Nettunio

Nettunio
93 Np                                                                                                                                                                                                                                               uranio ← nettunio → plutonio
Aspetto
Sfera di 237Np (6 kg) al Los Alamos National Laboratory
Linea spettrale
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	nettunio, Np, 93
Serie	attinoidi
Gruppo, periodo, blocco	— (3)[1], 7, f
Densità	18,0-20,45 g/cm³[2][3]
Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	6L11/2
Proprietà atomiche
Peso atomico	237,0482 u
Raggio atomico (calc.)	155 pm
Raggio covalente	190±1 pm
Configurazione elettronica	[Rn] 7s2 6d1 5f4
e− per livello energetico	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Stati di ossidazione	6, 5, 4, 3 (anfotero)
Struttura cristallina	ortorombica, tetragonale, cubica
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido (paramagnetico)
Punto di fusione	910 K (637 °C)
Punto di ebollizione	4 273 K (4 000 °C)
Volume molare	1,159×10−5 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	336 kJ/mol
Calore di fusione	5,19 kJ/mol
Altre proprietà
Numero CAS	7439-99-8
Elettronegatività	1,36 (Scala di Pauling)
Conducibilità elettrica	8,22×10−5 /m·Ω
Conducibilità termica	6,3 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	604,5 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 235Np sintetico 369,1 giorni α ε 5,192 0,124 231Pa 235U 236Np sintetico 1,54×105 anni ε β− α 0,940 0,940 5,020 236U 236Pu 232Pa 237Np tracce 2,144×106 anni[4] α fiss. 4,959   233Pa   239Np sintetico 2,355 giorni[4] β−   239Pu
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Il nettunio è un elemento chimico con numero atomico 93 e il suo simbolo è Np. È un elemento transuranico incluso nella serie degli attinoidi sulla tavola periodica.^[4] Possiede 19 isotopi, tutti instabili^[4], e si presenta, allo stato solido, in 3 forme allotropiche. Il suo isotopo più stabile (²³⁷Np) è un sottoprodotto di reazione nei reattori nucleari^[5] e trova impiego nella costruzione di rilevatori di neutroni. È presente, in tracce, nei minerali di uranio.^[6]

Il nettunio appartiene alla serie degli attinoidi e fu il primo elemento transuranico ad essere sintetizzato in laboratorio. Fu scoperto e battezzato «nettunio» (dal pianeta Nettuno, per analogia con l'uranio) da Edwin McMillan e Philip Hauge Abelson, nel 1940, all'interno del Radiation Laboratory (dal 1959, Lawrence Berkeley National Laboratory) dell'Università di Berkeley in California. I due fisici sintetizzarono l'isotopo ²³⁹Np (con un'emivita di 2,3 giorni) in un ciclotrone bombardando dell'uranio con neutroni lenti (ovvero con energia <1 eV^[7]).^[8][9][10]

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2\ 355\ g}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Prima di tale data, sono menzionati in letteratura almeno tre annunci della scoperta dell'elemento 93 – con il nome di ausonio (Enrico Fermi et alii), di boemio nel 1934 e di sequanio nel 1939 – tutti smentiti da successive verifiche.^[11][12]

Allo stato solido, il nettunio si presenta come un metallo di colore argenteo, discretamente reattivo ed esistente in tre forme allotropiche^[6][10]:

• α-nettunio: ortorombico con densità 20,25 g/cm³ (20 250 kg/m³).
• β-nettunio (oltre i 280 °C), tetragonale con densità 19,36 g/cm³ (19 360 kg/m³) a 313 °C.
• γ-nettunio (oltre 577 °C), cubico con densità 18 g/cm³ (18 000 kg/m³) a 600 °C.

Tracce di nettunio sono presenti, in natura, nei minerali di uranio come prodotto di decadimento radioattivo del ²³⁷U. L'isotopo ²³⁷Np si può sintetizzare per riduzione di NpF₃ con vapori di bario o litio a circa 1200 °C^[6], ma prevalentemente si ottiene come sottoprodotto di reazione dal combustibile nucleare esausto e/o durante la produzione di plutonio. ²³⁷Np viene prodotto anche per decadimento alfa di ²⁴¹Am.^[13]

Con la cattura di un neutrone termico, un atomo di ²³⁵U passa allo stato eccitato di ^236mU, un isomero metastabile con un'emivita di 1×10⁻¹² s.^[14] Escludendo gli atomi che decadono nuovamente in ²³⁵U per reazioni di scattering elastico e anelastico, circa l'84% dei nuclei eccitati subisce la fissione, mentre il restante 16% decade allo stato fondamentale di ²³⁶U cedendo 6,46 MeV sotto forma di radiazioni gamma.^[15][16][17]

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236}U_{m}\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma } }$

Un'ulteriore cattura neutronica produce ²³⁷U che ha un'emivita di 7 giorni e decade rapidamente in ²³⁷Np.

${\displaystyle \mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6,75\ g}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np} }$

²³⁷U viene prodotto anche tramite una reazione (n,2n) con ²³⁸U (ma solo se i neutroni hanno alta energia).

Sono noti 19 radioisotopi del nettunio, i più stabili dei quali sono il ²³⁷Np con emivita di 2,14 milioni di anni, il ²³⁶Np con emivita di 154 000 anni e ²³⁵Np con emivita di 396,1 giorni. Tutti gli altri isotopi radioattivi hanno emivite inferiori a 5 giorni e, per la maggior parte, inferiori ad 1 ora. Questo elemento ha anche 4 stati metastabili, di cui il più stabile è il ^236mNp (t_½ 22,5 ore).^[18][19]

Gli isotopi di nettunio hanno un peso atomico variabile tra 225,034 u (²²⁵Np) e 244,068 u (²⁴⁴Np). Il principale modo di decadimento prima dell'isotopo più stabile (²³⁷Np) è la cattura elettronica (con un decadimento alfa significativo), mentre quello più comune dopo l'isotopo più stabile è il decadimento beta. I prodotti di decadimento prima di ²³⁷Np sono isotopi di uranio (mentre il decadimento alfa produce, invece, isotopi di protoattinio) e i prodotti principali dopo di esso sono isotopi di plutonio.^[18][19]

Possiede vari stati di ossidazione, i più alti dei quali sono quelli ottenuti in soluzione acquosa^[10] come Np³⁺ (di colore purpureo analogamente allo ione Pm³⁺) che produce, per ossidazione all'aria, Np⁴⁺ (verde-giallo) e, successivamente, NpO2+2 (rosa pallido).^[20] Un altro stato di ossidazione conosciuto è NpO+2 (verde bluastro in soluzione acquosa) ottenuto per ossidazione di Np⁴⁺ con acido nitrico caldo.^[20][21]

I principali composti del nettunio sono gli alogenuri NpF₆ (arancione), NpF₄ (verde), NpF₃ (viola-nero), NpCl₄ (rosso-marrone), NpCl₃ (bianco), NpBr₄ (rosso-marrone), NpBr₃ (verde), NpI₃ (marrone) e gli ossidi Np₃O₈ e NpO₂.^[10][20]

Gli isotopi di nettunio più pesanti decadono rapidamente, mentre quelli più leggeri non possono essere prodotti per cattura neutronica; di conseguenza, la separazione chimica del nettunio dal combustibile nucleare esausto produce sostanzialmente il solo ²³⁷Np. Per tale motivo – e per la scarsa rilevanza come prodotto del decadimento naturale nei giacimenti di minerali uranili – questo radionuclide del nettunio si presta come indicatore dell'inquinamento di lungo periodo connesso con le attività nucleari umane.^[22][23]

Come altri tre prodotti di fissione (⁹⁹Tc, ¹²⁹I e ²³⁴U) il radioisotopo ²³⁷Np possiede un'emivita molto lunga^[24], è facilmente solubile in acqua e viene scarsamente assorbito dai minerali per cui, pur essendo un nuclide a bassa emissione radioattiva, potrebbe rappresentare, nel lungo periodo (> 10000 anni dallo stoccaggio) a causa del progressivo accumulo e dell'elevata mobilità^[25], l'agente più significativo di inquinamento radioattivo per le falde acquifere e i bacini idrografici prossimali ai depositi di scorie se questi ultimi dovessero deteriorarsi.^[26][27][28]

²³⁷Np trova impiego nella costruzione di dosimetri di neutroni veloci e ad alta energia^[29], anche per uso personale^[30], in campo ospedaliero e industriale.^[31] Lo stesso radioisotopo del nettunio è anche un prodotto di decadimento dell'americio presente nei rivelatori di fumo a ionizzazione.^[32]

L'irradiazione neutronica di ²³⁷Np origina ²³⁸Pu che è una sorgente di particelle α per i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) utilizzati, prevalentemente, nel campo dell'esplorazione spaziale. ²³⁷Np cattura un neutrone per formare ²³⁸Np che decade – per emissione beta dopo un paio di giorni – in ²³⁸Pu.^[33]

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2\ 117\ g}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }$

Il nettunio è fissile e potrebbe teoricamente essere utilizzato come combustibile nei reattori a neutroni veloci o nelle armi nucleari.^[34] Nel 1992, il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti declassificò un documento che attestava la possibilità di impiego di ²³⁷Np nella costruzione di armi nucleari.^[35] Nel settembre 2002, alcuni ricercatori dell'Università della California hanno creato, presso il Los Alamos National Laboratory, la prima massa critica di nettunio utilizzando, per gli esperimenti, una sfera di 6 kg di ²³⁷Np circondata da un guscio di uranio arricchito. I risultati degli esperimenti hanno mostrato che la massa critica è compresa attorno ai 58-60 kg.^[3]

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).
• Albert Stwertka, Guide to the Elements – Revised Edition, Oxford University Press, 1998, ISBN 0-19-508083-1.

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «nettunio»
• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su nettunio

• nettunio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Lester Morss, neptunium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Los Alamos National Laboratory's Chemistry Division: Periodic Table – Neptunium, su pearl1.lanl.gov. URL consultato il 17 maggio 2005 (archiviato dall'url originale il 7 febbraio 2005).
• (EN) Nettunio, su webelements.com.
• (EN) Nettunio, su environmentalchemistry.com.

Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia