Plutônio Nonagesimo quarto elemento da Tabela periodica
O Plutónio (português europeu) ou plutônio (português brasileiro) (em homenagem ao corpo celeste Plutão) é um elemento químico representado pelo símbolo Pu e de número atómico igual a 94 (94 protões e 94 electrões). À temperatura ambiente, o plutónio encontra-se no estado sólido. Pertencente a família dos actinídeos, é um metal de cor prateada-branca, radioativo, frágil e muito denso. Tem o maior número atômico dentre os elementos primordiais, é encontrado em poucas quantidades junto a minérios de urânio, sendo formado naturalmente por capturas neutrônicas de átomos de urânio.
Amplamente utilizado em armas nucleares, a primeira arma nuclear detonada no mundo em 1945 nos EUA, Experiência Trinity, usava uma carga de plutônio em seu núcleo, assim como o Fat Man, arma nuclear lançada sobre Nagasaki. Também é utilizado em reatores nucleares civis e gerador termoelétrico de radioisótopos em sondas espaciais.
Ele difere muito em suas características físico-químicas com os elementos do resto do grupo. Possui sete diferentes formas alotrópicas com base na temperatura e pressão aplicadas:α, β, γ, δ, δ', ε e ζ. Levando a níveis de oxidação de +2 a +7. A densidade varia de entre as formas alotrópicas de 19,8g/cm³ (α-Pu) a 15,9g / cm³ (δ-Pu).
História:
Descoberta:
Enrico Fermi e uma equipe de cientistas da Universidade de Roma informou que eles haviam descoberto o elemento 94 em 1934. Fermi chamou o elemento de hesperium e mencionou o nome em sua palestra em 1938. A amostra foi na verdade uma mistura de bário , criptônio e outros elementos, mas isso não era conhecido na época, porque a fissão nuclear não tinha sido descoberta ainda.
Glenn T. Seaborg e sua equipe, em Berkeley, foram os primeiros a produzir plutónio. Plutónio (especificamente, plutónio-238) foi produzido pela primeira vez e isolado em 14 de dezembro de 1940, e quimicamente identificado em 23 de fevereiro de 1941 por Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph William Kennedy, e Arthur Wahl. era produzido pelo bombardeio de urânio por deuterio em um ciclotron de 150 cm na Universidade da Califórnia, Berkeley. No experimento de 1940, Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas deteriorado por emissão beta , dois dias depois, o que indicou a formação do elemento 94.
Um trabalho documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado à revista "Physical Review março 1941. O artigo foi retirado antes da publicação, após a descoberta de que um isótopo do novo elemento (plutônio-239) pode sofrer fissão nuclear em uma maneira que possa ser útil em uma bomba atômica. A publicação foi atrasada até um ano após o final da Segunda Guerra Mundial , devido a preocupações de segurança.
Edwin McMillan tinha nomeado recentemente o primeiro elemento transurânico depois do planeta Netuno , e sugeriu que o elemento 94, sendo o elemento seguinte na série, deveria ser nomeado para o que era, até então, considerado o próximo planeta, Plutão. Seaborg originalmente considerou o nome "plutium", mas depois pensou que não tinha som tão bom quanto "plutónio." Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, que passou sem aviso prévio para a tabela periódica. Outros nomes alternativos considerados por Seaborg e outros foram "ultimium" ou "extremium" devido à crença errônea de que tinham encontrado o último possível elemento na tabela periódica .
Primeiras pesquisas:
A química de base de plutónio foi encontrada e assemelha-se a do urânio, após alguns meses de estudo inicial. As pesquisas iniciais foram mantidas em segredo no Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago. Em 18 de agosto de 1942, uma quantidade deste elemento foi isolado e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutónio-239 combinado e com produtos da fissão do urânio foi produzido e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. Esta amostra permitiu aos químicos que determinassem o peso do novo elemento químico.
Em 1942 os E.U.A havia acumulado 500 gramas de sais de plutónio, e formou três grupos de cientistas para analisar melhor o elemento:
Um grupo de cientistas deveria fornecer plutónio puro por métodos químicos (Los Alamos: JW Kennedy, CS Soares, AC Wahl, CS Garner, IB Johns), Outro grupo, que estudou o comportamento de plutónio em soluções, incluindo um estudo de seus estados de oxidação, potenciais de ionização e da cinética de reação (Berkeley : WM Latimer, ED Eastman, RE Connik, JW Gofman, etc) E o grupo, que estudou a química dos complexos de íons de plutónio (Iowa: FH Spedding, WH Sullivan, FA Voigt, como Newton) e vários outros grupos de menor influência e importância.
Em novembro de 1943, trifluoreto de plutónio foi reduzido para criar a primeira amostra de plutónio metálico: alguns microgramas de plutónio metálico. Foi o primeiro elemento transurânico sintetizado artificialmente com uma amostra pura visível a olho nu. As propriedades nucleares de plutónio-239 também foram estudadas, os pesquisadores descobriram que quando ele é atingido por um nêutron se rompe (fissões) liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutónio-239 e assim por diante, e formar uma exponencial reação em cadeia. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade, se o isótopo estiver concentrado o suficiente para formar uma massa crítica.
Na URSS as primeiras experiências para criar Pu-239 ocorreram de 1934-1944, sob a liderança de intelectuais Igor Kurchatov e B. Khlopin. Em pouco tempo, a União Soviética realizou amplos estudos sobre as propriedades de plutónio. No início de 1945, o primeiro cíclotron da Europa foi construído em 1937 no Instituto Radium, a primeira amostra de plutónio foi obtida ao irradiar urânio no cíclotron. Na cidade de Ozersk em 1945 começou a construção do primeiro reator nuclear comercial para produzir plutónio, o primeiro objeto de Mayak , que foi executado 19 junho de 1948.
Produção durante o Projeto Manhattan:
Locais de pesquisa do Projeto Manhattan.
O Projeto Manhattan começou com uma carta de Albert Einstein a Franklin Roosevelt, então presidente dos E.U.A. A carta dizia da preocupação de Einstein de que a Alemanha Nazista pudesse vir a desenvolver armas nucleares, logo o E.U.A, fez este projeto para a criação de armas nucleares, durante a II Guerra Mundial. O projeto de programa nuclear, dos quais formados no Projeto Manhattan, foi aprovado e estabelecido por decreto presidencial.1 . Sua atividade do Projeto Manhattan começou a 12 de agosto de 1942. Seus três objetivos principais são:
Produção de plutónio no complexo Henfordskogo.
Enriquecimento de urânio em Oak Ridge , Tennessee.
A pesquisa no campo das armas nucleares e construindo uma bomba atômica em Los Alamos National Laboratory.2
O primeiro reator de Pu que tornou possivel a obtenção foi o Chicago-1, ele foi comissionado em 2 de dezembro de 1942. Ele consistia de 6 toneladas de urânio metálico, 34 toneladas de óxido de urânio e 400 toneladas de "blocos negros" de grafite3 . A única coisa que poderia parar a reação nuclear em cadeia, foram as barras de cádmio, que capturavam bem nêutrons térmicos e, conseqüentemente, pode prevenir a possível ocorrência de reação em cadeia que pudesse causar a detonação da instalação. Devido à ausência de proteção contra as radiações e resfriamento, a sua capacidade normal era de apenas 200 Watts (muito pouco comparado a potência de reatores atuais), ele permitiu produzir bem mais plutónio que os ciclotons, e meses depois o reator X-10 (experimental) continuou o trabalho iniciado pelo Chicago-1 na produção de Pu para o projeto, porem se descobriu que a porcentagem de Pu-240 no plutónio produzido por esses reatores era grande, e este deveria ser separado do Pu-239 atraves de um enriquecimento para que não ocorresse a detonação acidental de armas nucleares. (Nota: os reatores eram de urânio, mas as capturas de nêutrons por átomos de U-238 acabava em átomos fisseis de Pu-239).
Trinity e Fat Man:
A forma de detonação de armas nucleares de plutónio (por implosão) não tinha muita confiabilidade na detonação, por isso era necessário fazer um teste antes para ver se realmente funcionaria. Então foi criado um artefato pouco antes de uso destas armas em guerra. A Trinity detonou em 16 de Julho de 1945, gerando 20 quilotons.
Tendo certeza do sucesso destas armas, foi logo feito uma bomba para ser usada em guerra, o Fat Man, esta bomba tinha três alvos, o primário era Kokura, o secundário Nagasaki, Kokura estava encoberta por nuvens, e portanto era quase certo de que a bomba erraria o alvo. Então os B-29 Superfortress rumaram para Nagasaki, que apesar de também estar sob nuvens e ventos, dissipou-se logo, então foi ordenado que a cidade deveria ser atacada. A bomba foi lançada, mas se deslocou durante a queda, caindo em um vale ao lado e parte da explosão foi contida, mesmo assim a bomba dizimou a cidade.
Disponibilidade e produção:
Traços de plutónio devem existir naturalmente em minerais de urânio, formados, de maneira semelhante ao netúnio, pela ação no urânio dos nêutrons lá presentes.
De forma artificial, o plutônio-239 é produzido em reatores nucleares por sucessivos decaimentos beta pelo U-239 e Np-239 expressos por essa equação: \mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23.5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}
O Pu-238 utilizado em geradores termoelétricos de radioisótopos, foi o primeiro a ser sintetizado, ele é criado quando o U-238 é bombardeado por um deuterio produzindo netunio(intermediário) e depois Pu-238. \mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n \quad;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}
Os demais isotopos são produzidos quando o Pu-239 captura um nêutron mas não sofre fissão nuclear.
Propriedades:
Físicas:
O plutónio, como a maioria dos metais, tem uma aparência prateada brilhante no início, bem como o níquel 4 5 , mas oxida muito rapidamente a uma cor acinzentada, apesar de que verde-oliva e amarelo também são relatados neste casos. Na temperatura ambiente o plutónio esta na sua forma alotropica alfa(α), esta é a forma alotrópica mais comum entre os elementos, nesta forma é tão duro e quebradiço como o ferro fundido, a não ser que ele se ligue a outros elementos para ficar mais macio e dúctil. Como o urânio, é um pobre condutor de eletricidade e calor.6 Ela tem um baixo ponto de fusão (640 °C) e um invulgarmente elevado ponto de ebulição (3327 °C).
O decaimento alfa é a principal forma de decaimento do plutónio, a emissão alfa se resume a liberação de um núcleo de Hélio-4 totalmente ionizado (sem elétrons) para que o átomo mãe possa se estabilizar ao ter a sua massa reduzida em 4 massas atômicas. A cada 5 kg de massa de Pu-239, existem cerca de 12,5 × 1024 átomos. Com uma meia-vida de 24.100 anos, cerca de 11,5 × 1012 átomos sofrem decaimento alfa a cada segundo, emitindo 5,157 MeV de energia para cada partícula alfa. Isso equivale a 9,68 watts de potência. O calor produzido pela desaceleração destas partículas alfa irá torná-lo quente ao toque7 .
Amplamente utilizado em armas nucleares, a primeira arma nuclear detonada no mundo em 1945 nos EUA, Experiência Trinity, usava uma carga de plutônio em seu núcleo, assim como o Fat Man, arma nuclear lançada sobre Nagasaki. Também é utilizado em reatores nucleares civis e gerador termoelétrico de radioisótopos em sondas espaciais.
Ele difere muito em suas características físico-químicas com os elementos do resto do grupo. Possui sete diferentes formas alotrópicas com base na temperatura e pressão aplicadas:α, β, γ, δ, δ', ε e ζ. Levando a níveis de oxidação de +2 a +7. A densidade varia de entre as formas alotrópicas de 19,8g/cm³ (α-Pu) a 15,9g / cm³ (δ-Pu).
História:
Descoberta:
Enrico Fermi e uma equipe de cientistas da Universidade de Roma informou que eles haviam descoberto o elemento 94 em 1934. Fermi chamou o elemento de hesperium e mencionou o nome em sua palestra em 1938. A amostra foi na verdade uma mistura de bário , criptônio e outros elementos, mas isso não era conhecido na época, porque a fissão nuclear não tinha sido descoberta ainda.
Glenn T. Seaborg e sua equipe, em Berkeley, foram os primeiros a produzir plutónio. Plutónio (especificamente, plutónio-238) foi produzido pela primeira vez e isolado em 14 de dezembro de 1940, e quimicamente identificado em 23 de fevereiro de 1941 por Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph William Kennedy, e Arthur Wahl. era produzido pelo bombardeio de urânio por deuterio em um ciclotron de 150 cm na Universidade da Califórnia, Berkeley. No experimento de 1940, Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas deteriorado por emissão beta , dois dias depois, o que indicou a formação do elemento 94.
Um trabalho documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado à revista "Physical Review março 1941. O artigo foi retirado antes da publicação, após a descoberta de que um isótopo do novo elemento (plutônio-239) pode sofrer fissão nuclear em uma maneira que possa ser útil em uma bomba atômica. A publicação foi atrasada até um ano após o final da Segunda Guerra Mundial , devido a preocupações de segurança.
Edwin McMillan tinha nomeado recentemente o primeiro elemento transurânico depois do planeta Netuno , e sugeriu que o elemento 94, sendo o elemento seguinte na série, deveria ser nomeado para o que era, até então, considerado o próximo planeta, Plutão. Seaborg originalmente considerou o nome "plutium", mas depois pensou que não tinha som tão bom quanto "plutónio." Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, que passou sem aviso prévio para a tabela periódica. Outros nomes alternativos considerados por Seaborg e outros foram "ultimium" ou "extremium" devido à crença errônea de que tinham encontrado o último possível elemento na tabela periódica .
Primeiras pesquisas:
A química de base de plutónio foi encontrada e assemelha-se a do urânio, após alguns meses de estudo inicial. As pesquisas iniciais foram mantidas em segredo no Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago. Em 18 de agosto de 1942, uma quantidade deste elemento foi isolado e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutónio-239 combinado e com produtos da fissão do urânio foi produzido e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. Esta amostra permitiu aos químicos que determinassem o peso do novo elemento químico.
Em 1942 os E.U.A havia acumulado 500 gramas de sais de plutónio, e formou três grupos de cientistas para analisar melhor o elemento:
Um grupo de cientistas deveria fornecer plutónio puro por métodos químicos (Los Alamos: JW Kennedy, CS Soares, AC Wahl, CS Garner, IB Johns), Outro grupo, que estudou o comportamento de plutónio em soluções, incluindo um estudo de seus estados de oxidação, potenciais de ionização e da cinética de reação (Berkeley : WM Latimer, ED Eastman, RE Connik, JW Gofman, etc) E o grupo, que estudou a química dos complexos de íons de plutónio (Iowa: FH Spedding, WH Sullivan, FA Voigt, como Newton) e vários outros grupos de menor influência e importância.
Em novembro de 1943, trifluoreto de plutónio foi reduzido para criar a primeira amostra de plutónio metálico: alguns microgramas de plutónio metálico. Foi o primeiro elemento transurânico sintetizado artificialmente com uma amostra pura visível a olho nu. As propriedades nucleares de plutónio-239 também foram estudadas, os pesquisadores descobriram que quando ele é atingido por um nêutron se rompe (fissões) liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutónio-239 e assim por diante, e formar uma exponencial reação em cadeia. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade, se o isótopo estiver concentrado o suficiente para formar uma massa crítica.
Na URSS as primeiras experiências para criar Pu-239 ocorreram de 1934-1944, sob a liderança de intelectuais Igor Kurchatov e B. Khlopin. Em pouco tempo, a União Soviética realizou amplos estudos sobre as propriedades de plutónio. No início de 1945, o primeiro cíclotron da Europa foi construído em 1937 no Instituto Radium, a primeira amostra de plutónio foi obtida ao irradiar urânio no cíclotron. Na cidade de Ozersk em 1945 começou a construção do primeiro reator nuclear comercial para produzir plutónio, o primeiro objeto de Mayak , que foi executado 19 junho de 1948.
Produção durante o Projeto Manhattan:
Locais de pesquisa do Projeto Manhattan.
O Projeto Manhattan começou com uma carta de Albert Einstein a Franklin Roosevelt, então presidente dos E.U.A. A carta dizia da preocupação de Einstein de que a Alemanha Nazista pudesse vir a desenvolver armas nucleares, logo o E.U.A, fez este projeto para a criação de armas nucleares, durante a II Guerra Mundial. O projeto de programa nuclear, dos quais formados no Projeto Manhattan, foi aprovado e estabelecido por decreto presidencial.1 . Sua atividade do Projeto Manhattan começou a 12 de agosto de 1942. Seus três objetivos principais são:
Produção de plutónio no complexo Henfordskogo.
Enriquecimento de urânio em Oak Ridge , Tennessee.
A pesquisa no campo das armas nucleares e construindo uma bomba atômica em Los Alamos National Laboratory.2
O primeiro reator de Pu que tornou possivel a obtenção foi o Chicago-1, ele foi comissionado em 2 de dezembro de 1942. Ele consistia de 6 toneladas de urânio metálico, 34 toneladas de óxido de urânio e 400 toneladas de "blocos negros" de grafite3 . A única coisa que poderia parar a reação nuclear em cadeia, foram as barras de cádmio, que capturavam bem nêutrons térmicos e, conseqüentemente, pode prevenir a possível ocorrência de reação em cadeia que pudesse causar a detonação da instalação. Devido à ausência de proteção contra as radiações e resfriamento, a sua capacidade normal era de apenas 200 Watts (muito pouco comparado a potência de reatores atuais), ele permitiu produzir bem mais plutónio que os ciclotons, e meses depois o reator X-10 (experimental) continuou o trabalho iniciado pelo Chicago-1 na produção de Pu para o projeto, porem se descobriu que a porcentagem de Pu-240 no plutónio produzido por esses reatores era grande, e este deveria ser separado do Pu-239 atraves de um enriquecimento para que não ocorresse a detonação acidental de armas nucleares. (Nota: os reatores eram de urânio, mas as capturas de nêutrons por átomos de U-238 acabava em átomos fisseis de Pu-239).
Trinity e Fat Man:
A forma de detonação de armas nucleares de plutónio (por implosão) não tinha muita confiabilidade na detonação, por isso era necessário fazer um teste antes para ver se realmente funcionaria. Então foi criado um artefato pouco antes de uso destas armas em guerra. A Trinity detonou em 16 de Julho de 1945, gerando 20 quilotons.
Tendo certeza do sucesso destas armas, foi logo feito uma bomba para ser usada em guerra, o Fat Man, esta bomba tinha três alvos, o primário era Kokura, o secundário Nagasaki, Kokura estava encoberta por nuvens, e portanto era quase certo de que a bomba erraria o alvo. Então os B-29 Superfortress rumaram para Nagasaki, que apesar de também estar sob nuvens e ventos, dissipou-se logo, então foi ordenado que a cidade deveria ser atacada. A bomba foi lançada, mas se deslocou durante a queda, caindo em um vale ao lado e parte da explosão foi contida, mesmo assim a bomba dizimou a cidade.
Disponibilidade e produção:
Traços de plutónio devem existir naturalmente em minerais de urânio, formados, de maneira semelhante ao netúnio, pela ação no urânio dos nêutrons lá presentes.
De forma artificial, o plutônio-239 é produzido em reatores nucleares por sucessivos decaimentos beta pelo U-239 e Np-239 expressos por essa equação: \mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23.5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}
O Pu-238 utilizado em geradores termoelétricos de radioisótopos, foi o primeiro a ser sintetizado, ele é criado quando o U-238 é bombardeado por um deuterio produzindo netunio(intermediário) e depois Pu-238. \mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n \quad;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}
Os demais isotopos são produzidos quando o Pu-239 captura um nêutron mas não sofre fissão nuclear.
Propriedades:
Físicas:
O plutónio, como a maioria dos metais, tem uma aparência prateada brilhante no início, bem como o níquel 4 5 , mas oxida muito rapidamente a uma cor acinzentada, apesar de que verde-oliva e amarelo também são relatados neste casos. Na temperatura ambiente o plutónio esta na sua forma alotropica alfa(α), esta é a forma alotrópica mais comum entre os elementos, nesta forma é tão duro e quebradiço como o ferro fundido, a não ser que ele se ligue a outros elementos para ficar mais macio e dúctil. Como o urânio, é um pobre condutor de eletricidade e calor.6 Ela tem um baixo ponto de fusão (640 °C) e um invulgarmente elevado ponto de ebulição (3327 °C).
O decaimento alfa é a principal forma de decaimento do plutónio, a emissão alfa se resume a liberação de um núcleo de Hélio-4 totalmente ionizado (sem elétrons) para que o átomo mãe possa se estabilizar ao ter a sua massa reduzida em 4 massas atômicas. A cada 5 kg de massa de Pu-239, existem cerca de 12,5 × 1024 átomos. Com uma meia-vida de 24.100 anos, cerca de 11,5 × 1012 átomos sofrem decaimento alfa a cada segundo, emitindo 5,157 MeV de energia para cada partícula alfa. Isso equivale a 9,68 watts de potência. O calor produzido pela desaceleração destas partículas alfa irá torná-lo quente ao toque7 .