Californium - Californium
Californium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Pronúncia |
/ ˌ k Æ l ɪ f ɔr n i ə m / ( JSM -if- OU -nee-əm ) |
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Aparência | prateado | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número de massa | [251] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Californium na tabela periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Número atômico ( Z ) | 98 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo n / a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bloquear | bloco f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuração de elétron | [ Rn ] 5f 10 7s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elétrons por camada | 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propriedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fase em STP | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto de fusão | 1173 K (900 ° C, 1652 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto de ebulição | 1743 K (1470 ° C, 2678 ° F) (estimativa) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densidade (próximo à rt ) | 15,1 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propriedades atômicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidação | +2, +3 , +4, +5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Eletro-negatividade | Escala de Pauling: 1,3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energias de ionização | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Linhas espectrais de califórnio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Outras propriedades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ocorrência natural | sintético | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estrutura de cristal | duplo hexagonal compacta-fim (DHCP) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 3-4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-71-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
História | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nomeação | depois da Califórnia , onde foi descoberto | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Descoberta | Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (1950) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Principais isótopos de califórnio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Californium é um elemento químico radioativo com o símbolo Cf e número atômico 98. O elemento foi sintetizado pela primeira vez em 1950 no Lawrence Berkeley National Laboratory (então University of California Radiation Laboratory), bombardeando o cúrio com partículas alfa ( íons hélio-4 ) . É um elemento actinídeo , o sexto elemento transurânio a ser sintetizado , e tem a segunda maior massa atômica de todos os elementos que foram produzidos em quantidades grandes o suficiente para serem vistas a olho nu (depois do einsteínio ). O elemento foi nomeado em homenagem à universidade e ao estado da Califórnia, nos Estados Unidos .
Existem duas formas cristalinas para o califórnio sob pressão normal: uma acima e outra abaixo de 900 ° C (1.650 ° F). Uma terceira forma existe em alta pressão. O califórnio mancha lentamente ao ar em temperatura ambiente. Os compostos de califórnio são dominados pelo estado de oxidação +3 . O mais estável dos vinte isótopos conhecidos do califórnio é o califórnio-251, que tem meia-vida de 898 anos. Essa meia-vida curta significa que o elemento não é encontrado em quantidades significativas na crosta terrestre. Californium-252, com meia-vida de cerca de 2.645 anos, é o isótopo mais comum usado e é produzido no Oak Ridge National Laboratory nos Estados Unidos e no Research Institute of Atomic Reactors na Rússia.
Californium é um dos poucos elementos de transurânio que têm aplicações práticas. A maioria dessas aplicações explora a propriedade de certos isótopos de califórnio de emitir nêutrons . Por exemplo, o califórnio pode ser usado para ajudar a iniciar reatores nucleares e é empregado como fonte de nêutrons no estudo de materiais usando difração de nêutrons e espectroscopia de nêutrons . Californium também pode ser usado na síntese nuclear de elementos de massa superior; oganesson (elemento 118) foi sintetizado bombardeando átomos de califórnio-249 com íons cálcio-48 . Os usuários de califórnio devem levar em consideração as preocupações radiológicas e a capacidade do elemento de interromper a formação de glóbulos vermelhos por bioacumulação no tecido esquelético.
Características
Propriedades físicas
Californium é um metal actinídeo branco prateado com um ponto de fusão de 900 ± 30 ° C (1.650 ± 50 ° F) e um ponto de ebulição estimado de 1.745 K (1.470 ° C; 2.680 ° F). O metal puro é maleável e pode ser facilmente cortado com uma lâmina de barbear. O metal califórnio começa a vaporizar acima de 300 ° C (570 ° F) quando exposto ao vácuo. Abaixo de 51 K (−222 ° C; −368 ° F) o metal califórnio é ferromagnético ou ferrimagnético (age como um ímã), entre 48 e 66 K é antiferromagnético (um estado intermediário) e acima de 160 K (−113 ° C; -172 ° F) é paramagnético (campos magnéticos externos podem torná-lo magnético). Ele forma ligas com metais lantanídeos, mas pouco se sabe sobre os materiais resultantes.
O elemento tem duas formas cristalinas na pressão atmosférica padrão : uma forma compactada hexagonal dupla denominada alfa (α) e uma forma cúbica centrada na face designada beta (β). A forma α existe abaixo de 600–800 ° C com uma densidade de 15,10 g / cm 3 e a forma β existe acima de 600–800 ° C com uma densidade de 8,74 g / cm 3 . A 48 GPa de pressão, a forma β muda para um sistema de cristal ortorrômbico devido à deslocalização dos elétrons 5f do átomo , que os libera para se ligarem.
O módulo de volume de um material é uma medida de sua resistência à pressão uniforme. O módulo de bulk do Californium é50 ± 5 GPa , que é semelhante aos metais lantanídeos trivalentes, mas menor do que os metais mais familiares, como o alumínio (70 GPa).
Propriedades químicas e compostos
Estado | composto | Fórmula | cor | |
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+2 | brometo de califórnio (II) | CfBr 2 | amarelo | |
+2 | iodeto de califórnio (II) | CfI 2 | violeta escuro | |
+3 | óxido de califórnio (III) | Cf 2 O 3 | amarelo verde | |
+3 | fluoreto de califórnio (III) | CfF 3 | verde claro | |
+3 | cloreto de califórnio (III) | CfCl 3 | verde esmeralda | |
+3 | brometo de califórnio (III) | CfBr 3 | verde amarelado | |
+3 | iodeto de califórnio (III) | CfI 3 | limão amarelo | |
+3 | poliborato de califórnio (III) | Cf [B 6 O 8 (OH) 5 ] | verde pálido | |
+4 | óxido de califórnio (IV) | CfO 2 | Preto amarronzado | |
+4 | fluoreto de califórnio (IV) | CfF 4 | verde |
Californium exibe estados de oxidação de 4, 3 ou 2. Ele normalmente forma oito ou nove ligações com átomos ou íons circundantes. Prevê-se que suas propriedades químicas sejam semelhantes a outros elementos actinídeos de valência 3+ e ao elemento disprósio , que é o lantanídeo acima do califórnio na tabela periódica. Os compostos no estado de oxidação +4 são agentes oxidantes fortes e aqueles no estado +2 são agentes redutores fortes .
O elemento escurece lentamente ao ar em temperatura ambiente, com a taxa aumentando quando a umidade é adicionada. Californium reage quando aquecido com hidrogênio , nitrogênio ou um calcogênio (elemento da família do oxigênio); as reações com hidrogênio seco e ácidos minerais aquosos são rápidas.
O califórnio é solúvel em água apenas como o cátion califórnio (III) . As tentativas de reduzir ou oxidar o íon +3 na solução falharam. O elemento forma um cloreto , nitrato , perclorato e sulfato solúvel em água e é precipitado como um fluoreto , oxalato ou hidróxido . O califórnio é o actinídeo mais pesado a exibir propriedades covalentes, como é observado no borato de califórnio.
Isótopos
Vinte radioisótopos de califórnio foram caracterizados, sendo o mais estável califórnio-251 com meia-vida de 898 anos, califórnio-249 com meia-vida de 351 anos, califórnio-250 com meia-vida de 13,08 anos e califórnio -252 com meia-vida de 2.645 anos. Todos os isótopos restantes têm meia-vida menor que um ano, e a maioria deles tem meia-vida menor que 20 minutos. Os isótopos de califórnio variam em número de massa de 237 a 256.
Californium-249 é formado a partir do decaimento beta do berquélio-249, e a maioria dos outros isótopos de califórnio são feitos submetendo o berquélio a intensa radiação de nêutrons em um reator nuclear . Embora o califórnio-251 tenha a meia-vida mais longa, seu rendimento de produção é de apenas 10% devido à sua tendência a coletar nêutrons (alta captura de nêutrons ) e sua tendência a interagir com outras partículas (alta seção transversal de nêutrons ).
Californium-252 é um emissor de nêutrons muito forte , o que o torna extremamente radioativo e prejudicial. Californium-252 sofre decomposição alfa 96,9% do tempo para formar o cúrio -248, enquanto os 3,1% restantes das decomposições são fissão espontânea . Um micrograma (μg) de califórnio-252 emite 2,3 milhões de nêutrons por segundo, uma média de 3,7 nêutrons por fissão espontânea. A maioria dos outros isótopos de decaimento de califórnio em isótopos de cúrio ( número atômico 96) via decaimento alfa.
História
Californium foi sintetizado pela primeira vez no Laboratório de Radiação da Universidade da Califórnia em Berkeley , pelos pesquisadores de física Stanley G. Thompson , Kenneth Street, Jr. , Albert Ghiorso e Glenn T. Seaborg em ou por volta de 9 de fevereiro de 1950. Foi o sexto transurânio elemento a ser descoberto; a equipe anunciou sua descoberta em 17 de março de 1950.
Para produzir califórnio, um alvo do tamanho de um micrograma de cúrio-242 (242
96Cm
) foi bombardeado com partículas de 35 MeV- alfa (4
2Ele
) no ciclotron de 60 polegadas de diâmetro (1,52 m) em Berkeley, que produziu califórnio-245 (245
98Cf
) mais um nêutron livre (
n
)
-
242
96Cm
+ 4
2Ele
→ 245
98Cf
+ 1
0
n
Para identificar e separar o elemento, foram realizados métodos de troca iônica e adsorção. Apenas cerca de 5.000 átomos de califórnio foram produzidos neste experimento, e esses átomos tinham meia-vida de 44 minutos.
Os descobridores batizaram o novo elemento em homenagem à universidade e ao estado. Isso foi uma quebra da convenção usada para os elementos 95 a 97, que se inspirou na forma como os elementos diretamente acima deles na tabela periódica eram nomeados. No entanto, o elemento diretamente acima do elemento 98 na tabela periódica, disprósio , tem um nome que significa simplesmente "difícil de obter", então os pesquisadores decidiram deixar de lado a convenção de nomenclatura informal. Eles acrescentaram que "o melhor que podemos fazer é apontar [que] ... os pesquisadores de um século atrás acharam difícil chegar à Califórnia".
Quantidades pesáveis de califórnio foram produzidas pela primeira vez pela irradiação de alvos de plutônio no Reactor de Teste de Materiais na Estação de Teste de Reator Nacional no leste de Idaho ; e essas descobertas foram relatadas em 1954. A alta taxa de fissão espontânea de califórnio-252 foi observada nessas amostras. O primeiro experimento com califórnio na forma concentrada ocorreu em 1958. Os isótopos califórnio-249 a califórnio-252 foram isolados naquele mesmo ano de uma amostra de plutônio-239 que havia sido irradiada com nêutrons em um reator nuclear por cinco anos. Dois anos depois, em 1960, Burris Cunningham e James Wallman do Laboratório de Radiação Lawrence da Universidade da Califórnia criaram os primeiros compostos de califórnio - tricloreto de califórnio , oxicloreto de califórnio e óxido de califórnio - tratando o califórnio com vapor e ácido clorídrico.
O High Flux Isotope Reactor (HFIR) no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) em Oak Ridge, Tennessee , começou a produzir pequenos lotes de califórnio na década de 1960. Em 1995, o HFIR produzia nominalmente 500 miligramas (0,018 onças) de califórnio por ano. O plutônio fornecido pelo Reino Unido aos Estados Unidos sob o Acordo de Defesa Mútua EUA-Reino Unido de 1958 foi usado para a produção de califórnio.
A Comissão de Energia Atômica vendeu califórnio-252 para clientes industriais e acadêmicos no início de 1970 por US $ 10 por micrograma e uma média de 150 mg (0,0053 onças) de califórnio-252 foram enviados a cada ano de 1970 a 1990. O metal califórnio foi preparado pela primeira vez em 1974 por Haire e Baybarz que reduziram o óxido de califórnio (III) com metal lantânio para obter quantidades de microgramas de filmes de espessura submicrométrica.
Ocorrência
Traços de califórnio podem ser encontrados perto de instalações que usam o elemento na prospecção de minerais e em tratamentos médicos. O elemento é bastante insolúvel em água, mas adere bem ao solo comum; e as concentrações dele no solo podem ser 500 vezes maiores do que na água ao redor das partículas do solo.
A precipitação de testes nucleares atmosféricos anteriores a 1980 contribuiu com uma pequena quantidade de califórnio para o meio ambiente. Isótopos de califórnio com números de massa 249, 252, 253 e 254 foram observados na poeira radioativa coletada do ar após uma explosão nuclear. Californium não é um dos principais radionuclídeos nos locais de legado do Departamento de Energia dos Estados Unidos , uma vez que não foi produzido em grandes quantidades.
Antigamente, acreditava-se que o Californium era produzido em supernovas , pois sua decomposição correspondia à meia-vida de 60 dias de 254 cfr. No entanto, estudos subsequentes falharam em demonstrar qualquer espectro de califórnio, e agora se pensa que as curvas de luz da supernova seguem a decadência do níquel-56 .
Os elementos transurânicos de amerício para férmio , incluindo califórnio, ocorreram naturalmente no reator de fissão nuclear natural em Oklo , mas não o fazem mais.
Produção
Californium é produzido em reatores nucleares e aceleradores de partículas . Californium-250 é feito bombardeando berquélio-249 (249
97Bk
) com nêutrons, formando berquélio-250 (250
97Bk
) por meio de captura de nêutrons (n, γ) que, por sua vez, decai rapidamente beta (β - ) para califórnio-250 (250
98Cf
) na seguinte reação:
-
249
97Bk
(n, γ)250
97Bk
→ 250
98Cf
+ β -
O bombardeio de califórnio-250 com nêutrons produz califórnio-251 e califórnio-252.
A irradiação prolongada de amerício , cúrio e plutônio com nêutrons produz quantidades em miligramas de califórnio-252 e quantidades em microgramas de califórnio-249. A partir de 2006, os isótopos de cúrio 244 a 248 são irradiados por nêutrons em reatores especiais para produzir principalmente califórnio-252 com quantidades menores de isótopos 249 a 255.
Quantidades de microgramas de califórnio-252 estão disponíveis para uso comercial por meio da Comissão Reguladora Nuclear dos EUA . Apenas dois locais produzem califórnio-252: o Laboratório Nacional de Oak Ridge nos Estados Unidos e o Instituto de Pesquisa de Reatores Atômicos em Dimitrovgrad, Rússia . Em 2003, os dois locais produziam 0,25 gramas e 0,025 gramas de califórnio-252 por ano, respectivamente.
Três isótopos de califórnio com meia-vida significativa são produzidos, exigindo um total de 15 capturas de nêutrons pelo urânio-238 sem fissão nuclear ou decaimento alfa ocorrendo durante o processo. Califórnio-253 está no final de uma cadeia de produção que começa com o urânio-238, inclui vários isótopos de plutônio , amerício , cúrio , berquélio e os isótopos de califórnio 249 a 253 (ver diagrama).
Formulários
Californium-252 tem várias aplicações especializadas como forte emissor de nêutrons, e cada micrograma de califórnio fresco produz 139 milhões de nêutrons por minuto. Esta propriedade torna o califórnio útil como uma fonte de inicialização de nêutrons para alguns reatores nucleares e como uma fonte de nêutrons portátil (não baseada em reator) para análise de ativação de nêutrons para detectar traços de elementos em amostras. Os nêutrons de califórnio são empregados no tratamento de certos cânceres cervicais e cerebrais, nos quais outras radioterapia são ineficazes. Ele tem sido usado em aplicações educacionais desde 1969, quando o Instituto de Tecnologia da Geórgia recebeu um empréstimo de 119 μg de califórnio-252 da fábrica de Savannah River . Também é usado com analisadores de carvão elementar online e analisadores de material a granel nas indústrias de carvão e cimento.
A penetração de nêutrons nos materiais torna o califórnio útil em instrumentos de detecção, como scanners de barra de combustível ; radiografia de nêutrons de aeronaves e componentes de armas para detectar corrosão , soldas ruins, rachaduras e umidade retida; e em detectores de metal portáteis. Medidores de umidade de nêutrons usam califórnio-252 para encontrar camadas de água e petróleo em poços de petróleo, como uma fonte de nêutrons portátil para prospecção de ouro e prata para análise no local e para detectar o movimento da água subterrânea. Os principais usos do califórnio-252 em 1982 foram, em ordem de uso, inicialização do reator (48,3%), varredura da barra de combustível (25,3%) e análise de ativação (19,4%). Em 1994, a maior parte do califórnio-252 foi usado em radiografia de nêutrons (77,4%), com varredura de barra de combustível (12,1%) e inicialização do reator (6,9%) como usos secundários importantes, mas distantes.
Californium-251 tem uma massa crítica calculada muito pequena de cerca de 5 kg (11 lb), alta letalidade e um período relativamente curto de irradiação ambiental tóxica. A baixa massa crítica do califórnio levou a algumas afirmações exageradas sobre os possíveis usos do elemento.
Em outubro de 2006, os pesquisadores anunciaram que três átomos de oganesson (elemento 118) foram identificados no Joint Institute for Nuclear Research em Dubna , Rússia , como o produto do bombardeio de califórnio-249 com cálcio-48 , tornando-o o elemento mais pesado de todos os tempos sintetizado. O alvo para esta experiência continha cerca de 10 mg de califórnio-249 depositado sobre uma folha de titânio de 32 cm2 de área. Californium também foi usado para produzir outros elementos de transurânio; por exemplo, o elemento 103 (mais tarde denominado lawrencium ) foi sintetizado pela primeira vez em 1961, bombardeando o califórnio com núcleos de boro .
Precauções
O califórnio que se bioacumula no tecido esquelético libera radiação que atrapalha a capacidade do corpo de formar glóbulos vermelhos . O elemento não desempenha nenhum papel biológico natural em nenhum organismo devido à sua intensa radioatividade e baixa concentração no meio ambiente.
O califórnio pode entrar no corpo pela ingestão de alimentos ou bebidas contaminados ou pela respiração de ar com partículas suspensas do elemento. Uma vez no corpo, apenas 0,05% do califórnio atingirá a corrente sanguínea. Cerca de 65% desse califórnio será depositado no esqueleto, 25% no fígado e o restante em outros órgãos, ou excretado, principalmente na urina. Metade do califórnio depositado no esqueleto e no fígado desaparece em 50 e 20 anos, respectivamente. O califórnio no esqueleto adere às superfícies ósseas antes de migrar lentamente por todo o osso.
O elemento é mais perigoso se for absorvido pelo corpo. Além disso, o califórnio-249 e o califórnio-251 podem causar danos ao tecido externamente, por meio da emissão de raios gama . A radiação ionizante emitida pelo califórnio nos ossos e no fígado pode causar câncer.
Notas
Referências
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links externos
- Californium na The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- NuclearWeaponArchive.org - Califórnia
- Banco de dados de substâncias perigosas - Califórnio, radioativo
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