Emulando a los Curie.

El descubrimiento del radio por los esposos Curie, ha sido un acontecimiento científico ampliamente alabado y renombrado. Muchos otros científicos descubrieron otros elementos químicos y sin embargo nunca alcanzaron la notoriedad de estos.

Yo personalmente no entendía la razón de tanto aplauso hasta que leí varios libros sobre el radio escritos en el periodo que va desde su descubrimiento hasta la segunda guerra mundial.

Antes de la obtención de cantidades significativas del radio, el uranio, el torio y sus sales eran los únicos materiales radioactivos con que podía trabajar el investigador que trataba de descubrir la estructura de la materia. Pero la débil radioactividad de estos materiales implicaba que para impresionar una placa fotográfica con un mineral de uranio había que esperar varias semanas. Por lo tanto los experimentos con radioactividad estaban muy limitados.

El radio al ser tres millones de veces más activo que el uranio, permitió realizar muchos experimentos que proporcionaron información valiosísima sobre la estructura de la materia, experimentos que no hubiesen sido posibles sin la obtención de radio.

Entre 1911 y 1913 Rutherford, Geiger y E. Marsden realizaron experimentos de dispersión de partículas provenientes del radio que mostraron que la carga positiva del átomo está concentrada en una región muy pequeña (del orden de 10-4 veces) del átomo, y que en ella se concentra la mayor parte de la masa. Así nació el modelo atómico de Rutherford, un sistema solar en miniatura, en el cual los electrones orbitan alrededor del núcleo equilibrando su fuerza centrífuga con su atracción electrostática. Los átomos dejaron de ser partículas indivisibles.

Del estudio de las propiedades del radio se dedujo la desintegración de los átomos lo cual supuso una revolución en la concepción del átomo y por ende del universo. Además gracias al radio se pudieron realizar las primeras transmutaciones atómicas. A partir de partículas alfa emitidas por el radio se obtuvo helio. El neutrón se descubrió al bombardear con estas partículas alfa átomos de berilio.

Mucho mas experimentos se hicieron con el radio, pero por ultimo señalar que alrededor del radio se creo una importante industria en la que algunos se hicieron multimillonarios, vendiendolo para investigación y para tratamiento del cáncer.

Las experiencias realizadas en los quince años posteriores al descubrimiento del radio supusieron un avance en el conocimiento de la estructura de la materia superior al que se había realizado en los quince siglos anteriores.

El radio fue en su momento la materia mas cara del mundo, con un precio equivalente a un millón de euros el gramo. Ya que la obtención de un gramo de radio implicaba la extracción de 3 toneladas de uranio inservible en su momento, grandes cantidades de uranio se almacenaron el Amberes ya que los belgas tenían el monopolio mundial de este metal gracias a los ricos yacimientos del Congo Belga.

Al inicio de la segunda guerra mundial, cuando ya se intuía la posibilidad de la bomba atómica los alemanes acudieron prestos a apoderarse de este uranio, a la vez que los americanos se apropiaban de cientos de toneladas de mineral que se acumulaban en el Congo dispuestas a ser enviadas a Europa si la guerra no hubiese estallado.

 

El descubrimiento del radio fue en su época una importante hazaña científica en la que se soslayo la ignorancia sobre la desintegración atómica con muy rudimentarios instrumentos. Ahora que sabemos el camino y comprendemos muchos mecanismos, con los instrumentos que un aficionado puede tener en su "santa Santorum" se pueden realizar unos interesantes experimentos que emulan la hazaña de los Curie.

 

Fragmento de pechblenda de Córdoba.

Según la Enciclopedia Universal Micronet ,

" el procedimiento de obtención del radio depende de la naturaleza de la mena y de la ganga, aunque todos los procedimientos tienden a conseguir como punto intermedio un concentrado de sulfato de bario y radio.

Primeramente, después de la extracción, el mineral se concentra y se lava para eliminar la mayor parte de la ganga posible. Si la mena está compuesta de óxido de uranio (pechblenda o uranita) el mineral se pulveriza finamente y se procede a extraer el uranio como se realice normalmente. Los restos de la extracción se pulverizan y se tratan con cuatro veces su peso de ácido sulfúrico concentrado en frío, durante una semanas, o en caliente, durante unas horas. El ácido disuelve el uranio y muchos metales cuyos sulfatos son solubles, dejando un residuo compuesto fundamentalmente por sílice, silicatos insolubles, sulfato de plomo, calcio, bario y radio. Si la mena es suficientemente pura los residuos de este tratamiento significan aproximadamente el 0,5% del mineral tratado.

Estos restos se tratan con hidróxido sódico en caliente que disuelve la sílice, el sulfato de plomo y otros metales, quedando un resto formado principalmente por sulfato de bario y radio con un contenido de una parte por cada diez mil de éste último. Para garantizar que no hay pérdidas de radio se debe comprobar en cada paso que los residuos inútiles son mucho menos radiactivos que los productos originales. Por contra si existe suficiente concentración de radio y las operaciones se han realizado adecuadamente esta pasta debe ser unas mil veces más radiactiva que la pechblenda original.

La pasta de sulfatos se trata con una solución de carbonato sódico en caliente que transforma los sulfatos insolubles en carbonatos insolubles. Se realizan diferentes extracciones que se decantan y filtran obteniéndose con ello una pasta de carbonatos. La solución de carbonatos se trata con ácido clorhídrico, de manera que se convierten todos los carbonatos en cloruros solubles. Es esta etapa se pueden precipitar algunos cloruros insolubles de plomo y otros metales que se hayan arrastrado. El líquido contiene, fundamentalmente, cloruro de bario y radio además de cloruro de sodio y otros metales alcalinos.

De esta solución se precipitan los sulfatos de bario y radio mediante una solución de sulfato sódico o ácido sulfúrico diluido. El precipitado se filtra y recoge y de nuevo se convierte en carbonato y luego en cloruro.

Por cristalización fraccionada de estos cloruros se aíslan los sulfatos de bario y radio eliminando otros metales más solubles en las aguas madres. Como el cloruro de radio es menos soluble que el de bario mediante este procedimiento, realizado unas 100 veces puede conseguirse una riqueza de cloruro de radio cercano al 90%.

Este procedimiento es, aproximadamente, el que emplearon los esposos Curie para el aislamiento del radio y uno de los que se emplearon en la primera mitad del siglo XX para la obtención de metal. Para hacerse una idea de la dificultad y costo del mismo basta saber que para obtener un gramo de radio es necesario tratar cuatrocientas toneladas de mineral bruto, con ochocientas toneladas de agua, doscientas toneladas de productos químicos y consumir el equivalente a cien toneladas de petróleo en energía.

 

El experimento.

La legislación actual en la mayor parte de los países, prohibe la extracción, procesado y almacenamientos de los minerales de uranio y otros elementos radioactivos. No obstante se permite la tenencia de muestras de minerales naturales. Suponemos que esta prohibición no se debe aplicar a un pequeño experimento didáctico, de la misma manera que en Estados Unidos se pueden adquirir muestras de materiales radioactivos en cantidades inferiores a 10 microcuries con objeto didáctico. De cualquier manera aseguresé de las implicaciones legales de este experimento antes de iniciarlo. El Profesor Frank de Copenhague declina cualquier responsabilidad.

Además de las objeciones anteriores, para realizar este experimento se necesitan productos químicos tóxicos y corrosivos que no debe manejar nadie sin la suficiente experiencia y sin las adecuadas medidas de seguridad.

Materiales necesarios.

Es imprescindible para realizar este experimento un medidor de radiación. Puede ser un contador Geiger o un medidor de centelleo. Si dispone de medición digital mejor.

Se necesitan varios vasos de precipitados, además de varillas de agitación, embudos, papel de filtro, un mechero o un calentador eléctrico y es conveniente una balanza.

Se emplea ácido sulfúrico, nítrico y clorhídrico, hidróxido sódico, amoniaco y carbonato potásico.

 

Material de partida.

Lo mejor es disponer de pecblenda del Zaire, es la mas pura y la que mas riqueza en uranio y por lo tanto en radio tiene. Un fragmento de 50 gramos o mas seria muy bueno aunque con cantidades menores también se puede operar. Igualmente puede emplearse pechblenda española, hay algunas muy ricas de Córdoba o Cáceres aunque son mas difíciles de encontrar. También se pueden conseguir pechblendas portuguesas muy buenas.

También sirven otros minerales de uranio, como uranotilo torbernita o autunita, pero el problema de estos minerales es que no suelen ser masivos ya que se presentan como costras o inclusiones y por lo tanto el contenido en uranio es mucho mas bajo. Si se emplean estos minerales deberemos emplear cantidades que supongan al menos un contenido en uranio de unos 25 gramos.

Si se parte de minerales que suponen un contenido de uranio de 25 gramos como mucho obtendremos el equivalente a concentrado de radio de 4 microgramos, un poquito mas que el equivalente al americio que tiene un detector de humos.

Cristales de torbernita (verdes) de Portugal .

 

Operación.

En resumen se pretende procesar un mineral de uranio y reunir una buena parte de su radioactividad en un concentrado. Por ello el resultado del proceso no puede bajo ningún aspecto ser mas radioactivo que la muestra original.

Para tener una idea de la peligrosidad de la radioactividad de este material tengase en cuenta que si un pedazo de 50 gramos de pechblenda no se considera peligroso, el concentrado tampoco lo es mucho. Por el contrario 1 tonelada de pechblenda si puede ser peligrosa y su concentrado mucho mas. De cualquier manera se recomienda que los materiales radioactivos se almacenen en cajas de plomo y en lugares separados de los que se hace la vida cotidiana.

La legislación norteamericana, permite utilizar, enviar por correo y hacer prácticamente cualquier cosa con muestras radioactivas cuya actividad sea inferior a 10 microcuries. Esto da una idea de que la el experimento en cuestión no lo es, lo cual no implica que se actúe sin ninguna consideración.

 

Realización.

Se supone que se parte de 25 gramos o equivalente de mineral.

Previo al comienzo de la separación conviene montar el Geiger de manera que entre el tubo y las muestras que se van a estudiar haya una distancia fija para que las mediciones sean coherentes.

Para ello se puede suspender el Geiger a 5 cm del suelo con el tubo mirando para abajo. Si no se dispone de Geiger, por poco dinero puede construirse una cámara de ionización. En estos momentos no esta descrito el proyecto pero se hara en breve.

Si se dispone de pecblenda de buena calidad del Zaire, se puede emplear una muestra de este para calibrar el Geiger.

 

Machacar groseramente el mineral hasta que los trozos sean del tamaño de un garbanzo o inferiores. Si se realiza en un mortero cubrirlo con un trapo para evitar que se disperse polvo del mineral. Hacerlo en un descampado al aire libre.

Poner el mineral en un vaso de precipitados de 300 cc. Añadirle 50 cc de agua desionizada, 20 cc de ácido sulfúrico concentrado y 30 cc de ácido nítrico concentrado. Seguir este orden y extremar las precauciones para el uso de estos ácidos.

Inmediatamente los ácidos atacan el mineral, si se calienta un poco la velocidad de reacción aumentará. Dejar que los ácidos ataquen el mineral durante un día. Remover de vez en cuando con una varilla de vidrio. Si después de este periodo se ve que sigue la reacción calentar durante una hora o hasta que el mineral sea totalmente atacado. Tengasé en cuenta que el mineral no se disuelve totalmente en los ácidos y que quedan residuos.

Cuando se suponga que la pecblenda ha sido totalmente atacada, añadir 150 cc de agua, calentar hasta ebullición y dejar reposar durante varias horas, hasta que el liquido que sobrenade que sera de color amarillento este claro. Decantar este liquido procurando que no arrastre nada del precipitado que queda en el fondo y que es el que contiene el radio. Guardar este liquido aparte ya que es el que contiene la mayor parte del uranio. El residuo en el vaso no deberá ser mayor de 50 cc

Añadir otros 150 cc de agua, calentar hasta ebullición, dejar reposar y decantar como en el caso anterior y guardar el liquido que se podrá mezclar con el anterior.

Repetir el proceso otra vez.

Lo que ahora queda en el fondo del vaso es una mezcla de sulfatos de plomo, calcio, bario, radio y ganga, como cuarzo y otro materiales inútiles. De aquí debemos extraer el radio y los materiales que se extraigan con el, para ello debemos convertir los sulfatos insolubles en carbonatos que se pueden solubilizar con ácido clorhídrico.

Añadir al precipitado poco a poco y agitando carbonato potásico, hasta que cese la efervescencia, después añadir otros 10 gramos y 25 cc de agua. Llevar a ebullición y mantenerla durante una hora reponiendo el agua si es necesario. Retirar del fuego, añadir 150 cc de agua, agitar y dejar reposar. Decantar el liquido claro que sobrenade procurando no arrastrar el precipitado. Estos líquidos no son útiles y se pueden tirar.

Añadir 10 g de carbonato, reponer agua hasta un volumen de 75 cc, llevar a ebullición durante dos horas, añadir 150 cc de agua, dejar reposar y decantar con en el caso anterior.

Repetir el proceso anterior.

En este momento la mayor parte del sulfato de radio habrá pasado a carbonato al mismo tiempo que otros metales. Para eliminar restos de carbonato potásico, se añaden 150 cc de agua se deja reposar y se decanta como anteriormente.

Pasando los sulfatos a carbonatos.

 

Ahora los carbonatos se pasaran a cloruros solubles.

Para ello se mezcla en un vaso de precipitados 25 cc de ácido clorhídrico concentrado con 50 cc de agua. De esta mezcla se va echando sobre el precipitado agitando hasta que cese la efervescencia, se añaden unos 20 cc de ácido diluido en exceso. Se deja reposar y se decanta el liquido claro que sobrenada y se guarda en otro vaso de precipitados.

Al residuo se añaden otros 20 cc de ácido diluido y 50 cc de agua, se agita se deja reposar y se decanta el liquido que se mezcla con el anterior.

El liquido obtenido en las dos ultimas extracciones contiene los cloruros solubles: para separarlos como sulfatos insolubles se disuelven 4 g. De sulfato amónico en 10 cc de agua y se añade a ese vaso. Se calienta hasta casi la ebullición y se espera que se pose el precipitado. En el fondo del vaso quedara un escaso y fino precipitado blanco que corresponde en su mayor parte a sulfato de bario con las trazas del radio contenido en el mineral.

Decantar el liquido claro que sobrenade y añadir 50 cc de agua para lavar el precipitado. Esperar a que se pose todo el precipitado como una hora, decantar de nuevo y concentrar todo el precipitado recogerlo con una pipeta y colocarlo en un vidrio de reloj, añadir unos 2 cc de agua al vaso y recoger con la pipeta el resto de precipitado. Esperar a que se repose el precipitado y retirar el agua sobrante con la pipeta.

Con esperar a que se seque tendremos el concentrado de radio cuya actividad debería ser de unos 4 microcuries si hemos realizado las operaciones correctamente.

Si no se tiene practica con operaciones químicas conviene realizar una prueba con un poco de mineral y después repetir con otra cantidad mayor.

El precipitado después de haber sido lavado.

Medidas de la actividad del precipitado.

Si hemos sido rigurosos y hemos medido la actividad del mineral antes de procesarlo comprobaremos que esta es aproximadamente tres veces mas alta que la del precipitado. Sin embargo si el trozo de pechblenda pesaba 25 gramos el precipitado seguramente pesara menos de 0,05 gramos, en otras palabras es unas 1000 veces mas radioactivo que el mineral original ( en peso).

En la extracción del radio se parte de este precipitado y se separa el radio del bario por cristalización fraccionada de los cloruros. Esa operación requiere unos 100 pasos, y no se puede realizar al menos que se cuente con unas 1000 veces mas material que del que aquí se dispone, por eso nosotros interrumpiremos el proceso aquí.

 

El radio se desintegra.

Un experimento curioso con este residuo, es comprobar como aumenta su actividad con el paso del tiempo.

Para ellos colocamos el medidor Geiger en un lugar fijo y el material en su proximidad, de manera que obtengamos una lectura cómoda. Durante cuatro días debemos anotar las lecturas del contador cada seis horas aproximadamente. Comprobaremos que la actividad de la muestra va creciendo linealmente durante las 64 primeras horas, después, el crecimiento se ralentiza hasta hacerse constante la actividad y aproximadamente 4,4 veces mayor que el inicial.

Esto se debe a que el producto de la desintegración del radio es radón, que tiene una vida media de 2,8 días. Por ello el radón empieza a aumentar hasta que se llega a un equilibrio entre el radón que se crea y el que se desintegra. El radón es un escalón el la serie de desintegración del radio, de manera que la suma de todos los hijos de este en mayor o menor proporción hacen que en situación de equilibrio el precipitado sea casi cinco veces mas radioactivo que cuando se encuentra radio puro.

El Doctor Frank de Copenhague.