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El flúor 19

Introducción
El flúor es uno de esos pocos elementos que se presenta de manera natural con un único isótopo, el flúor 19. ¿Y qué, se preguntará más de un lector?. Pues que desde el punto de vista NBQ, en concreto desde el punto de vista nuclear, esto es importante.
El flúor 19, de número atómico 7, tiene 9 protones y 10 neutrones. Su configuración electrónica 1s22s22p5 le confiere unas propiedades químicas muy especiales, por citar una de ellas, una elevada electronegatividad (el flúor es el elemento químico más electronegativo de la tabla periódica). Pero no son sus propiedades químicas las que ahora nos interesa resaltar, sino el simple hecho de que la abundancia natural del 19F es del 100%.
Recordemos que otros elementos importantes tienen más de un isótopo natural, por ejemplo el hidrógeno tiene dos (1H, 98,9885% y 2H, 0,0115%), el carbono tiene dos (12C, 98,93% y 13C, 1,07%), el nitrógeno tiene dos (14N, 99,636% y 15N, 0,364%), el oxigeno tiene tres isótopos (16O, 99,757%, 17O, 0,038% y 18O, 0,205%), el azufre tiene cuatro (32S, 94,99%, 33S, 0,75%, 34S, 4,25% y 36S, 0,01%), el cloro tiene dos isótopos (35Cl, 75,76% y 37Cl, 24,24%), el bromo tiene dos (79Br, 50,69% y 81Br, 49,31%), el uranio tiene tres (234U, 0,0054%, 235U, 0,7204% y 238U, 99,2742%).1
Pues bien el flúor se emplea para obtener hexafluoruro de uranio, UF6, el gas más pesado conocido, que se emplea en el enriquecimiento del uranio.

Isótopos del flúor y del uranio
El flúor tiene 18 isótopos conocidos que van desde el 14F al 31F, pero sólo dos de estos isótopos tienen interés, el 18F y el 19F.
El 18F es un isótopo artificial emisor de positrones (β+), con un periodo de semidesintegración corto (vida media, 109,771 minutos), que puede obtenerse por medio de un ciclotrón a partir del 18O, y que se utiliza en medicina con fines diagnósticos (diagnóstico por Tomografía de Emisión de Positrones, PET, de sus siglas en inglés, Positron Emission Tomography)
El 19F es el único isótopo estable, y por ello el flúor está presente en la naturaleza como un elemento monoisotópico. Al tener un número cuántico de espín nuclear de ½ (como el 1H, el 13C ó el 31P) se puede emplear en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Además el flúor se utiliza para la obtención de determinados compuestos de propiedades especiales, como por ejemplo, el teflón (PoliTetraFluorEtileno, PTFE), los compuestos clorofluorocarbonados (CFCs), la criolita (Na3AlF6), el fluoruro sódico (NaF), el trifluoruro de boro (BF3), el hexafluoruro de azufre (SF6) y el hexafluoruro de uranio (UF6), entre otros muchos.
Como ya se ha mencionado anteriormente, el uranio natural tiene tres isótopos 234U, 235U, y 238U. El 238U es el más estable de los isótopos radiactivos del uranio, con un periodo de semidesintegración o vida media de 4468 × 109 años. El 235U tiene un periodo de semidesintegración de 7,13 × 108 años y el 234U de 2,48 × 105 años2. El uranio natural es pues radiactivo, y es sobre todo, un emisor de partículas alfa. Un 49% de las partículas alfa provienen del 238U, otro 49% del 234U y el 2% restante del 235U. El 238U y el 234U forman parte de la serie de decaimiento del uranio, mientras que el 235U forma parte de la serie de decaimiento del actinio.
El 235U tiene la particularidad de ser el único isótopo presente en la naturaleza que es físil. El 238U es un isótopo fisionable por neutrones rápidos, y también es un isótopo fértil capaz de generar, en un reactor nuclear, 239Pu que es también un isótopo físil.

Enriquecimiento del uranio
En la naturaleza, el uranio se encuentra como 235U (0,7204%) y 238U (99,2742%). El proceso de enriquecimiento consiste aumentar la concentración del isótopo fisionable 235U hasta valores adecuados para su uso, como combustible en las centrales nucleares (3-5% de 235U, LEU, Low-Enriched Uranium), o como componente en las armas nucleares (>90% 235U, HEU, Highly Enriched Uranium). El proceso genera a su vez una gran cantidad de uranio con una concentración muy baja de 235U, conocido como uranio empobrecido (DU, Depleted Uranium, <0,3% 235U). El enriquecimiento es necesario para conseguir que los neutrones liberados en la fisión del 235U puedan impactar con otros núcleos de 235U, y así mantener la reacción nuclear en cadena.3
Como ya se ha indicado para el enriquecimiento del uranio se utiliza el hexafluoruro de uranio.

El hexafluoruro de uranio
La molécula del UF6 es octaédrica, con el átomo de uranio en el centro y los seis átomos de flúor 6 en los vértices del octaedro. A temperatura ambiente el UF6 es un sólido cristalino de color blanco que sublima a 56,5 ºC (su punto triple es de 64 °C). La fase líquida sólo existe con presiones superiores a unas 1,5 atmósferas y con temperaturas superiores a 64 °C.
Para la obtención del UF6, el uranio, generalmente en forma de óxido, se disuelve con ácido nítrico para formar UO2(NO3)2×6H2O y se purifica por extracción con fosfato de tributilo. El sólido resultante se calienta en horno para formar UO3, que luego se transforma en UF6 mediante un proceso de tres etapas:
1) UO3(s) + H2(g) → UO2(s) + H2O(g)
2) UO2(s) + 4HF(g) → UF4(s) + 2H2O(g)
3) UF4(g) + F2(g) → UF6(g)
El UF6 es extremadamente volátil (su presión de vapor es de unos 120 mmHg a temperatura ambiente) y sublima a 56,5 ºC, de manera que puede manejarse como gas para la separación de sus isótopos.
Para la separación de los isótopos se han empleado varios métodos, difusión gaseosa, separación electromagnética de los isótopos, separación mediante láser de los isótopos y centrifugación de gas, siendo éste último método el más barato y el más utilizado.

Hexafluoruro versus hexacloruro
El hexafluoruro de uranio, UF6, de número CAS 7783-81-5, es a temperatura ambiente un sólido cristalino de color blanco, con un punto de fusión de 64°C (punto triple) y un punto de ebullición de 56,5°C mientras que el hexacloruro de uranio, UCl6, de número CAS 13763-23-0, es a temperatura ambiente un sólido cristalino de color verde oscuro, con un punto de fusión de 177°C y un punto de ebullición de 75°C.4,5
¡Subliman a temperaturas no muy altas!, es decir pasan de estado sólido a estado gaseoso con facilidad. Con un ligero aporte de calor el hexafluoruro de uranio está como gas (el hexacloruro de uranio también pero a temperatura más alta).
Pero no sólo es importante el punto de sublimación, favorable al hexafluoruro, de nada nos serviría si no fuese por el hecho de que el flúor sólo tiene un isótopo natural, el 19F. Recordemos que el cloro tiene dos isótopos naturales, el 35Cl, 75,76% y el 37Cl, 24,24%.
Cuando el uranio reacciona con el flúor sólo es posible la siguiente mezcla isotópica:

235U 238U
19F6 235U19F6 (masa 349, 0,7%) 235U19F6 (masa 352, 100%)

Tan sólo hay que separar las moléculas gaseosas de masa 349 poco abundantes, de las moléculas gaseosas de masa 352 mucho más abundantes (separadas entre sí por tres unidades de masa).
Cuando el uranio reacciona con el cloro, los átomos de cloro pueden ser 35Cl o 37Cl, y la mezcla isotópica se complica:

235U 238U
35Cl6  235U35Cl6 (masa 445, 0,4%) 238U35Cl6 (masa 448, 52,1%)
35Cl537Cl1  235U35Cl537Cl1 (masa 447, 0,7%) 238U35Cl537Cl1 (masa 450, 100%)
35Cl437Cl2  235U35Cl437Cl2 (masa 449, 0,6%) 238U35Cl437Cl2 (masa 452, 80,0%)
35Cl337Cl3  235U35Cl337Cl3 (masa 451, 0,2%) 238U35Cl337Cl3 (masa 454, 34,1%)
35Cl237Cl4  235U35Cl237Cl4 (masa 453, 0,1%) 238U35Cl237Cl4 (masa 456, 8,2%)
35Cl137Cl5  235U35Cl137Cl5 (masa 455, <0,1%) 238U35Cl137Cl5 (masa 458, 1,0%)
37Cl6  235U37Cl6 (masa 457, <0,1%) 238U37Cl6 (masa 460, 0,1%)

La mezcla tiene una composición isotópica con numerosos isótopos cercanos y con intensidades relativamente altas para el 238U y bastante bajas para el 235U.

Resumen
El enriquecimiento del uranio a partir del hexafluoruro de uranio sólo es posible gracias a que concurren dos circunstancias igualmente importantes, que el hexafluoruro de uranio sublima a una temperatura de 56,5 °C y que el flúor es un elemento con un único isótopo natural, el 19F.

Referencias

  1. http://pac.iupac.org/publications/pac/pdf/2011/pdf/8302×0397.pdf
  2. The Encyclopedia of the Chemical Elements, Clifford A. Hampel, Van Nostrand Reinhold, ISBN 9780442155988, 1968
  3. http://ieer.org/resource/factsheets/fissile-material-basics/
  4. http://www.webelements.com/compounds/uranium/uranium_hexafluoride.html
  5. http://www.webelements.com/compounds/uranium/uranium_hexachloride.html