Plutonio: storia, preparazione, isotopi, composti, proprietà, usi

Il plutonio è un elemento radioattivo appartenente al blocco f e al 7° Periodo con numero atomico 94 e configurazione elettronica  [Rn] 5f6 7s2

È un attinide di origine artificiale, sebbene gli scienziati abbiano trovato tracce di plutonio naturale prodotto in determinate circostanze geologiche in minerali dell’uranio. Appartiene  alla classe degli elementi transuranici in quanto ha numero atomico è superiore a 92 che è quello dell’uranio

Storia del plutonio

Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Joseph Kennedy e Arthur Wahl al Radiation Laboratory dell’Università della California, Berkeley isolarono il plutonio per la prima volta in piccole quantità nel 1941.

Tuttavia i dettagli di questa scoperta epocale non furono condivisi con il resto della comunità scientifica fino al 1946, solo dopo la fine della Seconda Guerra mondiale. Seaborg presentò la scoperta sulla rivista Physical Review nel marzo 1941, ma il documento fu rimosso quando si scoprì che l’isotopo 239Pu, poteva essere utilizzato per creare una bomba atomica.

Seaborg fu inviato a guidare il Plutonium Production Lab, presso l’Università di Chicago, secondo il Los Alamos National Laboratory. Lo scopo era creare plutonio come parte del Progetto Manhattan  che portò alla realizzazione delle prime bombe atomiche durante la seconda guerra mondiale.

Il 18 agosto 1942 riuscirono a creare una traccia di plutonio di circa 1 microgrammo e infine si ottenne abbastanza plutonio per il “Trinity Test”, nome in codice della prima detonazione di un’arma nucleare della storia.

Durante il test, la prima bomba atomica al mondo fu fatta esplodere vicino a Socorro, nel New Mexico, il 16 luglio 1945.

L’esplosione ebbe l’equivalente energetico di circa 20.000 tonnellate di TNT. La prima bomba atomica per uso bellico cadde su Hiroshima, in Giappone, il 6 agosto 1945. Quella bomba atomica, detta “Little Boy”, aveva però un nucleo di uranio. La seconda bomba, sganciata su Nagasaki, in Giappone, il 9 agosto 1945, detta “Fat Man”, aveva un nucleo di plutonio.

Denominato con questo nome dal pianeta Plutone a sua volta così chiamato dal dio degli inferi

Preparazione del plutonio

Si ottiene bombardando l’uranio 238 con il deuterio accelerato in un ciclotrone con ottenimento del nettunio 238 e due neutroni

23892U + 21D → 23893Np + 2 20n

Dal decadimento β si ottiene l’isotopo 238:

23893Np → 23894Pu

Proprietà

Secondo gli scienziati il plutonio è considerato l’elemento più interessante dopo definito il sogno di un fisico ma l’incubo di un ingegnere. Il plutonio è infatti unico tra gli elementi nella sua complessità fisico-chimica per la sua posizione nella tavola periodica.

Presenta  un aspetto argenteo brillante e diventa grigio opaco, giallo o verde oliva quando viene ossidato all’aria.

Un pezzo relativamente grande di plutonio è caldo al tatto a causa dell’energia sprigionata dal decadimento α.

Campioni di dimensioni maggiori sviluppano il calore necessario per far bollire l’acqua. Il metallo si dissolve facilmente in acidi minerali concentrati.

Si presenta sotto forma di sei forme allotropiche: α, β, γ, δ, δ’, ε e forma una settima fase ζ ad alta temperatura e un intervallo di pressione limitato. Questi allotropi hanno livelli di energia molto simili ma densità significativamente variabili da 16.00 a 19.86 g/cm3.

Ciò rende il plutonio molto sensibile ai cambiamenti di temperatura, pressione o chimica e consente notevoli cambiamenti di volume in seguito alle transizioni di fase.

A temperatura ambiente è nella sua forma α che è la forma strutturale più comune dell’elemento. È duro e fragile come la ghisa a meno che non sia legato con altri metalli per formare la fase δ stabilizzata a temperatura ambiente che lo rende morbido e duttile.

A differenza della maggior parte dei metalli, non è un buon conduttore di calore o elettricità. Ha un punto di fusione basso (640 °C) e un punto di ebollizione insolitamente alto (3228 °C).

Presenta numeri di ossidazione +2, +3, +4 , +5, +6, +7, +8 sebbene il numero di ossidazione +4 sia quello più comune mentre +2 e +8 sono poco comuni.

Composti del plutonio

Ha composti in cui è presente sotto diversi numeri di ossidazione che, in soluzione, hanno colore blu lavanda(Pu3+),  giallo scuro (Pu4+). Sotto  forma di PuO2+ è colore rosa chiaro, mentre sotto forma di PuO3 è verde. Tuttavia, il colore delle soluzioni non dipende solo dal numero di  ossidazione, ma anche dall’anione.

Forma alogenuri sia con numero di ossidazione +3 che +4 e ossidi come PuO e PuO2.

Analogamente all’uranio che forma l’uranocene, dà luogo alla formazione del composto organometallico plutonocene Pu(C8H8)2

Isotopi

Ha venti isotopi da 228Pu a 247Pu di cui otto isomeri nucleari. Il più stabile di essi è 244Pu che ha un tempo di dimezzamento di 80.8 milioni di anni cui segue 239Pu con un tempo di dimezzamento di 24110 anni. Tutti gli altri hanno un tempo di dimezzamento inferiore a 7000 anni.

Usi

L’isotopo 238 è utilizzato come fonte di calore e di energia per componenti elettrici presenti in luoghi remoti come le sonde spaziali. Esso infatti, nel corso del decadimento radioattivo, genera una grande quantità di calore.

Il plutonio 239 è usato per fabbricare armi nucleari grazie alla sua facilità di fissione e disponibilità.

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