producíu por reactor de Oak Ridge.

Bombes atómiques Trinity y Fat Man

La primer prueba d'una bomba atómica, denomada Trinity y españada el 16 de xunetu de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevu Mexico, contenía plutoniu como'l so material de fisión. Nel diseñu de la implosión del dispositivu usóse lentes esplosivos convencionales pa estruyir una esfera de plutoniu nuna masa supercrítica, que yera bombardiáu simultáneamente con neutrones dende'l «Urchin», un iniciador fechu de poloniu y beriliu. En xunto, estos aseguraron una reacción en cadena y una esplosión. L'arma na so totalidá pesaba más de 4 tonelaes, a pesar de que namái fueren utilizaos 6,2 kilogramos de plutoniu nel so nucleu. Aproximao'l 20% del plutoniu utilizáu na arma Trinity someter a fisión, lo que resultó nuna esplosión con una enerxía equivalente a aproximao 20 000 tonelaes de TNT.

Un diseñu idénticu foi utilizáu na bomba atómica «Fat Man», llanzada sobre Nagasaki, Xapón, el 9 d'agostu de 1945, matando a 70 000 persones y mancando a otres 100 000. La bomba «Little Boy» llanzada sobre Hiroshima tres díes enantes, usó uraniu-235 y non plutoniu. Foi fecha pública la esistencia del plutoniu solamente depués del anunciu de les primeres bombes atómiques.

Usu y residuos na Guerra Fría

Mientres la guerra fría fueron construyíes grandes reserves de plutoniu p'armes nucleares, tantu pola Xunión Soviética como per Estaos Xuníos. Los reactores estauxunidenses de Hanford y Savannah River Site en Carolina del Sur producíen 103 tonelaes, y envalorábase que se producíen 170 tonelaes de plutoniu de grau militar na Xunión Soviética. Cada añu entá son producíes alredor de 20 tonelaes del elementu como un subproductu de la industria d'enerxía nuclear. Aproximao 1000 tonelaes de plutoniu pueden tar almacenaes xunto con más de 200 tonelaes de plutoniu estrayíu dende armes nucleares. L'Institutu Internacional d'Estudios pa la Paz d'Estocolmu envaloraba que les reserves mundiales de plutoniu en 2007 yeren de 500 tonelaes, estremaes en partes iguales ente reserves civiles y armamentísticas.

Esperimentación médica

Mientres y dempués del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos que trabayaben nel Proyeutu Manhattan y n'otros proyeutos d'investigación d'armes nucleares, llevaron a cabo estudio de los efeutos del plutoniu n'animales de llaboratoriu y en seres humanos. Los estudios n'animales revelaron qu'unos pocos miligramos de plutoniu per kilogramu de texíu representen una dosis letal.

Nel casu de los seres humanos, dichos esperimentos implicaben inyectar soluciones que conteníen (polo xeneral) cinco microgramos de plutoniu en pacientes hospitalarios que se creía que sufríen d'una enfermedá terminal, o que tuvieren una esperanza de vida menor a diez años yá sía por cuenta de la avanzada edá o pola condición d'una enfermedá crónica. Esta cantidá foi amenorgada a un microgramu en xunetu de 1945 dempués de que nos estudios n'animales constatárase que la forma na que'l plutoniu distribuyir nos güesos yera más peligrosa que la del radiu. Munchos d'estos esperimentos dieron como resultancia fuertes mutaciones. La mayoría de los suxetos de prueba —d'alcuerdu a lo dicho por Eileen Welsome— yeren probes, impotentes y enfermos.

Carauterístiques

Propiedaes físiques

El plutoniu tien pesu molecular de 244 correspondiente al isótopu más estable. El so puntu de fusión ye de 640 °C, el so puntu de ebullición ye de 3228 °C. La so densidá ye de 19.84 g/ml (a 20 °C). El primer potencial d'ionización ye de 5.8 eV y la so electronegatividá na escala de Pauling ye de 1.30.

Isótopos y síntesis

Artículu principal: Isótopos de plutoniu

Compuestos y química

Estructura electrónica

La estructura electrónica del plutoniu ye [Rn]5f 6 6d10 7s2 presentando los númberos d'oxidación de +3, +4, +5, y +6.

Aplicaciones

Esplosivos

La bomba atómica llanzada en Nagasaki, Xapón en 1945 tenía un nucleu de plutoniu.

L'isótopu plutoniu-239 ye un componente clave nes armes nucleares por cuenta del so fácil fisión y el so disponibilidad. Encapsulando el pozu de plutoniu de la bomba nun pisón (una capa opcional de material trupo) mengua la cantidá de plutoniu necesaria p'algamar la masa crítico que reflexa los neutrones qu'escapen de nuevu nel nucleu de plutoniu. Esto amenorga la cantidá de plutoniu necesaria p'algamar la criticidad de 16 kg a 10 kg, que ye una esfera con un diámetru d'unos 10 cm (4 in). Esta masa crítico ye aproximao un terciu de la del uraniu-235.

La bombes de plutoniu tipu "Fat Man" producíes mientres el Proyeutu Manhattan usaben esplosivos pa estruyir el plutoniu y llograr densidaes significativamente más altes de lo normal, combináu con una fonte central de neutrones pa empecipiar la reacción y aumentar la so eficiencia. D'esta forma solo precisábense 6,2 kg de plutoniu pa un rendimientu equivalente a una esplosión de 20 quilotones de TNT (Ver tamién diseñu d'armes nucleares) Hipotéticamente, tan solo son necesarios 4 kg de plutoniu, seique menos, pa faer una bomba atómica usando diseños de ensamblado bien sofisticaos.

Procuros

Toxicidá

Los isótopos y compuestos del plutoniu son radiactivos y atrópense na migollu oseu. La contaminación por óxidu de plutoniu producióse tres incidentes radiactivos y desastres nucleares, incluyendo accidentes nucleares militares onde armes nucleares amburaron. Estudios de los efeutos d'estes pequeñes fugues, según l'estensivu envelenamientu por radiación y posteriores muertes dempués de los bombardeos atómicos sobre Hiroshima y Nagasaki, apurrieron información considerable con al respective de los peligros, síntomes y pronósticos del envelenamientu por radiación, que nel casu de los xaponeses sobrevivientes (Hibakusha), demostróse que nun taben rellacionaos en gran midida cola esposición direuta al plutoniu.

Mientres la escayencia del plutoniu, son lliberaos trés tipos de radiación, alfa, beta y gamma. La radiación alfa solo puede percorrer curties distancies y nun puede viaxar al traviés de la capa esterior muerta de la piel humano. La radiación beta puede enfusar la piel humano pero nun puede travesar el cuerpu. La radiación gamma puede dir al traviés de tol cuerpu. Los trés tipos de radiación son ionizantes. Una esposición aguda o de llarga duración trai serios problemes de salú, incluyendo síndrome de irradiación aguda, dañu xenéticu, cáncer y hasta la muerte. El dañu aumenta cola cantidá d'esposición.

Potencial críticu

Ye necesariu evitar que'l plutoniu s'atropu en cantidaes cercanes a la so masa crítico, por cuenta de que la masa crítico del plutoniu ye d'un terciu de la del uraniu-235. La masa crítico del plutoniu emite cantidaes letales de neutrones y rayu gamma. El plutoniu n'estáu líquidu presenta una mayor probabilidá de formar una masa crítico que n'estáu sólidu por cuenta de la moderación que produz l'hidróxenu na agua.

Inflamabilidad

El plutoniu metálicu engáfase fácilmente, especialmente si'l material ta estremáu en partes fines. Nun ambiente húmedo, el plutoniu forma hidruros piroforicos na so superficie que pueden amburase a temperatura ambiente. El plutoniu espande hasta un 70% el so volume cuando s'aferruña y puede romper el contenedor. La radioactividá del material en combustión ye un peligru adicional. El sable d'óxidu de magnesiu ye probablemente'l material más efeutivo pa escastar un fueu de plutoniu. Esta esfrez el material combustible, actuando como un disipador, y tamién bloquia l'osíxenu. Pa manipoliar o almacenar el plutoniu en cualquier forma ye necesariu tomar procuros especiales; xeneralmente ríquese una atmósfera seca de gas inerte.

Bibliografía

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Ver tamién

• Ciclu del combustible nuclear
• Enerxía nuclear
• Física nuclear
• Inxeniería nuclear
• Efeutos biolóxicos de la radiación

Enllaces esternos

• Wikimedia Commons tien conteníu multimedia tocante a Plutoniu.
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• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Plutonium

• Datos: Q1102
• Multimedia: Plutonium