Berkelio

El berkelio es un elemento sintético de la tabla periódica cuyo símbolo es el Bk y su número atómico es 97. Pertenece a la serie de los actínidos y elementos transuránicos.[1] Su nombre es un homenaje a la ciudad de Berkeley, California,[2] donde se encuentra el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, Lo descubrieron en 1949 S. G. Thompson, A. Ghiorso y G. T. Seaborg en la Universidad de California en Berkeley.[3] El berkelio fue el quinto elemento transuránido sintético descubierto luego del neptunio, plutonio, curio y americio.

Una pequeña muestra de un líquido azul en una pipeta de plástico, sostenida por una mano protegida por un guante grueso.
Berkelio en solución
Curio ← Berkelio → Californio
 
 
97		 Bk
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla ampliada

Una micrografía de la primera muestra aislada (1.7 µg) de Berkelio.
Información general
Nombre, símbolo, número Berkelio, Bk, 97
Serie química Actínidos
Grupo, período, bloque Actínidos, 7, f
Masa atómica 247 u
Configuración electrónica [Rn] 5f9 7s2
Electrones por nivel 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2 (imagen)
Apariencia Blanco frágil
Propiedades atómicas
Electronegatividad 1.3 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 297 pm (radio de Bohr)
Radio de van der Waals 1700 pm
Estado(s) de oxidación +2, +3, +4
1.ª energía de ionización 601 kJ/mol
Líneas espectrales
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 14790 kg/m3
Punto de fusión 1219 K (946 °C)
Punto de ebullición 2627 K (2354 °C)
Entalpía de vaporización 310 kJ/mol
Varios
Estructura cristalina Hexagonal compacta
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del berkelio
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
245BkSintético4,94 d0,810
6,455		0,810
6,455		245Cm
241Am
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

El isótopo principal del berkelio es el berkelio-249,[4] el cual se sintetiza en cantidades ínfimas en un reactor nuclear de alto flujo, especialmente en el Oak Ridge National Laboratory de Tennessee, Estados Unidos, y en el Research Institute of Atomic Reactors de Dimitrovgrad, Rusia. Para producir el isótopo berkelio-247, se irradia el isótopo sintético curio-244, que es muy escaso, con partículas alfa de alta energía.

Desde 1967, la producción total de berkelio en los Estados Unidos apenas supera la cantidad de un gramo. No existe, pues, una aplicación práctica del berkelio, aparte de la investigación científica, que se centra principalmente en la síntesis de elementos transuránicos más pesados y transactínidos.[5] En el año 2009, en Oak Ridge, se preparó una cantidad de 22 miligramos de berkelio-249 mediante la irrradiación durante 250 días, seguida de un proceso de purificación de 90 días. Esta muestra fue utilizada para sintetizar, en 2009 y por primera vez, el elemento ununseptio en el Joint Institute for Nuclear Research, Rusia, tras ser bombardeado con iones de calcio-48 durante 150 días. Este experimento fue la culminación de la colaboración entre Rusia y los Estados Unidos para la síntesis de los elementos 113 al 118.

El berkelio es un metal radiactivo, blando y de color plateado blanquecino. El isótopo berkelio-249 emite electrones de baja energía y por lo tanto es relativamente segura su manipulación. Sin embargo, su vida media es de 330 días y, al desintegrarse, da como resultado californio-249, un emisor de partículas alfa muy potente y peligroso. Esta transformación gradual resulta especialmente problemática cuando se estudian las propiedades del berkelio elemental y sus compuestos químicos, dado que la formación del californio no solo produce contaminación química, sino también daño por radiación autoinfligido, además de ser termógeno debido a las partículas alfa que emite.

Características

Físicas
Capas secuenciales de esferas dispuestas de arriba a abajo: GRGBGRGB (G=verde, R=rojo, B=azul)
Empaquetamiento compacto doble-hexagonal con la secuencia de capas ABAC en la estructura cristalina de α-berkelio (A: verde, B: azul, C: rojo)

El berkelio es un actínido metal blando, de color blanco plateado y radiactivo. En la tabla periódica, se encuentra a la derecha del actínido curio, a la izquierda del actínido californio y debajo del lantánido terbio con el que comparte muchas similitudes en propiedades físicas y químicas. Su densidad de 14,78 g/cm3 se sitúa entre la del curio (13,52 g/cm3) y la del californio (15,1 g/cm 3), al igual que su punto de fusión de 986 °C, inferior al del curio (1340 °C) pero superior al del californio (900 °C).[6] El berkelio es relativamente suave y tiene uno de los módulos de compresibilidad más bajos entre los actínidos, aproximadamente 20 GPa (2×1010 Pa).[7]

Los iones de berkelio(III) presentan dos picos agudos de fluorescencia a 652 nanómetros (luz roja) y 742 nanómetros (rojo profundo – infrarrojo cercano) debido a transiciones en la capa f-electrones. La intensidad relativa de estos picos depende de la potencia de excitación y la temperatura de la muestra. Esta emisión se puede observar, por ejemplo, después de dispersar iones de berkelio en un vidrio de silicato, fundiendo el vidrio en presencia de óxido o haluro de berkelio.[8][9]

Entre 70 K y la temperatura ambiente, el berkelio se comporta como un material paramagnético Curie-Weiss con un momento magnético efectivo de 9,69 magnetones de Bohr (µB) y una temperatura de Curie de 101 K. Este momento magnético es casi igual al valor teórico de 9,72 µB calculado dentro del modelo de acoplamiento L-S atómico simple. Al enfriarse a aproximadamente 34 K, el berkelio experimenta una transición a un estado antiferromagnético.[10] La entalpía de disolución en ácido clorhídrico en condiciones estándar es −600 kJ/mol, de donde la entalpía estándar de formación (ΔfH°) de Bk3+ iones se obtiene como −601 kJ/mol. El potencial de electrodo estándar Bk3+/Bk es −2,01 V.[11] El potencial de ionización de un átomo de berkelio neutro es 6.23 eV.[12]

Alótropos

En condiciones ambientales, el berkelio asume su forma α más estable que tiene una simetría hexagonal, grupo espacial P63/mmc, parámetros de red de 341 p. m. y 1107 p. m.. El cristal tiene una estructura de doble empaquetamiento compacto hexagonal con la secuencia de capas ABAC y también es isotípico (que tiene una estructura similar) con α-lantano y α-formas de actínidos más allá del curio.[13] Esta estructura cristalina cambia con la presión y la temperatura. Cuando se comprime a temperatura ambiente a 7 GPa, el α-berkelio se transforma en la modificación β, que tiene un cúbico centrado en las caras (fcc) simetría y grupo espacial Fm3m. Esta transición ocurre sin cambios en el volumen, pero la entalpía aumenta en 3,66 kJ/mol.[14] Tras una mayor compresión a 25 GPa, el berkelio se transforma en una estructura de ortorrómbico γ-berkelio similar a la del α-uranio. Esta transición va acompañada de una disminución del volumen del 12 % y la deslocalización de los electrones en la capa de electrones 5f.[15] No se observan más transiciones de fase hasta 57 GPa.[16][17]

Al calentarse, el α-berkelio se transforma en otra fase con un entramado fcc (pero ligeramente diferente del β-berkelio), grupo espacial Fm3m y la constante de entramado de 500 p. m.; esta estructura fcc es equivalente al empaquetamiento más cercano con la secuencia ABC. Esta fase es metaestable y volverá gradualmente a la fase original de α-berkelio a temperatura ambiente.[13] Se cree que la temperatura de la transición de fase es bastante cercana al punto de fusión. [18][19][20]

Químicas

Como todos los actínidos, el berkelio se disuelve en varios ácidos inorgánicos acuosos, liberando hidrógeno gaseoso y convirtiéndose en el estado berkelio(III). Este trivalente estado de oxidación (+3) es el más estable, especialmente en soluciones acuosas,[21][22] pero también se conocen compuestos de berkelio tetravalente (+4)[23] y posiblemente divalente (+2). La existencia de sales divalentes de berkelio es incierta y sólo se ha reportado en fundidos mixtos de cloruro de lantano(III)-cloruro de estroncio.[24][25]> Un comportamiento similar se observa para el análogo lantánido del berkelio, el terbio.[26] Las soluciones acuosas de los iones Bk3+ son verdes en la mayoría de los ácidos. El color de los iones Bk4+ es amarillo en ácido clorhídrico y naranja-amarillo en ácido sulfúrico.[24][27][28] El berkelio no reacciona rápidamente con el oxígeno a temperatura ambiente, posiblemente debido a la formación de una capa protectora de óxido en la superficie. Sin embargo, reacciona con metales fundidos, hidrógeno, halógenos, calcógenos y pnicógenos para formar varios compuestos binarios.[10][18]

Ocurrencia

Todos los isótopos del berkelio tienen una vida media demasiado corta para ser un nucleido primordial. Por lo tanto, cualquier berkelio primordial -es decir, el berkelio presente en la Tierra durante su formación- ya se ha descompuesto.

En la Tierra, el berkelio se concentra sobre todo en ciertas zonas, que se utilizaron para las pruebas de armas nucleares atmosféricas entre 1945 y 1980, así como en los lugares de los incidentes nucleares, como el desastre de Chernóbil, el accidente de Three Mile Island y el accidente del B-52 de la base aérea de Thule de 1968. El análisis de los restos en el lugar de pruebas de la primera arma termonuclear de los Estados Unidos, Ivy Mike, (1 de noviembre de 1952, Atolón Enewetak), reveló altas concentraciones de varios actínidos, incluido el berkelio. Por razones de secreto militar, este resultado no se publicó hasta 1956.[29]

Los reactores nucleares producen principalmente, entre los isótopos del berkelio, el berkelio-249. Durante el almacenamiento y antes de la eliminación del combustible, la mayor parte se degrada a californio-249. Este último tiene una vida media de 351 años, que es relativamente larga en comparación con los otros isótopos producidos en el reactor,[30] y, por tanto, no es deseable en los productos de eliminación.

Los elementos transuránicos desde el americio hasta el fermio, incluido el berkelio, se daban de forma natural en el reactor nuclear natural de Oklo, pero ya no lo hacen.[31]

El berkelio es también uno de los elementos que se han detectado en la Estrella de Przybylski.

Referencias
  1. Fundamentos de radioquímica. UAEM. ISBN 9789688355664. Consultado el 31 de enero de 2018.
  2. Fochi, Gianni (2001). El secreto de la química. Ediciones Robinbook. ISBN 9788495601278. Consultado el 31 de enero de 2018.
  3. Bravo, Luis Alberto (1978). Tabla periódica en espiral y propiedades zonales. Reverte. ISBN 9788429170610. Consultado el 31 de enero de 2018.
  4. Diccionario de química. Editorial Complutense. 2003. ISBN 9788489784727. Consultado el 31 de enero de 2018.
  5. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
  6. Hammond C. R. "The elements" in Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
  7. Benedict, U. (1984). "Study of actinide metals and actinide compounds under high pressures". Journal of the Less Common Metals. 100: 153–170.
  8. Assefa, Z.; Haire, R. G.; Stump, N. A. (1998). «Emission profile of Bk(III) in a silicate matrix: anomalous dependence on excitation power». Journal of Alloys and Compounds. 271-273: 854-858. doi:10.1016/S0925-8388(98)00233-3.
  9. Rita Cornelis, Joe Caruso, Helen Crews, Klaus Heumann Handbook of elemental speciation II: species in the environment, food, medicine & occupational health. Volume 2 of Handbook of Elemental Speciation, John Wiley and Sons, 2005, ISBN 0-470-85598-3 p. 553
  10. Peterson y Hobart, 1984, p. 45.
  11. Fuger, J.; Haire, R. G.; Peterson, J. R. (1981). «A new determination of the enthalpy of solution of berkelium metal and the standard enthalpy of formation of Bk3+ (aq)». Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 43 (12): 3209. doi:10.1016/0022-1902(81)80090-5.
  12. Peterson y Hobart, 1984, p. 34.
  13. Peterson, J. R.; Fahey, J. A.; Baybarz, R. D. (1971). "The crystal structures and lattice parameters of berkelium metal". J. Inorg. Nucl. Chem. 33 (10): 3345–51.
  14. Peterson y Hobart, 1984, p. 44.
  15. Itie, J. P.; Peterson, J. R.; Haire, R. G.; Dufour, C.; Benedict, U. (1985). "Delocalisation of 5f electrons in berkelium-californium alloys under pressure". Journal of Physics F: Metal Physics. 15 (9): L213.
  16. Benedict, U. (1984). «Estudio de metales actínidos y compuestos actínidos bajo altas presiones». Journal of the Less Common Metals 100: 153- 170. doi:10.1016/0022-5088(84)90061-4.
  17. Joven, David A. PA228 Diagramas de fase de los elementos, University of California Press, 1991, ISBN 0-520-07483-1 p. 228
  18. Hobart, David E.; Peterson, Joseph R. (2006). "Berkelium". In Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (eds.). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (PDF). Vol. 3 (3rd ed.). Dordrecht, the Netherlands: Springer. pp. 1444–98.
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  20. Ward, John W.; Kleinschmidt, Phillip D.; Haire, Richard G. (1982). «Vapor pressure and thermodynamics of Bk-249 metal». J. Chem. Phys. 77 (3): 1464-68. Bibcode:1982JChPh..77.1464W. doi:10.1063/1.443975.
  21. Deblonde, Gauthier J.-P.; Kelley, Morgan P.; Su, Jing; Batista, Enrique R.; Yang, Ping; Booth, Corwin H.; Abergel, Rebecca J. (2018). «Spectroscopic and Computational Characterization of Diethylenetriaminepentaacetic Acid/Transplutonium Chelates: Evidencing Heterogeneity in the Heavy Actinide(III) Series». Angewandte Chemie International Edition (en inglés) 57 (17): 4521-4526. ISSN 1521-3773. PMID 29473263. doi:10.1002/anie.201709183.
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  23. Deblonde, Gauthier; Sturzbecher-Hoehne, Manuel; Rupert, Peter; An, Dahlia; Illy, Marie-Claire; Ralston, Corie; brabec, Jiri; de Jong, Wibe; Strong, Roland; Abergel, Rebecca (2017). "Chelation and stabilization of berkelium in oxidation state +IV". Nature Chemistry. 9 (9): 843–849.
  24. Peterson y Hobart, 1984, p. 55.
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