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Los óxidos de uranio (VI) o «torta amarilla» son un paso intermedio en el procesamiento de los minerales de uranio. |
Uranio
| Número atómico: | 92 | Radio atómico: | 240 pm (Van der Waals) |
| Símbolo atómico: | U | Punto de fusión: | 1133 °C |
| Peso atómico: | 238 | Punto de ebullición: | 4131 °C |
| Configuración electrónica: | 7s25f36d1 | Estados de oxidación: | 6, 5, 4, 3, 2, 1 |
Historia
El uso del uranio en su forma natural de óxido se remonta al año 79 d.C., cuando se utilizaba como agente colorante amarillo en los esmaltes de cerámica. En una antigua villa romana cerca de Nápoles (Italia) se encontró vidrio amarillo con un 1% de óxido de uranio. A finales de la Edad Media, la pechblenda se extraía de las minas de plata y se utilizaba como colorante en la industria del vidrio. La identificación del uranio como elemento se atribuye generalmente a Martin H. Klaproth. Mientras experimentaba con la pechblenda en 1789, llegó a la conclusión de que contenía un nuevo elemento, al que dio el nombre del recién descubierto planeta Urano (llamado así por el dios griego del cielo). Lo que Klaproth identificó en realidad no fue el elemento puro, sino el óxido de uranio. El metal puro fue aislado por primera vez en 1841 por Eugène-Melchior Péligot, que redujo el tetracloruro de uranio anhidro con metal de potasio.
En 1896 Antoine H. Becquerel descubrió que el uranio presentaba una luz o rayos invisibles; era la radiactividad. En 1934, las investigaciones de Enrico Fermi y otros condujeron finalmente al uso de la fisión del uranio en la primera arma nuclear utilizada en la guerra y, posteriormente, al uso pacífico del uranio como combustible en la producción de energía nuclear. La consiguiente carrera armamentística entre Estados Unidos y la Unión Soviética durante la Guerra Fría produjo decenas de miles de armas nucleares que utilizaban uranio metálico y plutonio-239 derivado del uranio. La seguridad de esas armas y su material fisible tras la desintegración de la Unión Soviética en 1991 es una preocupación constante.
En 1972, el físico francés Francis Perrin descubrió antiguos reactores de fisión nuclear naturales ya no activos en depósitos de mineral de uranio en la mina de Oklo, en Gabón, África Occidental, conocidos colectivamente como los Reactores Fósiles de Oklo. El yacimiento tiene una antigüedad de 1.700 millones de años; en esa época, el uranio 235 constituía aproximadamente el 3% del uranio total de la Tierra (0,72% en la actualidad). Esto es lo suficientemente alto como para permitir que se produzca una reacción de fisión nuclear en cadena sostenida, siempre que existan otras condiciones geológicas de apoyo.
Isótopos
El uranio es débilmente radiactivo porque todos los isótopos naturales (o primordiales) del uranio (238U, 235U y 234U) son inestables, con vidas medias que varían entre 159.200 años y 4.500 millones de años. Se conocen 27 isótopos de uranio de pesos atómicos 217-219, 222-240 y 242, con vidas medias que van desde miles de millones de años hasta unos pocos nanosegundos. El uranio natural consta de tres isótopos principales: 238U (99,28% de abundancia), 235U (0,71%) y 234U (0,0054%). (El DOE estadounidense ha adoptado el valor de 0,711 como su porcentaje oficial de 235U en el uranio natural). Los tres isótopos son radiactivos, con pequeñas probabilidades de sufrir una fisión espontánea, pero decaen preferentemente por emisión alfa. La vida media del uranio-238 es de unos 4.470 millones de años y la del uranio-235 es de 704 millones de años, lo que los hace útiles para datar la edad de la Tierra. También sugiere que la mitad del uranio que existía desde la formación de la Tierra ha decaído a otros elementos radiactivos y, finalmente, a elementos estables. Gran parte del calor interno de la Tierra se atribuye a la desintegración de los radioisótopos del uranio y el torio.
El uranio-238 es un emisor de partículas α (ocasionalmente, sufre una fisión espontánea), que se desintegra a través de la «serie del uranio» de desintegración nuclear, que tiene 18 miembros, todos los cuales acaban desintegrándose en plomo-206, por una variedad de vías de desintegración diferentes. La serie de desintegración del 235U, llamada serie del actinio, tiene 15 miembros, todos los cuales acaban desintegrándose en plomo-207. Las tasas constantes de desintegración en estas series de desintegración hacen que la comparación de las proporciones de los elementos padre e hijo sea útil en la datación radiométrica. El uranio-234 es un miembro de la «serie del uranio», y decae a plomo-206 a través de una serie de isótopos de vida relativamente corta. El uranio-233 se fabrica a partir del torio-232 por bombardeo de neutrones, normalmente en un reactor nuclear, y el 233U también es fisible. Su serie de desintegración termina con el talio-205.
Fuentes
El uranio es el elemento más pesado disponible en la naturaleza en grandes cantidades. Los elementos «transuránicos» más pesados son fabricados por el hombre o sólo existen en cantidades mínimas en los yacimientos de uranio como productos de activación. El uranio se encuentra de forma natural en bajas concentraciones de unas pocas partes por millón en el suelo, la roca y el agua, y se extrae comercialmente de los minerales que contienen uranio. El uranio, que no es tan raro como se pensaba, se considera ahora más abundante que el mercurio, el antimonio, la plata o el cadmio, y es casi tan abundante como el molibdeno o el arsénico. Se encuentra en numerosos minerales naturales como la pechblenda, la uraninita, la carnotita, la autunita, la uranofana y la tobernita. También se encuentra en rocas de fosfato, lignito y arenas de monacita, y se recupera comercialmente de estas fuentes. El Departamento de Energía de los Estados Unidos compra uranio en forma de concentrados aceptables de U3O8. Este programa de incentivos ha aumentado en gran medida las reservas de uranio conocidas.
Propiedades
El uranio puro es un metal blanco plateado, débilmente radiactivo, más duro que la mayoría de los elementos. Es maleable, dúctil, ligeramente paramagnético, fuertemente electropositivo y es un mal conductor eléctrico. El uranio metálico tiene una densidad muy alta, siendo aproximadamente un 70% más denso que el plomo, pero ligeramente menos denso que el oro. El uranio metal se presenta en tres modificaciones cristalográficas: alfa –> (688°C) –> beta –> (776°C) –> gamma. El uranio es pirofórico cuando está finamente dividido. Es un poco más blando que el acero y es atacado por el agua fría en estado finamente dividido.En el aire, el uranio metálico se recubre de una capa de óxido. Los ácidos disuelven el metal, formando el estado de oxidación +3 que se oxida rápidamente con el agua y el aire para formar estados de oxidación superiores. El uranio metálico no se ve afectado por los álcalis. El uranio metal puede prepararse reduciendo los haluros de uranio con metales alcalinos o alcalinotérreos o reduciendo los óxidos de uranio con calcio, aluminio o carbono a altas temperaturas. El metal también puede producirse por electrólisis de KUF5 o UF4, disuelto en una mezcla de sal fundida de CaCl2 y NaCl. El uranio de gran pureza puede prepararse mediante la descomposición térmica de haluros de uranio en un filamento caliente.
El uranio metálico reacciona con casi todos los elementos no metálicos y sus compuestos, aumentando la reactividad con la temperatura. Los ácidos clorhídrico y nítrico disuelven el uranio, pero los ácidos no oxidantes distintos del clorhídrico atacan el elemento muy lentamente. Cuando está finamente dividido, puede reaccionar con el agua fría. En el aire, el uranio metálico se oxida y se recubre de una capa oscura de óxido de uranio. El uranio forma una gran variedad de aleaciones y compuestos; los estados de oxidación más importantes son el uranio (IV) y el uranio (VI), y sus dos óxidos correspondientes son, respectivamente, el dióxido de uranio, UO2 y el trióxido de uranio, UO3. Además de los óxidos, otros compuestos importantes del uranio son los fluoruros, cloruros, bromuros, yoduros, carbonatos, hidruros, carburos, nitruros, fosfatos, etc. A temperatura ambiente, el hexafluoruro de uranio, UF6, tiene una alta presión de vapor, lo que lo hace útil en el proceso de difusión gaseosa utilizado para separar el raro U-235 del isótopo común U-238. Los hidruros, nitruros y carburos de uranio son compuestos semimetálicos relativamente inertes que son mínimamente solubles en ácidos y se han utilizado como pastillas de combustible estables en la tecnología de los reactores de energía nuclear.
El uranio existe en soluciones acuosas en los estados de oxidación +3, +4, +5 y +6. El estado de oxidación +6 como ion UO22+ (de color amarillo) es el estado más estable en solución. El uranio en el estado +5 como ion UO2+ es incoloro, bastante inestable y se desproporciona (reacciona consigo mismo) para formar los estados +6 y +4. El estado +4 (verde) es razonablemente estable en solución, pero el estado +3 (verde oscuro o rojo oscuro según la fuente de iluminación – luz diurna frente a luz fluorescente) es inestable y se oxida fácilmente a +4. El estado +4 en soluciones de pH casi neutro se hidroliza fácilmente para formar precipitados negros de óxido-hidróxido.
Usos
El uranio se utilizaba como agente colorante en los esmaltes cerámicos y en el vidrio en la antigua Roma y en la Edad Media, produciendo matices entre el rojo anaranjado y el amarillo limón. Más recientemente, se utilizó como esmalte naranja en la vajilla Fiestaware© contemporánea, pero posteriormente se dejó de utilizar por motivos de salud. Muchos usos contemporáneos del uranio aprovechan sus propiedades nucleares únicas. El uranio 235 se distingue por ser el único isótopo naturalmente fisible. Esto significa que puede dividirse en dos o tres fragmentos (productos de fisión) mediante neutrones térmicos. El uranio-238 es fisionable por neutrones rápidos y es fértil, lo que significa que puede transmutarse en plutonio-239 fisionable en un reactor nuclear. Otro isótopo fisible, el uranio-233, puede producirse a partir del torio natural y también es importante en la tecnología nuclear. Mientras que el uranio-238 tiene una pequeña probabilidad de fisión espontánea o incluso de fisión inducida con neutrones rápidos, el uranio-235 y, en menor medida, el uranio-233 tienen una sección transversal de fisión mucho mayor para los neutrones lentos. En una concentración suficiente, estos isótopos mantienen una reacción nuclear en cadena sostenida. Esto genera el calor en los reactores de energía nuclear y produce el material fisible para las armas nucleares. Esta conversión nuclear puede llevarse a cabo en reactores reproductores en los que es posible producir más material fisionable nuevo que el utilizado para mantener la reacción en cadena. El uranio empobrecido (238U) (empobrecido de uranio-235) se utiliza en la penetración de blindajes balísticos y como blindaje.
El uranio-238 no es fisible, pero es un isótopo fértil, ya que tras la activación neutrónica puede producir plutonio-239, otro isótopo fisible. En efecto, el núcleo del238U puede absorber un neutrón para producir el isótopo radiactivo uranio-239. El 239U decae por emisión beta en neptunio-239, también emisor beta, que decae a su vez, en pocos días, en plutonio-239. El 239Pu se utilizó como material fisible en la primera bomba atómica detonada en la «prueba Trinity» el 15 de julio de 1945 en Nuevo México.
El uranio-235 tiene una importancia aún mayor porque es la clave para utilizar el uranio. El 235U, aunque se encuentra en el uranio natural en una proporción de sólo el 0,71%, es tan fisionable con neutrones lentos que se puede realizar una reacción de fisión en cadena autosostenida en un reactor construido sólo con uranio natural y un moderador adecuado, como agua pesada o grafito.
El uranio 235 puede concentrarse mediante difusión gaseosa y otros procesos físicos, si se desea, y utilizarse directamente como combustible nuclear, en lugar del uranio natural, o utilizarse como explosivo.
El uranio natural, ligeramente enriquecido con 235U en un pequeño porcentaje, se utiliza como combustible en los reactores nucleares para generar electricidad. El torio natural puede ser irradiado con neutrones para producir el importante isótopo 233U de la siguiente manera: 232Th(n, gamma) –> 233Th(beta) –> 233Pa(beta) –> 233U. Mientras que el torio en sí mismo no es fisionable, el 233U sí lo es, y de este modo puede utilizarse como combustible nuclear. Una libra de uranio completamente fisionado tiene el valor de combustible de más de 1500 toneladas de carbón.
Los usos de los combustibles nucleares para generar energía eléctrica, para fabricar isótopos con fines pacíficos y para fabricar explosivos son bien conocidos. El uranio en Estados Unidos está controlado por la Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos. Se están encontrando nuevos usos para el uranio empobrecido, es decir, el uranio con un porcentaje de 235U reducido al 0,2% aproximadamente. El uranio se utiliza en dispositivos de guiado inercial, en brújulas giroscópicas, como contrapesos para las superficies de control de los aviones, como lastre para los vehículos de reentrada de misiles y como material de blindaje. El uranio metálico se utiliza en objetivos de rayos X para la producción de rayos X de alta energía; el nitrato se utilizó en su día como tóner fotográfico, y el acetato se empleó en química analítica. Los cristales de nitrato de uranio son triboluminiscentes. Las sales de uranio también se han utilizado para producir vidrios y esmaltes de color amarillo «vaselina».
Peligros
El uranio y sus compuestos son muy tóxicos, tanto desde el punto de vista químico como radiológico. El uranio metálico finamente dividido, al ser pirofórico, presenta un peligro de incendio. En la naturaleza, el U(VI) forma complejos de carbonato muy solubles a pH alcalino. Esto hace que aumente la movilidad y la disponibilidad del uranio en las aguas subterráneas y el suelo de los depósitos de residuos nucleares, lo que conlleva riesgos para la salud. Trabajar con uranio requiere conocer las concentraciones máximas permitidas que pueden ser inhaladas o ingeridas. Recientemente, la presencia natural de uranio en muchos suelos se ha convertido en una preocupación para los propietarios de viviendas debido a la generación de gas radón radiactivo y sus hijas, especialmente en espacios confinados con poca circulación, como los sótanos.
Actualizado por el Dr. David Hobart, 23 de julio de 2013