Plutonio

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  Monoclinic.svg Capa electrónica 094 Plutonio.svg
 
94
Pu
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completaTabla ampliada
Pu,94.jpg
Blanco plateado
Información general
Nombre, símbolo, número Plutonio, Pu, 94
Serie química Actínidos
Grupo, período, bloque -, 7, f
Masa atómica 244  u
Configuración electrónica [ Rn] 5f6 7s2
Electrones por nivel 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 ( imagen)
Propiedades atómicas
Radio medio 135  pm
Electronegatividad 1,28 ( Pauling)
Radio atómico (calc) 159  pm ( Radio de Bohr)
Radio covalente 187±1  pm
Estado(s) de oxidación 6, 5, 4, 3 (óxido anfotérico)
1.ª Energía de ionización 584,7  kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 19816  kg/m3
Punto de fusión 912,5 K (639 °C)
Punto de ebullición 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
N° CAS 7440-07-5
Calor específico 35,5  J/( K· kg)
Conductividad térmica 6,74  W/(K·m)
Módulo elástico 96 GPa
Módulo de cizalladura 43 GPa
Coeficiente de Poisson 0,21
Velocidad del sonido 2,260  m/s a 293,15  K (20  °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del plutonio
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
238Pu trazas 87,74 años FN
α
204,66[1]
5,5

234 U
239Pu trazas 2,41 × 104 años FN
α
207,06
5,157

235 U
240Pu trazas 6,35 × 103 años FN
α
205,66
5,256

236 U
241Pu sintético 14 años β
FN
0,02078
210,83
241 Am
242Pu sintético 3,73 × 105 años FN
α
209,47
4,984

238 U
244Pu trazas 8,08 × 107 años α
FN
4,666
240 U
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.
[ editar datos en Wikidata]

El plutonio es un elemento transuránico radiactivo con el símbolo químico Pu y el número atómico 94. Es un metal actínido con apariencia gris plateada que se oscurece cuando es expuesto al aire, formando una capa opaca cuando se oxida. El elemento normalmente exhibe seis estados alotrópicos y cuatro de oxidación. Reacciona con el carbono, los halógenos, nitrógeno y silicio. Cuando se expone al aire húmedo forma óxidos e hidruros que expanden hasta un 70% su volumen, que a su vez, se desprende en forma de polvo que puede inflamarse de forma espontánea. También es un elemento radiactivo y se puede acumular en los huesos. Estas propiedades hacen que manipular plutonio sea peligroso.

El plutonio es el elemento primordial más pesado en virtud a su isótopo más estable, el plutonio-244, con una semi vida aproximada de 80 millones de años es tiempo suficiente para que el elemento se encuentre en pequeñas cantidades en la naturaleza.[3]

Uno de los isótopos del plutonio utilizados es el plutonio-239, que tiene una semi vida de 24.100 años. El plutonio-239, junto con el plutonio-241 son elementos fisibles, esto quiere decir que el núcleo de sus átomos se puede dividir cuando es bombardeado con neutrones térmicos, liberando energía, radiación gamma y más neutrones. Esos neutrones pueden mantener una reacción nuclear en cadena, dando lugar a aplicaciones en armas y reactores nucleares.

El plutonio-238 tiene una semi vida de 88 años y emite partículas alfa. Es una fuente de calor en los generadores termoeléctricos de radioisótopos, que son utilizados para proporcionar energía a algunas sondas espaciales. El plutonio-240 tiene una tasa elevada de fisión espontánea, aumentando el flujo de neutrones de cualquier muestra en la que se encuentre. La presencia de plutonio-240 limita el uso de muestras para armas o combustible nuclear y determina su grado. Los isótopos del plutonio son caros y difíciles de separar, por esto suelen fabricarse en reactores especializados.

El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 por un equipo dirigido por Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan en el laboratorio de la Universidad de California, Berkeley bombardeando uranio-238 con deuterio. Posteriormente se encontraron trazas de plutonio en la naturaleza. La producción de plutonio en cantidades útiles por primera vez fue una parte importante del Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial, que desarrolló las primeras bombas atómicas. La primera prueba nuclear (" Trinity", en julio de 1945), y la segunda bomba atómica usada para destruir una ciudad (" Fat Man" en Nagasaki, Japón en agosto de 1945) tenían núcleos de plutonio-239. Durante y después de la guerra, se realizaron experimentos con humanos sin consentimiento informado que estudiaban la radiación del plutonio y tuvieron lugar varios accidentes críticos, algunos de ellos letales. La eliminación de los residuos de plutonio de las centrales nucleares y el desmantelamiento de las armas nucleares construidas durante la Guerra Fría son preocupaciones sobre la proliferación nuclear y el medio ambiente. Otras fuentes de plutonio en el medio ambiente son consecuencia de las numerosas pruebas nucleares en la superficie (ahora prohibidas).

Historia

Descubrimiento

Glenn T. Seaborg y su equipo fueron los primeros en producir plutonio.

Enrico Fermi y un equipo de científicos de la Universidad de Roma informaron que habían descubierto el elemento 94 en 1934.[6]

El plutonio (específicamente, plutonio-238) fue producido y aislado por primera vez el 14 de diciembre de 1940 y fue identificado químicamente el 23 de febrero de 1941 por el Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy y A. C. Wahl bombardeando uranio con deuterio en el ciclotrón de 150 cm de diámetro de la Universidad de California, Berkeley.[9]

Un documento científico del descubrimiento fue preparado por el equipo y enviado a la revista Physical Review en marzo de 1941.[10]

Edwin McMillan había nombrado recientemente el primer elemento transuránico debido al planeta Neptuno y sugirió que el elemento 94, siendo el siguiente elemento de la serie, fuera nombrado como el que en ese momento era el siguiente planeta, Plutón.[13]

Primeras investigaciones

Después de unos pocos meses de estudio inicial se encontró que la química básica del plutonio era parecida a la del uranio.[nota 3]

En noviembre de 1943 algunos trifluoruros de plutonio fueron reducidos para crear la primera muestra de plutonio metálico: unos pocos microgramos de perlas metálicas.[16]

Las propiedades nucleares del plutonio-239 también fueron estudiadas; los investigadores encontraron que, cuando un átomo es golpeado por un neutrón, se rompe (fisión), liberando más neutrones y energía. Esos neutrones pueden golpear otros átomos de plutonio-239 y así sucesivamente en una rápida reacción nuclear en cadena. Esto puede originar una explosión suficientemente grande como para destruir una ciudad si se concentra suficiente plutonio-239 para alcanzar la masa crítica.[9]

Producción en el Proyecto Manhattan

Durante la Segunda Guerra Mundial, el Gobierno federal de los Estados Unidos creó el Proyecto Manhattan, que fue el encargado de desarrollar la bomba atómica. Los tres principales sitios de investigación y producción del proyecto fueron: la instalación de producción de plutonio en lo que ahora es Hanford Site, las instalaciones de enriquecimiento de uranio en Oak Ridge, Tennessee y el laboratorio de investigación y diseño de armas, ahora conocido como Laboratorio Nacional de Los Álamos[17]

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

El primer reactor de producción que producía plutonio-239 fue el reactor de Grafito X-10. Empezó a funcionar en 1943 y fue construido en una instalación en Oak Ridge que después se convirtió en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.[nota 4]

El 5 de abril de 1944, Emilio Segrè, en Los Alamos, recibió la primera muestra de plutonio producido por reactor de Oak Ridge.[18]

Bombas atómicas Trinity y Fat Man

La primera prueba de una bomba atómica, denominada Trinity y detonada el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo Mexico, contenía plutonio como su material de fisión.[20]

Un diseño idéntico fue utilizado en la bomba atómica « Fat Man», lanzada sobre Nagasaki, Japón, el 9 de agosto de 1945, matando a 70 000 personas e hiriendo a otras 100 000.[9] La bomba « Little Boy» lanzada sobre Hiroshima tres días antes, usó uranio-235 y no plutonio. Fue hecha pública la existencia del plutonio solamente luego del anuncio de las primeras bombas atómicas.

Uso y residuos en la Guerra Fría

Durante la guerra fría fueron construidas grandes reservas de plutonio para armas nucleares, tanto por la Unión Soviética como por Estados Unidos. Los reactores estadounidenses de Hanford y Savannah River Site en Carolina del Sur producían 103 toneladas,[24]

Experimentación médica

Durante y después del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos que trabajaban en el Proyecto Manhattan y en otros proyectos de investigación de armas nucleares, llevaron a cabo estudios de los efectos del plutonio en animales de laboratorio y en seres humanos.[26]

En el caso de los seres humanos, dichos experimentos implicaban inyectar soluciones que contenían (por lo general) cinco microgramos de plutonio en pacientes hospitalarios que se creía que sufrían de una enfermedad terminal, o que tuvieran una esperanza de vida menor a diez años ya sea debido a la avanzada edad o por la condición de una enfermedad crónica.[27]

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