Plutônio (Pu)

O plutônio (Pu) é o elemento químico de número 94 da Tabela Periódica, sendo considerado, então, um actinídeo. É um elemento que possui diversos estados de oxidação, os quais variam de +3 a +7, com relativa reatividade. É obtido por meio de reações nucleares, principalmente via absorção de nêutrons pelo ²³⁸U. Possui diversos isótopos, sendo todos radioativos, com o ²³⁹Pu sendo o principal deles.

O plutônio possui suas aplicações ligadas à sua radioatividade, sendo principalmente utilizado para a produção de energia em usinas nucleares e como fonte de calor para sondas e aeronaves espaciais. O plutônio também pode ser aplicado para fins militares na fabricação de bombas, sendo a mais famosa a produzida no Projeto Manhattan, lançada no dia 9 de agosto de 1945 sobre a cidade japonesa de Nagasaki. O plutônio possui alta toxicidade e alta radiotoxicidade, mas ainda menor que outros elementos conhecidos e manipulados. Foi produzido, pela primeira vez, na década de 1940 por Glenn T. Seaborg e colaboradores.

Leia também: Actínio — detalhes sobre outro elemento químico pertencente aos actinídeos

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre o plutônio
• 2 - Propriedades do plutônio
• 3 - Características do plutônio
• 4 - Onde o plutônio é encontrado?
• 5 - Obtenção do plutônio
• 6 - Aplicações do plutônio
  • → Plutônio em marcapassos cardíacos
  • → Plutônio em usinas nucleares
  • → Plutônio em armas nucleares
  • → Plutônio como fonte de calor
• 7 - Precauções com o plutônio
• 8 - História do plutônio

Resumo sobre o plutônio

• O plutônio é o elemento químico de número atômico 94 da Tabela Periódica, sendo pertencente aos actinídeos.

• É um elemento de boa reatividade, podendo-se apresentar com diversos estados de oxidação (+3 a +7).

• Todos os isótopos do plutônio são radioativos, sendo o ²³⁹Pu o mais importante.

• O plutônio pode ser aplicado para produção de energia nuclear, em bombas atômicas e como fonte de calor em missões espaciais.

• Apesar de sua alta toxicidade e de sua alta radiotoxicidade, ele é semelhante a outros elementos manipulados rotineiramente.

• O plutônio foi sintetizado, pela primeira vez, em 1940, pela equipe chefiada por Glenn T. Seaborg.

Propriedades do plutônio

• Símbolo: Pu.

• Número atômico: 94.

• Massa atômica: 244 u.m.a.

• Ponto de fusão: 640 °C.

• Ponto de ebulição: 3228 °C.

• Densidade: 19,84 g.mL⁻³ (25 °C, fase α).

• Eletronegatividade: 1,28.

• Distribuição eletrônica: [Rn] 5f⁶ 7s².

• Série química: actinídeos; metais; elementos de transição interna; elementos radioativos.

Características do plutônio

O plutônio é um elemento radioativo, de símbolo Pu, pertencente aos actinídeos (série de elementos com subnível f que se localizam no sétimo período da Tabela Periódica). Em sua forma metálica, possui uma coloração prateada, a qual toma um tom amarelado quando exposto ao ar (devido à oxidação).

Apesar de sua toxicidade elevada, o seu papel como combustível nuclear faz com que ele seja muito estudado. É um elemento capaz de reagir com O₂, com vapor e com ácidos, sendo inerte na presença de bases. Sob aquecimento, o plutônio reage com diversos não metais, produzindo, por exemplo, PuH₂, PuH₃, PuCl₃ e PuO₂.

O plutônio pode adquirir um grande número de estados de oxidação, variando de +3 até +7. Isso é uma característica dos actinídeos mais leves (que vão do actínio, Ac, ao neptúnio, Np), de modo que o maior estado de oxidação (não necessariamente o mais estável) representa o número de elétrons que pode ser retirado da sua camada mais externa. No caso dos actinídeos, embora exista o subnível 7s, os elétrons do subnível 5f são os que estão mais disponíveis quimicamente, sendo mais facilmente retirados, permitindo, assim, essa grande variedade de estados de oxidação. Tal comportamento é consequência de um efeito que afeta diversos elementos pesados, o chamado “efeito relativístico”, em que os subníveis s e p se contraem e o subnível f se expande. Como consequência, a blindagem realizada pelos subníveis s e p aumenta, tornando os elétrons do subnível f mais fracamente ligados ao núcleo.

Uma coisa interessante acerca do plutônio é que, em solução, quatro estados de oxidação podem coexistir. Ao colocar o óxido PuO₂ em solução aquosa acidificada (com presença de HClO₄, por exemplo), o íon Pu⁴⁺ pode ser hidrolisado, dando origem ao íon Pu³⁺ e à espécie PuO₂⁺ (com Pu possuindo carga +5). O íon Pu⁴⁺ pode ainda reagir com a espécie PuO₂⁺ e, assim, produzir mais íons Pu³⁺, assim como a espécie PuO₂²⁺ (com o Pu possuindo carga +6). A acidez também impacta a espécie PuO₂⁺, que pode formar íons Pu⁴⁺ e PuO₂²⁺ via reação com H⁺.

2 Pu⁴⁺ + 2 H₂O ⇌ Pu³⁺ + PuO₂⁺ + H⁺

Pu⁴⁺ + PuO₂⁺ ⇌ Pu³⁺ + PuO₂²⁺

2 PuO₂⁺ + H⁺ ⇌ Pu⁴⁺ + PuO₂²⁺ + 2 H₂O

O plutônio possui diversos isótopos, cujos números de massa variam de 228 a 247, e todos são radioativos. De todos, o mais importante é o plutônio-239, o qual possui uma meia-vida de 24.110 anos, o que é suficiente para produção em larga escala.

Veja também: Neptúnio — detalhes sobre outro actinídeo leve

Onde o plutônio é encontrado?

Boa parte dos níveis de plutônio presentes no planeta é decorrente da síntese, em laboratório, de plutônio. Apenas dois isótopos, o ²³⁹Pu (meia-vida de 24.110 anos) e o ²⁴⁴Pu (meia-vida de 80,8 milhões de anos), podem ser considerados de origem natural. O plutônio-239 é produzido na natureza pelos processos de decaimento nuclear que ocorrem em minérios de urânio:

\(^{238}_{92}U + ^{1}_{0}n \rightarrow ^{239}_{92}U + \gamma \rightarrow ^{239}_{93}Np + \beta^{0}_{-1} \rightarrow ^{239}_{94}Pu + \beta^{0}_{-1} \)

No caso, o nêutron pode vir de uma fissão espontânea do ²³⁸U, assim como de outros processos nucleares paralelos possíveis.

Já o plutônio-244, com um tempo de vida mais longo, é remanescente dos processos de nucleossíntese das estrelas. Como apenas esses dois isótopos possuem tempo de meia-vida suficientemente grande para serem detectados na natureza, os demais (com baixo tempo de meia-vida) dificilmente poderão ser encontrados em fontes naturais.

Obtenção do plutônio

Os isótopos de plutônio são obtidos majoritariamente por absorção de nêutrons pelo ²³⁸U, cujo processo mimetiza as reações nucleares de urânio-238 que ocorrem em fontes naturais deste elemento e produzem o ²³⁹Pu:

\(\mathrm{U}_{92}^{238} + \mathrm{n}_{0}^{1} \rightarrow \mathrm{U}_{92}^{239} + \gamma \rightarrow \mathrm{Np}_{93}^{239} + \beta^{0}_{-1} \rightarrow \mathrm{Pu}_{94}^{239} + \beta^{0}_{-1} \)

Isótopos mais pesados de plutônio (240 a 244) também podem ser produzidos pela captura de nêutrons. O ²³⁸Pu, um isótopo mais leve, é produzido a partir da captura de nêutrons do ²³⁸U. Só que, nesse caso, há liberação de 2 nêutrons e a formação do ²³⁷U, o qual, via decaimento beta, produz o ²³⁷Np. A captura de um nêutron pelo ²³⁷Np produz o isótopo ²³⁸Np, o qual, via decaimento beta, produz o ²³⁸Pu.

\(\mathrm{U}_{92}^{238} + \mathrm{n}_{0}^{1} \rightarrow \mathrm{U}_{92}^{237} + 2 \mathrm{n}_{0}^{1} \rightarrow \mathrm{Np}_{93}^{237} + \beta^{0}_{-1} \)

\(\mathrm{Np}_{93}^{237} + \mathrm{n}_{0}^{1} \rightarrow \mathrm{Np}_{93}^{238} \rightarrow \mathrm{Pu}_{94}^{238} + \beta^{0}_{-1} \)

O plutônio pode ser reciclado a partir de combustível nuclear, à base de urânio, já utilizado. O combustível nuclear à base de urânio é composto por 3-5% em massa de ²³⁵U, enquanto o resto é majoritariamente composto por ²³⁸U. Para a fissão do urânio em reatores nucleares, o isótopo físsil (²³⁵U) recebe nêutrons, ocasionando a formação de ²³⁹Pu (que, em geral, costuma ser 1% da massa dos metais pesados remanescentes do processo de fissão).

Contudo, devemos lembrar que a fissão do ²³⁵U também produz diversos isótopos mais leves, o que dificulta a separação e a purificação do plutônio do combustível já utilizado. Assim, técnicas de extração foram desenvolvidas, as quais são divididas em dois grupos:

• em solução aquosa, que são as principais, sendo, por exemplo, extração líquido-líquido (por solvente), troca iônica e precipitação;

• em solução não aquosa, como eletrorrefinamento de sais fundidos.

De todos os processos de separação, o mais importante é o PUREX, sigla, em inglês, para o processo de extração líquido-líquido e de redução de plutônio e urânio.

O plutônio pode ser recuperado na forma de PuO₂, o qual é misturado com óxido de urânio depletado para produzir o chamado MOX, um combustível nuclear conhecido como “mixed oxide” (mistura de óxidos).

A forma metálica do plutônio pode ser produzida, assim como neptúnio e urânio, pela redução de seu trifluoreto (PuF₃) com um metal alcalino-terroso.

Aplicações do plutônio

As aplicações do plutônio passam pelas suas propriedades radioativas. Todos os isótopos de plutônio são radioativos, e, por isso, suas aplicações derivam dessa propriedade. Essa radioatividade é decorrente de uma instabilidade da sua estrutura, que gera a emissão de partículas e radiações gama.

→ Plutônio em marcapassos cardíacos

Uma aplicação pouco convencional de plutônio foi em marcapassos cardíacos. No fim da década de 1960, os usuários desses dispositivos tinham problemas relacionados com a baixa durabilidade das baterias. Assim, pesquisas se iniciaram para a criação de marcapassos nucleares, cujo tempo de duração de bateria seria maior que o tempo de vida dos usuários.

Nesse contexto, o ²³⁸Pu começou a ser aplicado nos aparelhos, demonstrando uma menor necessidade de manutenção e demonstrando serem seguros e úteis. Obviamente que, com os avanços no campo de baterias e de eletroeletrônicos, a utilização de plutônio foi se tornando obsoleta. Porém, em 2007, uma reportagem da agência Reuters localizou uma mulher que colocou o marcapasso nuclear, com seus 20 anos de idade, no ano de 1973. À altura, 37 anos depois, o dispositivo ainda estava em pleno funcionamento.

Também foi apontado como houve economia financeira pela utilização do marcapasso nuclear, uma vez que ele necessitou de poucos gastos de manutenção pós-implementação, enquanto a aquisição de dispositivos modernos custaria bem mais. Outro ponto de interesse é que a reportagem apontou que 139 pacientes receberam as primeiras versões do marcapasso nuclear e, mesmo após 80 anos, com decaimento da massa de plutônio, os dispositivos ainda tinham bateria suficiente para manter o dispositivo em pleno funcionamento.

→ Plutônio em usinas nucleares

O urânio enriquecido (com 3-5% de urânio-235 e 95-97% de urânio-238) é um dos principais combustíveis nucleares. Durante sua fissão em usinas nucleares, promovida pela captura de nêutrons, o plutônio é formado como subproduto (sendo ²³⁹Pu o isótopo mais comum). Como todos os isótopos do plutônio são físseis, o plutônio formado pode sofrer também uma fissão induzida por nêutrons, aumentando substancialmente a produção de energia.

Estima-se que em reatores nucleares de água leve (LWR), o plutônio é responsável por um terço da energia produzida, enquanto, nos reatores nucleares de água pesada pressurizada (PHWR), é responsável por 60% do calor produzido. O plutônio também é utilizado em usinas nucleares de nêutrons rápidos.

→ Plutônio em armas nucleares

O plutônio, mais especificamente o ²³⁹Pu, pode ser aplicado na produção de armas nucleares. A mais famosa foi a bomba Fat Man, utilizada na cidade japonesa de Nagasaki, no dia 9 de agosto de 1945, no fim da Segunda Guerra Mundial (1939-1945), com uma potência estimada em 21 quilotons. Embora a massa de ²³⁹Pu utilizada tenha sido de, aproximadamente, 6 kg na bomba de Nagasaki, entende-se que, atualmente, são necessários cerca de 10 kg de ²³⁹Pu para confecção de uma bomba.

O grande problema das bombas de plutônio é a presença do isótopo ²⁴⁰Pu, considerado um contaminante, graças à maior emissão de nêutrons e à maior produção de calor. Em bombas, a emissão espontânea de nêutrons deve ser um terço da emissão espontânea que ocorre em reatores nucleares, enquanto a energia térmica tem que ser de 2 a 3 W/kg, comparada aos 5 a 10 W/kg esperados de um reator nuclear. A questão é que a separação de ²³⁹Pu e ²⁴⁰Pu não é compensatória. Assim, reatores têm sido desenvolvidos para produção de plutônio para fins militares com menos de 8% de ²⁴⁰Pu.

→ Plutônio como fonte de calor

A exploração espacial exige dispositivos energeticamente densos para produção de calor, ou seja, dispositivos que entreguem grande quantidade de energia térmica, mas que ocupem um pequeno espaço. Deve-se entender que a produção de calor é importante para manterem as peças expostas ao intenso frio do espaço sideral aquecidas e em pleno funcionamento.

É comum a utilização de ²³⁸PuO₂, sendo o oxigênio enriquecido no isótopo ¹⁶O, pois tem capacidade de diminuir a emissão de nêutrons do ²³⁸Pu. O PuO₂ apresenta uma potência de 0,42 W.g⁻¹ e, quando formado, aquece-se sozinho, produzindo um brilho laranja. Uma pequena bola de 250 g de PuO₂, com 3 cm de diâmetro, pode, então, entregar 100 W de calor. Os Estados Unidos usam plutônio como fonte de calor para missões espaciais desde 1961. Na missão Cassini-Huygens para Saturno e sua lua Titã, a sonda Cassini recebeu mais de 200 pastilhas com 150 g de PuO₂ cada.

Precauções com o plutônio

O plutônio é um elemento tóxico, sendo que todos os seus isótopos são radioativos. Mesmo assim, sua toxicidade química é irrelevante quando comparada à sua radiotoxicidade. Os efeitos biológicos do plutônio no corpo humano são decorrentes da emissão de partículas alfa oriundas de isótopos de plutônio, além da radiação gama (altamente ionizante) originada a partir do decaimento do ²⁴¹Am, um elemento formado a partir do decaimento do ²⁴¹Pu.

A contaminação por plutônio se dá de maior forma quando há ingestão dele, pois, fora de nosso corpo, a radiação alfa não é capaz de penetrar nossa pele. A exposição e a entrada do plutônio podem ocorrer por inalação, por meio de feridas ou mesmo pela ingestão oral. A inalação é a forma mais significante de exposição ocupacional, visto que uma pequena partícula de óxido de plutônio, com diâmetro inferior a 0,1 mm, é perigosa.

Mesmo assim, o plutônio está longe de ser o elemento mais tóxico do planeta. Existem substâncias que, mediante quantidades semelhantes, apresentam maiores níveis de toxicidade (como arsênio e cianeto) e radioatoxicidade (como detectores de fumaça).

A exposição ao plutônio leva a problemas de saúde tardios, como maior risco de morte por câncer ou por edema pulmonar. Para efeitos agudos, doses elevadas são necessárias. Por exemplo, estima-se que seja necessário inalar 20 mg de plutônio para causar a morte por edema ou por fibrose pulmonar no intervalo de um mês.

O ²³⁹Pu apresenta um risco semelhante aos demais radionuclídeos emissores de partículas alfa que possam vir a ser inalados. Contudo, é ainda menos perigoso que os radionuclídeos de menor tempo de meia-vida (e, assim, mais radioativos), como os produzidos a partir do decaimento do radônio, os quais estão distribuídos (embora em baixa concentração) pelo meio ambiente.

Nos anos 1940, 26 trabalhadores de uma usina nuclear para produção de armas foram infectados com plutônio. Contudo, após intensa avaliação e observação, não houve fatalidades ou consequências que pudessem estar ligadas à infecção. Nos anos 1990, plutônio foi injetado e inalado em voluntários, sem efeitos adversos. Na década de 1950, a então Rainha da Inglaterra, Elizabeth II, manipulou uma lâmpada de plutônio (provavelmente de ²³⁹Pu) em uma sacola plástica, salientando como ela era quente.

História do plutônio

O plutônio foi sintetizado e isolado, pela primeira vez, em 1940, pelo cientista Glenn T. Seaborg e pelos seus colaboradores. Foi obtido por meio do bombardeamento de um alvo de urânio com núcleos de deutério (²H), mas o sucesso da técnica só foi divulgado após o fim da Segunda Guerra Mundial. O nome “plutônio” já havia sido sugerido para o bário, no ano de 1816, em homenagem ao deus romano Plutão, mas foi descartado.

Seaborg o nomeou assim, mas dessa vez seguindo a tradição de nomear os actinídeos com o nome dos planetas mais externos do Sistema Solar, uma vez que urânio (o elemento 92) foi nomeado em homenagem ao planeta Urano, e o elemento neptúnio (o elemento 93) foi nomeado em homenagem ao planeta Netúnio.

Fontes

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