Diferència entre revisions de la pàgina «Actinoide»

1.939 bytes afegits ,  fa 1 mes
Millores
m (neteja i estandardització de codi)
(Millores)
=== Propietats físiques ===
Tots els [[Isòtop|isòtops]] dels actinoides són inestables i es desintegren més prest o més tard; la raó per la qual l'actini, el tori, el protactini i l'urani es troben a la natura és que alguns dels seus isòtops tenen períodes de semidesintegració molt llargs i d'altres es formen constantment per la desintegració dels isòtops de llarga vida. És convenient dividir els isòtops naturals en famílies sobre la base de les relacions entre les seves masses atòmiques. El nombre de masses de tots els isòtops de l'anomenada sèrie de tori, per exemple, resulta ser múltiple de quatre, i la sèrie es coneix com la sèrie 4n. A la sèrie d'urani, les masses han demostrat ser tals que estan representades per 4n + 2; a la sèrie d'actini, per 4n + 3. No es troba a la natura en cap mesura significativa, però es pot produir artificialment, és la sèrie de neptuni (4n + 1), que rep el nom del seu membre més longeu, neptunium-237. Els canvis es produeixen en seqüència, cada procés de desintegració condueix a un altre element inestable, fins que s'ha assolit una regió d'isòtops estables dels elements de plom i bismut.
[[Fitxer:Kernspaltung.svg|miniatura|Una possible fissió de l'urani 235.]]
Les [[Reacció nuclear|reaccions nuclears]] més importants, però, impliquen la captura de [[Neutró|neutrons]] per un nucli actinoide, seguida de la divisió o [[Fissió nuclear|fissió]] d’aquest nucli en dues parts desiguals, amb l’alliberament d’enormes quantitats d’energia més dos o més neutrons addicionals. Els [[Reactor nuclear|reactors nuclears]] i les [[Arma nuclear|bombes atòmiques]] depenen de la [[reacció en cadena]] creada per aquest procés: els neutrons resultants reaccionen encara més, induint més reaccions de fissió, que produeixen més neutrons, que condueixen a reaccions de fissió encara més grans, amb el resultat que, sense control, gran quantitat d'energia s'allibera molt ràpidament. Un gram de carbó cremat produeix menys de 10.&nbsp;000 calories de calor. La fissió d’un gram d’urani-d’[[urani 235]] produeix 2 × 10<sup>10</sup> calories, és a dir, aproximadament 2.000.000dos milions de vegades més energia. Amb un control adequat, l'energia es pot alliberar de forma útil per produir electricitat.
 
L’actinoide més important, amb diferència, per la seva fisibilitat, és l’urani, que té diversos isòtops. L'urani natural consisteix principalment en [[urani- 238]], un isòtop no fissible. L’isòtop fissible és l'urani- 235, que es produeix només en set dècimes de l’1 per cent, és la substància valuosa que provoca les reaccions en cadena amb els neutrons. Els mètodes que separen els isòtops en virtut de les seves masses lleugerament diferents s’utilitzen per enriquir l’urani natural respecte a l’urani- 235. Aquest urani enriquit es va utilitzar a les primeres bombes atòmiques provades a Nou Mèxic i va explotar sobre Japó lL'estiu[[òxid de 1945. Ld'òxidurani(IV)]] UO2UO<sub>2</sub> és ara el combustible de gairebé tots els reactors nuclears.
Les reaccions nuclears més importants, però, impliquen la captura de neutrons per un nucli actinoide, seguida de la divisió o fissió d’aquest nucli en dues parts desiguals, amb l’alliberament d’enormes quantitats d’energia més dos o més neutrons addicionals. Els reactors nuclears i les bombes atòmiques depenen de la reacció en cadena creada per aquest procés: els neutrons resultants reaccionen encara més, induint més reaccions de fissió, que produeixen més neutrons, que condueixen a reaccions de fissió encara més grans, amb el resultat que, sense control, gran quantitat d'energia s'allibera molt ràpidament. Un gram de carbó cremat produeix menys de 10.000 calories de calor. La fissió d’un gram d’urani-235 produeix 2 × 10<sup>10</sup> calories, és a dir, aproximadament 2.000.000 de vegades més energia. Amb un control adequat, l'energia es pot alliberar de forma útil per produir electricitat.
 
Dos altres isòtops actinoides fissibles són importants. El primer és el plutoni- 239, que es pot preparar mitjançant el bombardeig de neutrons contra l’urani- 238 i, per tant, es forma com a subproducte en reactors d’urani en què l’urani- 238 està exposat als neutrons. El plutoni-239 es pot utilitzar en lloc de l’urani-235 en armes atòmiques o en reactors. El segon és potencialment encara més important, ja que es produeix a partir de l'element tori, del qual hi ha enormes reserves a la Terra. Quan l’isòtopL'isòtop tori- 232 és bombardejat per neutrons, capta un neutró i es converteix en tori- 233. Aquest isòtop decau per emissió beta al protactini- 233, que torna a emetre una partícula beta per donar urani- 233, també un isòtop fissible de l’urani. Atès que l’urani és un element relativament escàs, s’espera que el desenvolupament de l’energia nuclear a gran escala esgoti ràpidament l’urani que es pot produir econòmicament. L'ús del tori podria, per tant, ampliar el subministrament de material fissible en aproximadament tres vegades, i l'ús del plutoni també podria duplicar-los. Els reactors de potència reproductora estan dissenyats de manera que es perden molt pocs neutrons per la superfície o per absorció per impureses i es produeix més material fissible (ja sigui urani- 233 o plutoni- 239) del que es consumeix. Si es facessin practicables aquests reactors reproductors, hi hauria subministraments interminables d’isòtops fissibles.
L’actinoide més important, amb diferència, per la seva fisibilitat, és l’urani, que té diversos isòtops. L'urani natural consisteix principalment en urani-238, un isòtop no fissible. L’isòtop fissible urani-235, que es produeix només en set dècimes de l’1 per cent, és la substància valuosa que provoca les reaccions en cadena amb els neutrons. Els mètodes que separen els isòtops en virtut de les seves masses lleugerament diferents s’utilitzen per enriquir l’urani natural respecte a l’urani-235. Aquest urani enriquit es va utilitzar a les primeres bombes atòmiques provades a Nou Mèxic i va explotar sobre Japó l'estiu de 1945. L'òxid UO2 és ara el combustible de gairebé tots els reactors nuclears.
 
Dos altres isòtops actinoides fissibles són importants. El primer és el plutoni-239, que es pot preparar mitjançant el bombardeig de neutrons contra l’urani-238 i, per tant, es forma com a subproducte en reactors d’urani en què l’urani-238 està exposat als neutrons. El plutoni-239 es pot utilitzar en lloc de l’urani-235 en armes atòmiques o en reactors. El segon és potencialment encara més important, ja que es produeix a partir de l'element tori, del qual hi ha enormes reserves a la Terra. Quan l’isòtop tori-232 és bombardejat per neutrons, capta un neutró i es converteix en tori-233. Aquest isòtop decau per emissió beta al protactini-233, que torna a emetre una partícula beta per donar urani-233, també un isòtop fissible de l’urani. Atès que l’urani és un element relativament escàs, s’espera que el desenvolupament de l’energia nuclear a gran escala esgoti ràpidament l’urani que es pot produir econòmicament. L'ús del tori podria, per tant, ampliar el subministrament de material fissible en aproximadament tres vegades, i l'ús del plutoni també podria duplicar-los. Els reactors de potència reproductora estan dissenyats de manera que es perden molt pocs neutrons per la superfície o per absorció per impureses i es produeix més material fissible (ja sigui urani-233 o plutoni-239) del que es consumeix. Si es facessin practicables aquests reactors reproductors, hi hauria subministraments interminables d’isòtops fissibles.
 
Tot i que no es produeixen altres isòtops fissibles dels actinoides en quantitats significatives, hi ha usos pràctics dels isòtops no fissibles a causa de les quantitats de calor que produeixen per desintegració nuclear. Per a fonts d’energia especials que requereixen una gran fiabilitat, s’han considerat els generadors termoelèctrics que utilitzen aquests isòtops. Els isòtops emissors d’alfa amb semivides radioactives que oscil·len entre diversos mesos i 100 anys o més són candidats adequats. (Els isòtops emissors de beta o gamma requereixen massa protecció per ser utilitzables.) Curium-244, que té una vida mitjana de 18,1 anys, produeix 2,83 watts de calor per gram. El plutoni-238 produeix 0,57 watts per gram i té una vida mitjana molt més llarga de 87,74 anys. Les fonts d'energia Plutonium-238 s'han plantat a la Lluna i s'han utilitzat en missions espacials als planetes exteriors per proporcionar energia elèctrica per transmetre missatges a la Terra. El Plutonium-238 també es va utilitzar com a font d’energia per als marcapassos als anys 70, abans que les bateries químiques d’alta eficiència estiguessin disponibles.
 
=== Propietats químiques ===
 
==== Metalls actinoides ====
Les similituds entre molts compostos lantanoides i actinoides són sorprenents i ofereixen una comparació útil. En certes condicions, per exemple, els metalls l'[[actini]], [[americi]], curio[[curi]], [[berkeli]] i [[californi]] tenen la mateixa estructura cristal·lina, igual que molts dels lantanoides. EinsteiniumL'einsteini, l’element actinoide més pesatpesant amb isòtops prou estables per al treball químic a escala macroscòpica, té la mateixa estructura que l’europiel lantanoide [[europi]]. Diversos dels elements actinoides més lleugers des del [[tori]] fins al [[plutoni]] tenen estructures metàl·liques diferents i inusuals, presumiblement a causa de la barreja d’orbitals ''5f'' i ''6d'' en els seus àtoms, alguns electrons quese entrensituen primer en orbitals ''6d'' erabans que en els orbitals ''5f'' esperats.
 
Els metallsprimers actinoides ([[tori]], [[Protoactini|protactini]], [[urani]], [[neptuni]] i [[plutoni]]) són en la seva majoria diferents entre si. L’urani, el neptuni i el plutoni tenen formes metàl·liques extremadament denses. El [[neptuni]], per exemple, amb una densitat de 20,48 g/cm³ quan es cristal·litza a la forma de cristall ortoròmbic a 25 °C, és un dels metalls més densos coneguts. Una possible explicació del fet que aquests metalls mostren diverses formes cristal·lines diferents és que els electrons dels orbitals ''5f'' es barregen amb els dels orbitals ''6d'' i, en conseqüència, formen una sèrie d'estats electrònics híbrids de gairebé la mateixa energia. ComençantA perpartir de l'amèric, però,[[americi]] els nivells d'energia dels electrons semblen estar prou separats perquè no es produeixi la barreja.
 
==== EstatsEstat d’oxidació +2 ====
Els actinoides presenten generalment múltiples [[Estat d'oxidació|estats d’oxidació]]. Es coneixen compostos d’[[americi]] i [[californi]] amb un estat d’oxidació de +2. Hi ha raons per esperar l'existència d'aquest estat en alguns dels elements més pesatspesants que el californi. Per exemple, s’han obtingut proves espectroscòpiques de l’einsteini(II2+) en presència de l’ió fluor. ElsAquest actinoides divalents (és a dir, els actinoides en estat d’oxidació +2) formen compostos amb gairebé les mateixes propietats que els dels lantanoides divalents i, per tant, els iodurs, bromurs i clorurs de l’ameri i californi divalents han estatsón estables.
 
==== Estats d’oxidació +3 i +4 ====
Es troben grans similituds en el comportament químic en els actinoides d’estat d’oxidació +3 (actini i urani a través de l’einsteini); a més, aquests ions s’assemblen molt als lantanoides del mateix estat d’oxidació. Els tipus de cristalls i moltes propietats físiques d’aquests actinoides trivalents depenen més de la mida de l’ió +3 de l’element concret. Per exemple, la solubilitat en aigua dels trifluorurs formats per actinoides amb un estat +3 (el tori i el protactini tenen estats +3 inestables) és extremadament baixa. El tipus d’estructura cristal·lina per a la majoria dels trifluorurs d’actinoides és el mateix que el trifluorur[[fluorur de lantàlantani(III)]] i, atès que el radi de l’ió és una funció regular del nombre atòmic, la circumstància permet extrapolar del compost de lantàlantani al compost actinoide i interpolar entre compostos de la sèrie per determinar els valors que falten. Els hidròxids, fosfats, oxalats i sulfats dobles alcalins dels actinoides també són insolubles, ja que molts tenen estructures cristal·lines idèntiques o són isostructurals. Els clorurs, bromurs i iodurs (és a dir, els halurs) dels actinoides són, en la seva major part, isostructurals per a qualsevol halogen i es pot predir el tipus d’estructura a partir d’un coneixement del radi iònic. La solubilitat d'aquests halurs a l'aigua és generalment gran. Els òxids +3 dels actinoides també són isostructurals, amb la fórmula general M2O3, en què M és un element actinoide; formen cristalls cúbics (o hexagonals) i, per tant, les densitats i altres propietats d'aquests òxids i altres compostos cristal·lins són fàcilment predicibles. En general, doncs, la química dels actinoides en estat d’oxidació +3 és similar, amb diferències degudes principalment a la mida iònica. Com a conseqüència d’aquestes similituds, les separacions dels elements i dels seus components són sovint difícils, cosa que requereix l’ús de mètodes en què diferències físiques molt lleus dels àtoms o ions serveixen per separar els materials químicament gairebé idèntics. Dos mètodes són les reaccions d’intercanvi iònic, en què s’utilitzen diferències en la mida i l’enllaç dels ions per efectuar la separació, i l’extracció de dissolvents, en què s’utilitzen dissolvents no aquosos específics i reactius de complexació per retirar l’element desitjat de la solució aquosa.
 
Els actinoides en estat d’oxidació +4 també són molt semblants (i també s’assemblen als lantanoides +4). Els +4 actinoides (tori, protactini, urani, neptuni, plutoni, berkeli i, en menor mesura, americi, curi i californi) són prou estables per experimentar reaccions químiques en solucions aquoses. Existeixen compostos cristal·litzats en estat +4 per al tori, protactini, urani, neptuni, plutoni, americi, curio, berkeli i californi. Els òxids i molts fluorurs complexos són coneguts per tots aquests elements. Tots els diòxids són isostructurals, igual que els tetrafluorurs. Els diòxids i tetrafluorurs actinoides es poden preparar en estat sec en encendre el propi metall o un dels seus altres compostos en una atmosfera d’oxigen o de fluor. Alguns tetraclorurs, bromurs i iodurs són coneguts pel tori, l’urani i el neptuni. La facilitat amb què es poden formar disminueix amb l’augment del nombre atòmic. També es coneixen hidròxids d'alguns d'aquests elements en l'estat +4; tenen una solubilitat molt baixa, igual que els fluorurs, oxalats i fosfats. De nou, moltes propietats físiques de tEls tetrafluorurs estan influenciats més per la mida iònica que pel nombre atòmic, i la isostructuralitat d'aquests compostos actinoides i lantanoides és la regla més que l'excepció.
L’altra diferència principal que mostren els actinoides és que alguns posseeixen els estats d’oxidació +5, +6 i +7 (cap element lantanoide supera l’estat +4). Sembla que els electrons 5f dels actinoides, estant prou allunyats del nucli carregat positivament, permeten una eliminació cada cop més fàcil i la consegüent formació d’estats d’oxidació més alts. L'element protactini mostra l'estat +5; urani, neptuni i americi presenten els estats +5 i +6; només el neptuni i el plutoni tenen l’estat +7.
 
Hi ha dos tipus de reaccions químiques per als estats +5 i +6. Si M simbolitza qualsevol actinoide i si O, com de costum, simbolitza l’oxigen, elsEls ions que es troben tant en una solució aquosa (aigua) com en sòlids preparats a partir d’una solució es representen mitjançant les fórmules generals MO<sub>2</sub><sup>+</sup> i MO<sub>2</sub><sup>2+</sup>. Aquests ions tenen una forma lineal, per exemple, [O = U = O]<sup>2+</sup>. En solució no aquosa i en sòlids preparats a partir d’elles, es coneixen compostos de M en els estats d’oxidació +5 i +6 que no contenen oxigen. Amb els halògens (X és la designació general d’un halogen: fluor, clor, brom o iode), es coneixen compostos que es poden representar com MX5 (és a dir, una molècula que consisteix en un àtom d’un actinoide amb cinc àtoms d’un halogen). i MX6, així com complexos del tipus que tinguin les fórmules moleculars MX6−, MX72− i MX83− per als estats +5 i MX7− i MX82− per als estats +6. El neptuni (VII) i el plutoni (VII) s’han preparat en solució bàsica i s’han identificat certs ions oxigenats (del tipus representat per MO53−) i alguns compostos sòlids amb el mateix estat d’oxidació. També s’han preparat òxids complexos amb metalls alcalins en què aquests dos elements tenen l’estat +7.
 
== Aplicacions ==
La importància pràctica més comuna dels actinoides sorgeix de la fissibilitat, o potencial de divisió, dels nuclis de certs dels seus isòtops. Quan un nucli atòmic es trenca o sofreix una fissió, s’allibera un procés molt més disruptiu que la desintegració radioactiva ordinària, i s’alliberen enormes quantitats d’energia, així com diversos neutrons. Aquesta energia pot generar una explosió atòmica o es pot controlar i utilitzar com a combustible per generar calor per a la producció d'energia elèctrica. Els processos nuclears per a la producció d’energia no desprenen fum, fum, gasos nocius, ni tan sols diòxid de carboni, com fan les centrals convencionals de carbó o gas. Les centrals nuclears, però, produeixen calor residual que es pot considerar contaminació tèrmica i també produeixen residus radioactius inútils i perillosos que, tot i que són contaminants, poden ser menys indesitjables que els dels generadors de combustibles fòssils. Per aquesta i altres raons, com l’economia de funcionament, hi ha un potencial per a una enorme producció d’energia elèctrica inherent a les tecnologies de generació d’energia nuclear i, atès que els elements actinoides són els únics materials fisibles coneguts, l’impacte pràctic de la seva disponibilitat és genial. L’isòtop de l’urani amb el nombre atòmic 92 i la massa 235, escrit com a urani-235 o, en símbols químics, com a 235U, està present fins a l’aproximadament un 0,7 per cent en l’urani ordinari, però és un material fissible necessari funcionament d’un reactor nuclear que utilitza urani natural. Altres isòtops fissibles de gran importància són l’urani-233, el plutoni-239 i el plutoni-241.
 
* '''Tori'''. El [[Isòtops del tori|tori 232]] es pot utilitzar com a combustible en un [[reactor nuclear]] adient, ja que no és fissionable ell mateix, sinó que absorbeix neutrons lents per a produir urani 233, que sí és fissionable, i redueix la producció de residus nuclears. Quan l’isòtop tori 232 és bombardejat per neutrons, capta un neutró i es converteix en tori 233. Aquest isòtop decau per emissió beta al protactini 233, que torna a emetre una partícula beta per donar urani 233, un isòtop fissible de l’urani. Atès que l’urani és un element relativament escàs, s’espera que el desenvolupament de l’energia nuclear a gran escala esgoti ràpidament l’urani que es pot produir econòmicament. L'ús del tori podria, per tant, ampliar el subministrament de material fissible en aproximadament tres vegades. El recobriment amb tori dels elèctrodes de tungstè millora l'emissió d'electrons en els càtodes calents de certes làmpades. El tori s'afegeix a aliatges de magnesi usats en els motors de les aeronaus per a augmentar-ne la resistència a les altes temperatures (l'òxid de tori fon a 3&nbsp;300 °C). En el mètode de soldadura elèctrica TIG (Tungsten Inert Gas) per a aliatges d'alumini, magnesi i acer inoxidable s'usen elèctrodes de tungstè amb una petita quantitat d'[[òxid de tori]] (2 %), que augmenta el corrent i la duració de l'elèctrode i facilita la formació i l'estabilitat de l'arc. L'òxid de tori s'afegeix al vidre que s'utilitza per a fabricar lents d'alta qualitat en càmeres i instruments científics, ja que n'augmenta l'índex de refracció i disminueix la dispersió. També s'utilitza com a [[catalitzador]] en la conversió d'[[amoníac]] a [[àcid nítric]], en la [[refinació del petroli]] i en la producció d'[[àcid sulfúric]].<ref name=":072">{{Ref-llibre|títol=Elements i recursos minerals: aplicacions i reciclatge|url=http://worldcat.org/oclc/1120317169|isbn=978-84-9880-666-3|cognom=Sanz Balagué|nom=J.|edició=3a|data=2017|editorial=Iniciativa Digital Politècnica|cognom2=Tomasa Guix|nom2=O.}}</ref>
 
* '''Urani'''. La principal aplicació de l'[[urani enriquit]] (amb un contingut d'urani-235 d'entre el 3 % i el 10 %) és la d'actuar com a [[combustible nuclear]] per a generar [[energia elèctrica]]. Un quilogram d'[[urani 235]] pot produir 80 terajoules d'energia, tanta com 3 000 tones de [[carbó]]. L'urani enriquit amb un contingut d'urani 235 d'entre el 20 % i el 90 % s'utilitza bàsicament per a fabricar [[Arma nuclear|armes nuclears]] i capçals nuclears. També com a propulsor dels [[Submarí nuclear|submarins nuclears]]. L'[[urani empobrit]], amb un contingut d'urani 235 de prop del 0,7 %, de radioactivitat molt baixa, s'usa principalment en la fabricació de projectils antiblindatge, ja que quan impacta perfora, s’inflama i esclata en l’interior del vehicle blindat. A més, s'usa per a fabricar blindatges de [[Tanc|carros de combat]]. L'urani empobrit, gràcies a la seva alta densitat, és un material adequat per al blindatge enfront de [[Radiació gamma|radiacions gamma]]; per això s'utilitza per a fabricar contenidors per a emmagatzemar i transportar materials radioactius. També s'utilitza com a recipient protector de les fonts radioactives usades en el tractament de càncers i en la fabricació dels col·limadors dels capçals de certs acceleradors lineals.<ref name=":072" />
 
* '''Plutoni'''. Els isòtops de plutoni fissibles es formen com a subproductes de fissió en reactors que utilitzen urani; quan s’afegeixen neutrons a l’urani-l’[[urani 238]], que per si mateix no és fissible, es converteix en l’isòtop fisionable [[plutoni- 239]]. El toriplutoni-239 tambées éspot utilitzar en potencialmentlloc de granl’urani valor235 econòmic,en perquèarmes unatòmiques delso seusen isòtops,reactors. L'ús del plutoni podria ampliar el tori-232,subministrament esde potmaterial convertirfissible en l’isòtopaproximadament fissibledues urani-233vegades. en unEl reactorplutoni nuclear238 (ésen adesintegrar-se dirprodueix 0,57 unwatts queper produeixgram mési material fissibleuna delsemivida quemolt consumeix),més augmentantllarga aixíde moltes87,74 vegadesanys. elsLes subministramentsfonts disponiblesd'energia de materialsplutoni fissibles.238 Coms'han queplantat ela torila ésLluna aproximadamenti tress'han vegadesutilitzat mésen abundantmissions queespacials l’uranials planetes exteriors per proporcionar energia elèctrica per transmetre missatges a l’escorçala terrestre,Terra. l’úsEl potencialplutonium del238 toritambé s'emprà com a font d’energia per produirals energiamarcapassos nuclearals ésanys significatiu70, abans que les bateries químiques d’alta eficiència estiguessin disponibles.
 
* '''Altres actinoides'''. Els actinoides més pesatspesants, més enllà del plutoni a la taula periòdica, són d’interès principalment per a científics investigadors, tot i que tenen alguns usos pràctics potencials com a fonts de calor termoelèctrica i neutrons. Per a fonts d’energia especials que requereixen una gran fiabilitat, s’han considerat els generadors termoelèctrics que utilitzen aquests isòtops. Els isòtops emissors d’alfa amb semivides radioactives que oscil·len entre diversos mesos i 100 anys o més són candidats adequats. (Els isòtops emissors de beta o gamma requereixen massa protecció per ser utilitzables.) Curium-244, que té una vida mitjana de 18,1 anys, produeix 2,83 watts de calor per gram. Un isòtop, el californi- 252, s’utilitza fins a cert punt en la teràpia contra el càncer.
 
== Toxicologia ==
23.555

modificacions