Neptuni

Archiu:Neptunium2.jpg

Neptuni

El neptuni és un element transuránico de la taula periòdica el símbol de la qual és Np i la seua número atómico és 93. Quarto de la família dels actínits o segon periodo de transició interna del sistema periòdic dels elements. El seu nom prové del planeta Neptú.

Encara que a lo llarc dels anys es varen fer moltes afirmacions falses sobre el seu descobriment, l'element va ser sintetisat per primera volta per Edwin McMillan i Philip H. Abelson en el Laboratori de Radiació de Berkeley en 1940. Des de llavors, la major part del neptuni s'ha produït i se seguix produint per irradiació en neutronés d'urani en reactors nuclears. La gran majoria es genera com a subproducte en els reactors nuclears convencionals. Encara que el neptuni en sí no té usos comercials en l'actualitat, s'utilisa com a precursor per a la formació de plutoni-238, i en generadors termoelèctrics de radioisòtops per a proporcionar electricitat a naus espacials. El neptuni també s'ha utilisat en detectors de neutrons d'alta energia.

Història i obtenció

Va ser obtingut per primera volta en 1940 per Edwin Mattison McMillan i Philip Hauge Abelson bombardejant urani en deuterones de gran velocitat. l'isòtop 237 ha segut trobat, en cantitats molt menudes, en mines d'urani. S'obté més abundantment com a subproducte en la fabricació de plutoni 239. El neptuni metàlic s'obté del trifluoruro de neptuni per reducció en vapor de bari a 1.20 °C.

Antecedents i primeres reivindicacions

una taula en una cela típica que conté un símbol de dos lletres i un número en la taula de Dmitri Mendeleev de 1871, en un espai buit després de l'urani.

Quan la primera taula periòdica dels elements va ser publicada per Dmitri Mendeleev a principis de la década de 1870, mostrava un «—» en el lloc despuix de l'urani, similar a varis atres llocs per a elements llavors no descoberts. Atres taules posteriors d'elements coneguts, incloent una publicació de 1913 dels isòtops radiactius coneguts per Kasimir Fajans, també mostren un lloc buit despuix de l'urani, l'element 92.

Fins a i despuix del descobriment de l'últim component del núcleu atòmic, el neutró en 1932, la majoria dels científics no varen considerar sériament la possibilitat d'elements més pesats que l'urani. Si be la teoria nuclear de l'época no prohibia explícitament la seua existència, hi havia poques proves que ho indicaren. No obstant, el descobriment de la radioactividad induïda per Irène i Frédéric Joliot-Curie a fins de 1933 va donar lloc a un nou método d'investigació d'elements i va inspirar a un chicotet grup de científics italians liderats per Enrico Fermi a començar una série d'experiments en bombardeig de neutrons. Si ben l'experiment de Joliot i Curie involucrava el bombardeig d'una mostra de ²⁷Al en partícules alfa per a produir el ³⁰P radioactivo, Fermi es va donar conte de que per mig de l'us de neutrons, que carixen de càrrega elèctrica, és molt provable poguera obtindre millors resultats que utilisant partícules alfa en càrrega elèctrica positiva. Per lo tant, en març de 1934 va començar sistemàticament a bombardejar en neutrons tots els elements coneguts per a determinar si alguns atres podien ser induïts as radioactivos.

Després de varis mesos de treball, el grup de Fermi havia determinat de manera preliminar que els elements llaugers dispersaven l'energia del neutró capturat emetent un protón o partícula alfa i els elements més pesats generalment tindrien un comportament semblat encara que emetent un raig gamma. Este comportament posteriorment produïx en el decaiguda beta d'un neutró a protón, en la qual cosa l'isòtop resultant es desplaça un lloc cap a dalt en la taula periòdica. Quan l'equip de Fermi va bombardejar urani, varen observar el mateix efecte, la qual cosa sugeria molt fortament que l'isòtop resultant tenia un número atómico 93. Fermi va anar inicialment contrari a fer pública tal afirmació, pero en acabant de que el seu equip observara vàries vides miges desconegudes en els productes del bombardeig d'urani que no coincidien en les de cap isòtop conegut, va publicar un artícul titulat Possible producció d'elements d'número atómico superior a 92 en juny de 1934. En ell va propondre el nom ausonio (símbol atòmic Ao) per a l'element 93, pel nom grec Ausonia (Itàlia).

Ràpidament es varen plantejar vàries objeccions teòriques a les afirmacions de l'artícul de Fermi; en particular, el procés exacte que tenia lloc quan un àtom capturava un neutró no es comprenia be en aquell moment. Açò i el descobriment accidental de Fermi, tres mesos més tart, de que les reaccions nuclears podien ser induïdes per neutrons llents, varen fer dubtar a molts científics, especialment a Aristid von Grosse i Anada Noddack, de que l'experiment estiguera creant l'element 93. Mentres que l'afirmació de von Grosse de que Fermi estava produint realment protactinio (element 91) va ser ràpidament provada i refutada, la proposta de Noddack de que l'urani havia segut destrossat en dos o més fragments molt més menuts va ser simplement ignorada per la majoria perque la teoria nuclear existent no incloïa una forma de que açò fora possible. Fermi i el seu equip varen mantindre que en realitat estaven sintetisant un nou element, pero la qüestió va quedar sense resoldre durant varis anys.

Archiu:Rhenium single crystal bar and 1cm3 cube.jpg

Reni. Durant molt temps, els químics varen pensar que l'element 93 seria homòlec al reni, lo que feya casi impossible el descobriment i l'identificació del neptuni.

Encara que les moltes vides miges radiactives diferents i desconegudes en els resultats de l'experiment mostraven que s'estaven produint vàries reaccions nuclears, el grup de Fermi no podia demostrar que s'estava creant l'element 93 a menos que pogueren aïllar-ho químicament. Ells i molts atres científics varen intentar conseguir-ho, incloent a Otto Hahn i Lise Meitner que estaven entre els millors radioquímicos del món en eixe moment i recolzaven l'afirmació de Fermi, pero tots varen fracassar. Molt més tart, es va determinar que la raó principal d'este fracàs era que les prediccions de les propietats químiques de l'element 93 es basaven en una taula periòdica que caria de la série d'actínits. Esta disposició situava al protactinio per baix del tantalio, a l'urani per baix del wolframio, i ademés sugeria que l'element 93, en eixe moment denominat eka-reni, devia ser similar als elements del grup 7, inclosos el manganeso i el reni. El tori, el protactinio i l'urani, en els seus estats d'oxidació dominants de +4, +5 i +6 respectivament, varen enganyar als científics per a que pensaren que pertanyien per baix de l'hafni, el tàntal i el wolframio, i no per baix de la série dels lantànits, que en aquell moment es considerava una casualitat, i els membres de la qual tenen tots estats dominants de +3; el neptuni, en canvi, té un estat +7 molt més rar i inestable, sent +4 i +5 els més estables. En trobar que el plutoni i els atres elements transuránicos també tenen estats dominants +3 i +4, junt en el descobriment del bloc f, la série dels actínits va quedar fermament establida.

Mentres la qüestió de si l'experiment de Fermi havia produït l'element 93 estava estancada, varen aparéixer atres dos afirmacions sobre el descobriment de l'element, encara que a diferència de Fermi, abdós afirmaven haver-ho observat en la naturalea. La primera d'estes afirmacions va ser realisada per l'ingenier chec Odolen Koblic en 1934, quan va extraure una chicoteta cantitat de material de l'aigua de llavat de la pechblenda calfada. Va propondre el nom de bohemio per a l'element, pero despuix de ser analisat va resultar que la mostra era una mescla de tungsteno i vanadi. L'atra afirmació, realisada en 1938 pel físic rumà Horia Hulubei i la química francesa Yvette Cauchois, afirmava haver descobert el nou element a través de l'espectroscòpia en minerals. Varen cridar al seu element sequanium, pero l'afirmació va ser descartada perque la teoria predominant en eixe moment era que, d'existir, l'element 93 no existiria de forma natural. No obstant, com el neptuni està present en la naturalea en cantitats mínimes, com es va demostrar quan es va trobar en el mineral d'urani en 1952, és possible que Hulubei i Cauchois observaren realment el neptuni.

Encara que en 1938 alguns científics, inclós Niels Bohr, encara es mostraven contraris a acceptar que Fermi realment havia produït un nou element, no obstant va ser guardonat en el Premi Nobel de Física en novembre de 1938 "per les seues demostracions de l'existència de nous elements radiactius produïts per l'irradiació de neutrons, i pel seu descobriment relacionat de les reaccions nuclears provocades pels neutrons llents. Un més despuix, el descobriment casi totalment inesperat de fissió nuclear per part de Hahn, Meitner i Otto Frisch va posar fi a la possibilitat de que Fermi haguera descobert l'element 93 perque la majoria de les vides miges desconegudes que havia observats per l'equip de Fermi es varen identificar ràpidament com els de productes de fissió.

Potser l'intent més propenc de produir l'element faltante 93 va ser el realisat pel físic japonés Yoshio Nishina treballant en el químic Kenjiro Kimura en 1940, just abans de l'esclat de la Guerra del Pacífic en 1941: varen bombardejar ²³⁸O en neutrons ràpits. No obstant, mentres que els neutrons llents tendixen a induir la captura de neutrons a través d'una reacció (n, γ), els neutrons ràpits tendixen a induir una reacció de "knock-out" (n, 2n), a on s'agrega un neutró i s'eliminen dos més, lo que resulta en la pèrdua neta d'un neutró. Nishina i Kimura, despuix d'haver provat esta tècnica en ²³²Th i produït en èxit el conegut ²³¹Th i el seu fill de desintegració beta de llarga vida ²³¹ Pa (abdós es produïxen en la cadena de descomposició natural del ²³⁵O), per lo que es va assignar correctament la nova vida mija de 6,75 dies activitat que varen observar al nou isòtop ²³⁷U. Varen confirmar que este isòtop també era un emissor beta i, per lo tant, deu decaure en el nucleido desconegut ²³⁷93. Varen intentar aïllar este nucleido duent-ho en el seu supòsit congènere més llauger, el reni, pero no es va observar desintegració beta o alfa de la fracció que contenia reni: Nishina i Kimura varen especular correctament que la vida mija de ²³⁷93, com el de ²³¹Pa, era molt llarc i per lo tant la seua activitat seria tan dèbil que no seria mesurable pels seus equips, concloent aixina l'última i més propenca busca infructuosa d'elements transuránicos.

Descobriment

Foto en blanc i negre de maquinària pesada en dos operadors assentats a un costat.

El ciclotrón de 60 polzades en el Laboratori de Radiació Lawrence, Universitat de Califòrnia, Berkeley, en agost de 1939.

Mentres l'investigació sobre la fissió nuclear alvançava a principis de 1939, Edwin McMillan en el Laboratori de Radiació de Berkeley de l'Universitat de Califòrnia, Berkeley va decidir realisar un experiment bombardejant urani utilisant el potent ciclotrón de 60 polzades (1,52 m) que s'havia construït recentment en l'universitat. L'objectiu era separar els distints productes de fissió produïts pel bombardeig aprofitant l'enorme força que els fragments adquirixen per la seua mútua repulsió elèctrica despuix de la fissió. Encara que no va descobrir res important, McMillan va observar dos noves semividas de desintegració beta en el propi blanc de trióxido d'urani, lo que significava que lo que estava produint la radiactivitat no s'havia repelit violentament com els productes de fissió normals. Ràpidament es va donar conte de que una de les semividas coincidia en el periodo de desintegració conegut de 23 minuts de l'urani-239, pero l'atra semivida de 2,3 dies era desconeguda. McMillan va dur els resultats del seu experiment al químic i companyer professor de Berkeley Emilio Segrè per a intentar aïllar la font de la radiactivitat. Abdós científics varen començar el seu treball utilisant la teoria prevaleciente de que l'element 93 tindria una química similar al reni, pero Segrè ràpidament va determinar que la mostra de McMillan no s'assemblava en res al reni. En canvi, quan ho va fer reaccionar en fluorur d'hidrogen (HF) en un fort agent oxidant present, es va comportar de manera molt similar als membres de les terres rares. Ya que estos elements comprenen un gran percentage dels productes de fissió, Segrè i McMillan varen decidir que la vida mija deu haver segut simplement un atre producte de fissió, i varen titular l'artícul "Una busca fallanca d'elements transuránicos".

Archiu:Edwin McMillan Nobel.jpg

El neptuni va ser descobert per Edwin McMillan (en la foto) i Philip Abelson en 1940.

No obstant, a mida que es disponia de més informació sobre la fissió, la possibilitat de que els fragments de la fissió nuclear pogueren seguir estant presents en el blanc es feya més remota. McMillan i varis científics, entre ells Philip H. Abelson, varen intentar de nou determinar qué era lo que produïa la vida mija desconeguda. A principis de 1940, McMillan es va donar conte de que el seu experiment de 1939 en Segrè no havia pogut provar les reaccions químiques de la font radiactiva en suficient rigor. En un nou experiment, McMillan va provar a sometre la substància desconeguda a HF en presència d'un agent reductor, alguna cosa que no havia fet abans. Esta reacció va donar com a resultat que la mostra precipitara en el HF, acció que va descartar definitivament la possibilitat de que la substància desconeguda fora un metal de terres rares. Poc despuix, Abelson, que havia rebut el seu títul de Doctor en Ciències en l'universitat, va visitar Berkeley durant unes breus vacacions i McMillan va demanar al químic més capacitat que li ajudara en la separació dels resultats de l'experiment. Abelson va observar ràpidament que lo que produïa la vida mija de 2,3 dies no tenia una química pareguda a la de cap element conegut i que, en realitat, era més semblat a l'urani que a un metal de terres rares. Este descobriment finalment va permetre aïllar la font i més tart, en 1945, va conduir a la classificació de la série d'actínits. Com a pas final, McMillan i Abelson varen preparar una mostra molt més gran d'urani bombardejat que tenia una vida mija prominent de 23 minuts de ²³⁹O i varen demostrar de manera concloent que la vida mija desconeguda de 2,3 dies aumentava en força en coincidència en una disminució en l'activitat de 23 minuts a través de la següent reacció:

${}^{\mathrm{238}}{}_{\mathrm{92}}\mathrm{U}+{}^{\mathrm{1}}{}_{\mathrm{0}}\mathrm{n}⟶{}^{\mathrm{239}}{}_{\mathrm{92}}\mathrm{U}\underset{23\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{}^{\mathrm{239}}{}_{\mathrm{93}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2.355\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{y}\mathrm{s}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{}^{\mathrm{239}}{}_{\mathrm{94}}\mathrm{P}\mathrm{u}$ (Els temps són vides miges.)

Propietats físiques i químiques

S'obté artificialment. És un metal blanc plateado, similar químicament al urani. Existixen diverses varietats cristalines. El neptuni és un element reactiu que és mesclable a la majoria dels elements. Es presenta en diversos graus d'oxidació: +3, +4, +5, +6, i +7, sent +5 el que posseïx major estabilitat.