Tecnecio - Elemento atómico n°43 - Símbolo Tc

Historia del tecnecio

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El lugar vacío entre el molibdeno y el rutenio en la tabla periódica ha sido durante mucho tiempo un misterio para los investigadores. Encontrar este elemento faltante era un objetivo elevado para muchos científicos, ya que su posición en la tabla periódica sugería que sería menos difícil de encontrar que otros elementos poco conocidos.

En 1828 se informó de la supuesta presencia de un nuevo elemento, denominado polonio, en una aleación de platino. Sin embargo, más tarde se supo que este último era de hecho iridio impuro. Del mismo modo, en 1846 se informó del descubrimiento de ilmenio, pero análisis posteriores revelaron que en realidad se trataba de niobio impuro. Este error también se cometió en 1844 con el pseudodescubrimiento del pelopio por parte de Heinrich Rose. Predijo que el eka-manganeso (Em), un elemento desconocido en ese momento, exhibiría propiedades comparables a las del manganeso.

El mausoleo de Mendeleev en San Petersburgo tiene una tabla periódica que muestra el ilmenio. Esta sustancia pertenece al séptimo período y tiene un número atómico de 187 cuyo símbolo es Jl.

En 1877, el químico ruso Serge Kern afirmó haber descubierto un nuevo elemento en una aleación de metal al que llamó "davyum" en honor a Sir Humphry Davy, un famoso químico inglés. Sin embargo, este descubrimiento fue invalidado, porque en realidad era una mezcla de hierro, rodio e iridio. En 1896, se propuso otro candidato, lucium, pero finalmente se identificó como itrio. En 1908, el químico japonés Masataka Ogawa afirmó haber descubierto pruebas de la existencia del elemento 43 en un mineral de torianita. Lo llamó nipponium, en referencia a Japón. Sin embargo, un análisis posterior reveló que las placas fotográficas de Ogawa contenían renio, pero no el elemento 43.

En 1925, Walter Noddack, Ida Tacke y Otto Berg anunciaron el descubrimiento de un nuevo elemento, llamado masurium. Este nombre fue elegido en referencia a la región de Masuria, en Polonia, de donde proviene la familia Noddack. Utilizaron un método de bombardeo de electrones sobre ferrocolumbita para detectar su presencia. Luego analizaron el espectro de rayos X para confirmar su hallazgo. Sin embargo, no pudieron replicar sus resultados experimentales.

Ladescubrimiento del tecneciofue finalmente atribuido a Emilio Segrè y Carlo Perrier en 1937 cuando consiguieron aislar los isótopos 95 y 97.

En 1998, John T. Armstrong du National Institute of Standards and Technology (NIST) a simulé numériquement l'expérience de 1925. Les résultats obtenus ont été similaires à ceux de l'équipe Noddack, suggérant que la découverte du technétium aurait bien été réalisée en aquella época. Esta hipótesis se ve reforzada por las mediciones de lapresencia natural de tecneciorealizado por David Curtis en el Laboratorio Nacional de Los Alamos. Sin embargo, los resultados experimentales de Noddack con respecto al descubrimiento del elemento 43 nunca se han replicado con éxito. Por lo tanto, la autenticidad de este descubrimiento sigue siendo un tema de debate.

descubrimiento oficial

En 1937, la Universidad de Palermo en Sicilia confirmó el descubrimiento del elemento 43, tras un experimento realizado por Carlo Perrier y Emilio Segrè. En el verano de 1936, Segrè viajó a Estados Unidos para visitar el Laboratorio Nacional Lawrence-Berkeley. Allí logró convencer a Ernest Orlando Lawrence, el inventor del ciclotrón, para que le proporcionara los productos radiactivos de este aparato.

El 17 de diciembre de 1936, Lawrence envió una hoja de molibdeno a Segrè y Perrier. Esto había sido utilizado como un deflector en el ciclotrón. El 30 de enero de 1937 comenzaron su búsqueda para descubrir un nuevo elemento. Segré enumeró los experimentos químicos realizados por Perrier para probar que la actividad del molibdeno era en realidad la del elemento Z = 43. Este elemento no existe en la naturaleza, ya que es inestable y se desintegra por radiactividad. A pesar de las importantes dificultades, lograron aislar tres productos con períodos de descomposición de 90, 80 y 50 días que finalmente se convirtieron en dos isótopos,⁹⁵TC y⁹⁷Tc. Fueron nombrados tecnecio por Perrier y Segrè.

Los científicos han propuesto varios nombres para denominar a este nuevo elemento químico. Algunos han sugerido los nombres panormium en referencia a la Universidad de Palermo, o trinacrium en referencia a Sicilia. Sin embargo, los investigadores finalmente se decidieron por la palabra griega “tekhnêtos”, que significa artificial. Esta elección fue más apropiada, ya que fue el primer elemento químico descubierto artificialmente. De vuelta en Berkeley, Segrè colaboró con Glenn T. Seaborg. Juntos aislaron el isótopo tecnecio 99m, que ahora se usa anualmente en diez millones de diagnósticos médicos.

En 1953, el astrónomo californiano Paul W. Merrill identificó elfirma espectral de tecnecioal observar líneas a 403,1 nm, 423,8 nm, 426,8 nm y 429,7 nm en gigantes rojas tipo S. la presencia de reacciones nucleares que las producen. Esta evidencia reforzó la teoría especulativa de que las estrellas son sitios de nucleosíntesis que producen elementos químicos masivos. Descubrimientos recientes han confirmado la formación de los elementos por absorción de neutrones en procesos s.

Tras este descubrimiento, se llevaron a cabo estudios para detectar la presencia de tecnecio en su estado natural en la Tierra. En 1962, B. T. Kenna y P. K. Kuroda aislaron e identificaron tecnecio-99 en pechblenda en el Congo Belga, pero en baja cantidad (aproximadamente 0,2 ng/kg). Esta sustancia es generada por la fisión espontánea de uranio 238. La investigación también ha demostrado que el reactor nuclear natural en Oklo produjo ungran cantidad de tecnecio 99que luego se transformó en rutenio 99 por descomposición. Además, observaciones recientes han validado la creación de estos elementos mediante la captura de neutrones durante los procesos de fusión nuclear.

Estabilidad de isótopos

El tecnecio tiene isótopos estables como:

Análisis de estabilidad

El tecnecio y el prometio son sustancias inusuales que no tienen isótopos estables.

Basada en el modelo de gota líquida para describir los núcleos atómicos, la fórmula semiempírica de Weizsäcker permite evaluar la energía de enlace nuclear. Postula la existencia de una zona de estabilidad beta donde un nucleido no está sujeto a desintegración beta. Por encima de esta zona, los núclidos sufren una desintegración radiactiva que da como resultado la emisión de un electrón o un positrón, o incluso la captura de un electrón que hace que se desplacen hacia el centro del valle.

La conversión de un nucleido de masa A en un nucleido de masa A+1 o A-1 puede lograrse mediante una simple captura de electrones o emisión beta siempre que el producto final tenga una energía de enlace nuclear más baja y la diferencia de energía sea suficiente para permitir la desintegración radiactiva. Para una sola parábola, solo hay un isótopo estable asociado: el que tiene la energía de enlace nuclear máxima.

El gráfico de energía de enlace nuclear versus número atómico para un número par de nucleones A muestra una irregularidad como dos parábolas distintas para números atómicos pares e impares. Esta diferencia se debe a la mayor estabilidad de los isótopos que tienen un número par de protones y neutrones en comparación con los que tienen un número impar de nucleones.

Es raro encontrar núcleos estables con un número impar de neutrones y protones en el contexto de dos parábolas, especialmente cuando el número de nucleones es par. Sin embargo, hay cuatro núcleos ligeros que tienen esta particularidad:²H,⁶li,¹⁰Banda¹⁴N. En estos casos, es imposible tener isótopos estables con un número par de neutrones y protones.

El tecnecio se caracteriza por un valle de estabilidad beta centrado en 98 nucleones. Sin embargo, ya existe un nucleido estable de molibdeno (Z = 42) o rutenio (Z = 44) para cada número de nucleones entre 95 y 102. Sin embargo, elel tecnecio tiene un solo isótopo estable, debido a su número impar de protones que permite la estabilidad solo con un número impar de neutrones optimizando así la energía de enlace nuclear. Sin embargo, ya se han descubierto isótopos estables de molibdeno o rutenio. Tienen el mismo número de masa que cada uno de los posibles isótopos "estables" de tecnecio. Así, tienden a convertirse en isótopos estables emitiendo partículas beta o capturando electrones. Esta transformación implica el cambio de un neutrón a un protón o viceversa.

Características físico-químicas

El tecnecio se encuentra entre el renio y el manganeso en la tabla periódica. Tiene características que se encuentran entre las de estos dos elementos. Rara vez se encuentra en la tierra, ya que no tiene un isótopo estable o uno con una vida útil significativa. No tiene ninguna función biológica y no está presente en el cuerpo humano ni en ningún otro organismo vivo. Además, tiene baja toxicidad química.

cuerpo simple

El cuerpo simple es un metal gris plateado que se parece al platino. Generalmente, se presenta en forma de un polvo gris.

Su estructura cristalina varía según su forma física. El metal a granel puro adopta una estructura hexagonal compacta. En cuanto altecnecio nanodisperso, exhibe una estructura cristalina cúbica. Esta diferencia también se refleja en sus distintas propiedades espectroscópicas. El espectro Tc-99-NMR del tecnecio a granel hexagonal muestra nueve satélites, mientras que el tecnecio nanodisperso no muestra división del espectro de RMN. Además, la forma metálica del tecnecio es sensible a la oxidación y puede empañarse gradualmente en presencia de aire húmedo. Sus óxidos más comunes son TcO₂y TC₂O₇.

Cuando se presenta en forma de polvo gris, este metal puede inflamarse en presencia de oxígeno. Puede disolverse en agua regia, ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrado. Por otro lado, es insoluble en ácido clorhídrico. Su espectro exhibe líneas espectrales distintivas en longitudes de onda de 363, 403, 410, 426, 430 y 485 nm. El tecnecio puede formar varios grupos atómicos, incluido Tc₄, Tc₆, Tc₈y TC₁₃. Las formas más estables son Tc₆y TC₈. Tienen una estructura prismática con enlaces triples que conectan elpares verticales de átomos de tecnecioy enlaces simples que conectan átomos planos. Además, tiene una propiedad paramagnética caracterizada por una susceptibilidad molar deh=3,35 ×10⁻⁹metro³mol⁻¹. Sa estructura cristalina es de tipo compacto hexagonal.

ElEl tecnecio puro monocristalino es un material superconductortipo II con una temperatura de transición de 7,46 K. Sin embargo, en presencia de cristales irregulares e impurezas, la temperatura puede alcanzar los 11,2 K para un polvo con una pureza del 99,9 %. Es el segundo material con mejor desempeño en términos de profundidad de penetración magnética, justo después del niobio, cuando la temperatura está por debajo de este umbral.

Compuestos químicos

El tecnecio tiene un rango de estados de oxidación de -1 a +7. En presencia de oxidantes, el tecnecio VII se manifiesta como el ion pertecnetato TcO₄⁻.

Producción en residuos nucleares

El tecnecio-99 es una sustancia rara en la naturaleza, pero su producción anual es importante como subproducto de la fisión del combustible nuclear. Cuando un gramo de uranio-235 se fisiona en un reactor nuclear, produce 27 mg de⁹⁹Tc, es decir, una tasa de producción del 6,1%. Otros elementos fisionables como el uranio 233 y el plutonio 239 tienen tasas de producción similares de 4,9% y 6,21% respectivamente. Se pueden utilizar para producir combustible nuclear.

Fuente principal y costo

Según estimaciones, laproducción de tecnecioen los reactores nucleares alcanzó unos 49.000 terabecquerelios (TBq), o 78 toneladas, hasta 1994. Esta producción representa su principal fuente en la Tierra. Sin embargo, solo una pequeña fracción de tecnecio se usa comercialmente. Su costo de compra en 2016 fue de alrededor de $ 100 por gramo, una caída considerable de los $ 2,800 por gramo registrados en 1960. Sin embargo, cuesta más que el platino, que nunca ha sido más de $ 72.40 por gramo.

Se encuentra en los residuos radiactivos resultantes de la fragmentación de uranio 235 y plutonio 239, así como durante una explosión nuclear. El tecnecio producido artificialmente está presente en cantidades mucho mayores que las que se encuentran naturalmente en el medio ambiente. Esta producción procede de los ensayos nucleares realizados en la atmósfera así como del tratamiento y gestión de los residuos nucleares.

Cuestiones relacionadas con la gestión de los residuos nucleares

Eltecnecio 99es considerado uno de los elementos más problemáticos de los residuos nucleares debido a su alta radiactividad, larga vida media y volatilidad. En efecto, su disminución, medida en becquerelios por unidad de combustible gastado, predomina en un rango de tiempo que va de 104 a 106 años después de la formación del residuo.

En 1994, las pruebas nucleares en la atmósfera liberaron al medio ambiente aproximadamente 250 kg de tecnecio-99, una cantidad estimada de 160 TBq. En 1986, los reactores nucleares produjeron una gran cantidad de este elemento, equivalente a aproximadamente 1000 TBq (1600 kg). Esta sustancia fue liberada al medio ambiente principalmente durante el procesamiento del combustible gastado, con liberaciones al mar.

Avances en las técnicas de reprocesamiento

En los últimos años, los avances técnicos en el tratamiento de residuos radiactivos han permitido minimizar la liberación de tecnecio 99 al medio natural. En 2005, el sitio de Sellafield fue su principal fuente de descarga al medio ambiente. Entre 1995 y 1999, se derramaron aproximadamente 550 TBq (900 kg) en el Mar de Irlanda. Desde la década de 2000, se han establecido regulaciones para limitar las emisiones a 90 TBq (140 kg) por año.

Las bacterias anaerobias esporulantes pertenecientes al género Clostridium son capaces de reducir el tecnecio (Tc) del estado Tc(VII) a Tc(IV). Esta capacidad juega un papel clave en su movilidad en los residuos industriales y entornos subterráneos. Los clostridios también pueden reducir el hierro, el manganeso y el uranio. Modifican así su solubilidad en suelos y sedimentos.

Desafíos de gestión a largo plazo en residuos radiactivos

como yodo¹²⁹En elel tecnecio 99 presenta desafíos considerablespara la gestión de residuos radiactivos a largo plazo debido a su larga vida y tendencia a formar especies aniónicas. Además, muchos procesos utilizados en las plantas de reprocesamiento para eliminar los productos de fisión tienen como objetivo eliminar especies catiónicas como el cesio.¹³⁷Cs ou estroncio⁹⁰Sr. Por lo tanto, es imposible eliminar los iones de pertecnetato utilizando estos métodos de reprocesamiento.

Las opciones de tratamiento de los desechos radiactivos se centran en el enterramiento profundo en capas geológicas. Sin embargo, este método conlleva un alto riesgo de contaminación ambiental en caso de contacto con el agua. De hecho, los aniones pertecnetato y los iones yoduro tienen una baja capacidad de absorción en las superficies minerales. Por lo tanto, es más probable que se propaguen en el entorno natural.

El tecnecio se distingue por su baja afinidad con las partículas del suelo, a diferencia de otros elementos como el plutonio, el cesio y el uranio. Esta es la razón por la que su química ambiental despierta el interés de la comunidad científica.

Dentro del CERN, unmétodo alternativo para la eliminación de tecnecio 99se ha demostrado con éxito. Esto es transmutación nuclear. Consiste en bombardear un blanco metálico de tecnecio 99 con neutrones para producir¹⁰⁰Tc. Esta sustancia radiactiva tiene una vida útil de 16 segundos y se descompone rápidamente en rutenio (¹⁰⁰Ru) por radiactividad beta.

La compleja producción de tecnecio

Para obtener rutenio utilizable, es necesario tener un objetivo de tecnecio extremadamente puro, sin trazas de actínidos menores como el americio y el curio. De hecho, estas sustancias pueden fisionarse y crear productos de fisión que aumentan la radiactividad del objetivo irradiado. Durante la fisión fresca, la formación de¹⁰⁶Ru, que tiene una vida media de 374 días, puede aumentar la actividad del rutenio metálico resultante, lo que requiere un tiempo de enfriamiento prolongado después de la irradiación.

Laproducción de tecnecio 99del combustible nuclear gastado es un proceso complejo y lento. Este radioisótopo se encuentra en desechos líquidos altamente radiactivos. Después de un período de varios años, se puede considerar la extracción de isótopos de vida larga, como el tecnecio 99, cuando la radiactividad ha disminuido lo suficiente. Luego se utilizan procesos de extracción química para obtener tecnecio metálico de alta pureza, separándolo químicamente del combustible empobrecido proveniente de los reactores.

El reactor National Research Universal de Chalk River Nuclear Laboratories, Ontario, Canadá, es responsable de dos tercios de la producción mundial de⁹⁹Tc.

Producción por activación neutronica

L'isótopo^99mTc es un elemento metaestable generado a partir de la fisión de uranio o plutonio en reactores nucleares. En la gestión convencional de residuos nucleares, el combustible gastado se almacena durante un largo período de tiempo antes de ser reprocesado. Este enfoque garantiza que todos los isótopos radiactivos, como⁹⁹Mo y el^99mTc, se descompone antes de separarse de los actínidos principales. El concentrado de refinamiento PUREX contiene uncantidad significativa de tecnecioque está en forma de TcO₄⁻. Sin embargo, es principalmente el isótopo⁹⁹Tc.

La producción de^99mTc en medicina se basa principalmente en la producción de⁹⁹Mo por activación de neutrones de⁹⁸Para. El⁹⁹Mo tiene una vida media de 67 horas, lo que resulta en la producción continua de^99mTc con una vida media de 6 horas por su decaimiento.

En los hospitales, el tecnecio se extrae de una solución mediante un proceso químico que implicauso de un generador de tecnecio 99m. Este dispositivo también se conoce como "vaca de tecnecio" o "vaca de molibdeno". El generador estándar está compuesto por una columna de alúmina que contiene molibdeno 98.

Dado que la alúmina tiene una sección transversal de neutrones baja, es fácil irradiar la columna con neutrones para producir molibdeno-99 radiactivo.

La irradiación de uranio enriquecido es un método alternativo para producir⁹⁹Mo. Sin embargo, para extraer molibdeno de otros elementos de fisión, es necesario utilizar un proceso químico complejo que no se requiere en el primer método.

Los otros isótopos de tecnecio no se producen en cantidades significativas por fisión. Si es necesario, se crean irradiando neutrones sobre isótopos preexistentes. por ejemplo, el⁹⁷Tc se puede producir irradiando el⁹⁶ru.

Usos del tecnecio

Uso en medicina

L'isótopo de tecnecio-99mes de gran interés en el campo médico por sus emisiones radiactivas durante su desintegración. Su longitud de onda es similar a la de los rayos X utilizados en la radiografía convencional. Esta función garantiza una profundidad de penetración adecuada al tiempo que limita el daño de los fotones gamma.

Debido a su corta vida media, el isótopo Tc-99m se elimina rápidamente del cuerpo antes de sufrir una mayor descomposición. Una propiedad reforzada por la vida media más larga de su isótopo hijo, Tc-99. Esto permite realizar un diagnóstico nuclear mediante la administración de una dosis baja de radiación, medida en sieverts, en el cuerpo.

Además, el isótopo radiactivo^99mTc se utiliza con frecuencia como marcador en imágenes médicas nucleares por varias razones. Primero, su vida media de seis horas es lo suficientemente larga para permitir una observación adecuada de los procesos fisiológicos, pero lo suficientemente corta para evitar una irradiación excesiva. Entonces, la energía del fotón gamma emitido (140,5 keV) es óptima para atravesar tejidos vivos siendo fácilmente detectable. Es posible optimizar la absorción de esta energía utilizando un cristal de yoduro de sodio con un espesor de 10 a 15 mm. Finalmente, durante el decaimiento se emite una gran cantidad de fotones gamma, del orden de 88,5 fotones por cada 100 desintegraciones. Esta baja emisión de partículas no penetrantes reduce la absorción de energía por parte del tejido vivo.

Además, este radioisótopo es ampliamente accesible en los hospitales gracias a una pequeñagenerador de tecneciodel tamaño de una batería de coche. El generador contiene una columna de alúmina en la que se adsorbe molibdeno-99 radiactivo. El molibdeno sufre un proceso de desintegración que conduce a la formación de^99mTc. Este último se recupera por elución de la columna en una solución fisiológica como el suero fisiológico, en forma de pertecnetato de sodio (Na⁺costo total de propiedad₄⁻). El generador se utiliza para extraer una solución, denominada eluato, que contiene una actividad necesaria para la preparación de productos utilizados en medicina nuclear.

El^99mTc se usa para mapear la distribución de diferentes moléculas biológicas en el cuerpo humano usando dispositivos de detección de radiactividad llamados cámaras gamma. También es útil en la localización del ganglio centinela, particularmente en el tratamiento quirúrgico del cáncer de mama.

Además, se utiliza en forma de tecnecio-metoxiisobutilisonitrilo (Tc-MIBI) para marcaje y gammagrafía tomográfica de células del músculo cardíaco. Este método permite detectar la presencia de tejido miocárdico no irrigado. La ventriculografía lo usa en forma de pertecnetato de sodio para marcar los glóbulos rojos. El objetivo es evaluar la función cardíaca midiendo parámetros como el volumen sistólico y la fracción de eyección. Además, el tecnecio combinado con la molécula portadora HDP o HMDP forma el elemento básico en la gammagrafía ósea.

La molécula sintética HMPAO, también conocida como hexa-metil-propilen-amina-oxima, se puede marcar con este isótopo radiactivo. Cuando se inyecta por vía intravenosa, HMPAO se une al cerebro en proporción al flujo sanguíneo cerebral. Por lo tanto, es posible estimar el flujo de sangre en diferentes áreas del cerebro midiendo la cantidad de la molécula adherida allí.

Aplicaciones industriales y químicas

Elel tecnecio 99 sufre una desintegración β radiactivalo que resulta en la emisión de partículas β de baja energía, sin embargo, sin producir rayos γ. Su larga vida media asegura que su tasa de emisión disminuya lentamente con el tiempo. Además, es posible extraerlo con alta pureza química e isotópica a partir de residuos radiactivos. Debido a sus propiedades, es frecuentemente elegido como fuente de emisión de partículas β para la calibración de equipos NIST.

También encuentra aplicaciones en optoelectrónica, así como en el diseño de baterías nucleares a nanoescala. Como catalizador, se muestra eficaz para ciertas reacciones, incluida la deshidrogenación del alcohol isopropílico, superando incluso al paladio y al renio. Sin embargo, su radiactividad se presenta como un gran obstáculo para su uso.

En algunos casos, una concentración baja (5×10⁻5 mol/L) el ion pertecnetato en agua puede actuar como agente protector contra la corrosión del acero y el hierro. Las observaciones han demostrado que una muestra sumergida en una solución de pertecnetato puede permanecer intacta durante un período de 20 años sin verse afectada por la corrosión. En comparación, el ion cromato CrO42− puede tener un efecto inhibidor de la corrosión, pero esto requiere concentraciones diez veces mayores. Por lo tanto, se ha sugerido el pertecnetato como un potencial inhibidor de la corrosión anódica.

El modo de acción del pertecnetato en la prevención de la corrosión no se comprende completamente, pero probablemente se deba a la formación de una capa delgada en la superficie de la muestra que se desarrolla de forma reversible.

Una hipótesis es que el pertecnetato reacciona con el acero para formar uncapa de dióxido de tecnecioen su superficie, evitando así la corrosión. Esta propiedad también es útil para eliminarlo del agua utilizando carbón activado o polvo de hierro en el proceso de filtrado. Sin embargo, la presencia de otros iones en alta concentración puede comprometer la eficiencia del pertecnetato. Además, se debe mantener una concentración adecuada para que el efecto dure.

Tecnecio - Elemento atómico n°43 - Símbolo Tc - France Minerals (2023)