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Plutonio

Proprietà e composti del plutonio

Sebbene l'isotopo 239Pu sia presente in minima quantità nei minerali di uranio, e l'isotopo 244Pu (che ha la più elevata vita media, dell'ordine di IO7 anni) sia stato scoperto in tracce nella bastnaesite (un minerale degli elementi delle terre rare), il plutonio è da considerare agli effetti pratici un elemento artificiale.

Fu scoperto nel 1940 da Seaborg e collaboratori dell'Università di California, tramite bombardamento dell'238U con deutoni accelerati.

Si ha in tal caso una formazione iniziale di 238Np, che rapidamente decade emettendo elettroni:

238U + 2H → 238Np + 2n

238Np → 238Pu + ß-

L'isotopo più importante, il 239Pu, fu ottenuto l'anno successivo per bombardamento con neutroni dell'238U. In seguito furono ottenuti artificialmente numerosi altri isotopi (ovviamente tutti radioattivi) a numeri di massa variabili tra 232 e 246.

Il 239Pu, che presenta radioattività con decadimento a (con periodo di dimezzamento di 24.000 anni), essendo fissile con neutroni lenti, costituisce uno dei più importanti combustibili nucleari; inoltre, poiché viene prodotto per azione dei neutroni sull'238U (che non è un combustibile nucleare), consente di realizzare il ciclo di autofertilizzazione.

Il 239Pu si trova anche in tracce minime nei giacimenti di uranio dove si forma a opera di neutroni liberati nella fissione spontanea dell'uranio stesso.

Altri isotopi del plutonio si formano nel corso di reazioni nucleari; alcuni servono come nuclidi di partenza per ottenere altri transuranici (americio, curio ecc.).

Il 239Pu ottenuto nei reattori nucleari può essere separato dall'238U in forte eccesso, e dai prodotti della fissione dell'235U (sempre presente in piccola percentuale), attraverso una serie di operazioni complesse e delicate culminanti in un processo di estrazione selettiva dalle soluzioni nitriche del materiale per mezzo di speciali solventi organici non miscibili con esse.

Il plutonio è un metallo bianco argenteo, che esiste in 6 diverse forme allotropiche; nella forma a , termodinamicamente stabile a temperatura ambiente, è duro e fragile.

Come l'uranio e il nettunio, è un metallo notevolmente reattivo.

Puro si discioglie rapidamente negli acidi cloridrico, perclorico, fosforico e tricloroacetico concentrati, e lentamente in acido solforico diluito, mentre l'idrossido di sodio, l'acido solforico concentrato e l'acido nitrico (che lo passiva) praticamente non hanno azione.

Il plutonio forma leghe e composti con molti metalli e reagisce, in opportune condizioni, con quasi tutti i non-metalli quali gli alogeni, l'idrogeno, l'azoto e il carbonio; reagisce inoltre con monossido di carbonio formando un carburo e con ammoniaca formando un nitruro.

Composti del plutonio

Il plutonio può assumere tutti gli stati di ossidazione da +3 a +6; nello stato +7 può esistere solo in soluzione fortemente alcalina sotto forma dell'anione PuO53-; i corrispondenti ioni colorano diversamente le soluzioni: Pu3+ blu violaceo, Pu4+ giallo bruno, PuO2+ (Pu5+) rosso, PuO22+ (Pu6+) rosa aranciato.

Fra gli alogenuri si ricordano il trifluoruro di plutonio, PuF3, il tetrafluoruro di plutonio, PuF4, importante poiché costituisce il principale intermedio per la preparazione di plutonio metallico.

Per reazione del tetrafluoruro o del biossido di platino con fluoruro a circa 700 °C si ottiene l'esafluoruro, PuF6. Il tricloruro, PuCl3, può essere ottenuto per reazione del biossido con tetracloruro di carbonio a circa 450 °C.

Il biossido, PuO2, è il più importante composto del plutonio ed è utilizzato sia per la preparazione di altri composti del plutonio sia come combustibile nucleare (in miscela con biossido di uranio) nei reattori veloci autofertilizzanti.

Aggiungendo una base alcalina a una soluzione contenente plutonio nei suoi vari stati di ossidazione, si ottengono precipitati gelatinosi dei corrispondenti idrossidi; in particolare sono noti gli idrossidi Pu(OH)3, [Pu(OH)4]n (a struttura polimerica), PuO2OH, PuO2(OH)2 corrispondenti rispettivamente agli stati +3,+4, +5 e +6 del plutonio.

Sono noti inoltre il diidruro, PuH2, e il triidruro di plutonio, PuH3, il nitruro, PuN, quattro diversi carburi di plutonio, di composizioni approssimative corrispondenti a Pu3C2, PuC, Pu2C3 e PuC2.

Il plutonio forma complessi in tutti i suoi stati di ossidazione, con leganti sia anionici sia neutri; particolarmente stabili sono i complessi corrispondenti allo stato +4, nei quali il plutonio è generalmente esacoordinato e frequentemente il donatore è l'ossigeno.

 Particolarmente stabili, e per tale motivo utilizzati per eliminare il plutonio eventualmente presente nell'organismo umano o su superfici contaminate, sono i complessi che l'elemento negli stati +3 e +4 forma con l'acido etilendiamminotetracetico (e suoi derivati) e con l'acido citrico.

Utilizzo del plutonio

Il 239Pu allo stato elementare è particolarmente adatto come materiale fissile per armi nucleari.

Maggiori problemi presenta il suo impiego per scopi pacifici sia nella produzione di energia (per cui lo si adopera in lega con uranio o sotto forma di ossido o miscela di ossidi o altri composti), sia nel campo della ricerca e della produzione di isotopi radioattivi per applicazioni mediche. Infatti il plutonio è un elemento estremamente tossico: un solo grammo disperso nell'ambiente provoca una contaminazione letale su di un'area di 500 m2 e contaminazione grave su 50.000 m2 circa. L'inalazione di pochi decimi di microgrammo può causare il cancro ai polmoni, di pochi milligrammi è causa di sicura morte. L'isotopo 238Pu, che emette solo radiazioni a poco penetranti, è stato sperimentato quale sorgente di energia per stimolatori cardiaci.

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