Los gases nobles



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Hexafluoruro de uranio


La situación podría haber permanecido en este estado por tiempo indefinido, de no ser porque el interés por el flúor se incrementó de súbito durante la Segunda Guerra Mundial.

Por entonces, el Gobierno norteamericano se estaba esforzando con afán en construir una bomba atómica. Para este propósito, era necesario separar el isótopo uranio-235 (que podía fácilmente ser forzado a la fisión y producir una enorme explosión) del uranio-238 (que no podía). Sin embargo, la liberación de los isótopos de un elemento simple suele ser una tarea difícil, y tan sólo un 0,7% del metal uranio consta de uranio-235. El problema era enorme.

Un método de separación del isótopo se beneficia del hecho de que una molécula más ligera tiende a moverse más rápidamente que una más pesada. Supongamos, por ejemplo, que el uranio fuera un gas integrado por átomos individuales. Los átomos de uranio-235 serían aproximadamente 1,25% más ligeros que los átomos del uranio-238 y se moverían casi un 0,6% más velozmente.

Ésta puede no ser una gran diferencia de velocidad, pero es suficiente. Si este «gas uranio» fuese impulsado a moverse a través de muchos pasos estrechos, el isótopo más ligero ganaría un ápice en cada paso, y al final podría ser obtenido en forma casi pura. Esto se llama proceso de difusión.

El único problema radicaba en que el uranio no era un gas, y que se convertía en gas sólo a 3.818° C. Simplemente, no resultaba práctico intentar trabajar con un gas que requería una temperatura tan elevada en el intervalo necesario para que se produjese el proceso de difusión.

Por supuesto, no es necesario trabajar directamente con uranio. Se puede trabajar con un compuesto de uranio. Por ejemplo, supongamos que el óxido de uranio (UO3), el compuesto más corriente de uranio, fuese un gas. Cada átomo de oxígeno tiene un peso atómico de 16, de modo que tres de ellos pesan 48. Una molécula de UO3, con un átomo de uranio-235, tendría un peso molecular de 235 + 48, o sea, 283, mientras que un átomo de uranio-238 tendría un peso molecular de 286. La molécula más ingrávida tendría una ventaja en ligereza del 1,05% y se movería alrededor de un 0,5% a mayor velocidad.

El problema estriba en que el óxido de uranio no es un gas; ni se convierte en gas si es calentado. En cambio, la molécula se descompone para formar bióxido de uranio (UO2), el cual permanece en estado sólido hasta los 2.500° C, y sólo se convierte en líquido a una temperatura más elevada.

Por añadidura, no todos los átomos de oxígeno poseen un peso atómico de 16. Algunos tienen pesos atómicos de 17 o 18. Si una molécula de UO3, conteniendo uranio-235, está formada también por dos átomos de oxígeno-18 y un átomo de oxígeno-16, sería más pesada que otra molécula integrada por un átomo de uranio-238 y tres átomos de oxígeno-16. Esto tendería a confundir aun más los problemas en el proceso de difusión, incluso si pudiera mantenerse una elevada temperatura y el UO3 fuese un gas.

Por consiguiente, lo que se necesitaba, en primer lugar, era un compuesto de uranio que fuera gaseoso, o que pudiera ser convertido en gas a baja temperatura. Pero, ¿qué compuesto, si había alguno, podría ser éste? Una dificultad era que se desconocía casi todo sobre la química del uranio, incluso en 1940, ya que, aparte del frenesí especulativo sobre la posibilidad de una bomba atómica, el uranio no había tenido prácticamente utilidad alguna, por lo que los químicos casi no le dedicaron atención. Ni siquiera estaban seguros de su punto de fusión.

Sin embargo, por casualidad, el flúor fue tomado en consideración. Cuando el flúor ataca átomos de otros elementos, algunas veces se forman moléculas en las cuales un átomo del elemento atacado es rodeado por todos lados por cuatro o incluso seis átomos de flúor. Se forma, entonces, una molécula cuya parte externa es enteramente flúor. Se parece en este caso al flúor en muchos aspectos.

De este modo, las moléculas liberadas de flúor ejercen escasa atracción entre sí y tienen un bajo punto de ebullición. Asimismo los fluoruros más pesados de muchos metales forman moléculas que tienen escasa atracción entre sí y son de baja ebullición (aunque no tan baja como el propio flúor, por supuesto). Los elementos que no son gases en sí mismos y que no forman óxidos gaseosos pueden convertirse en gases en forma de fluoruros.

Ésta es la explicación para la acción del fluoruro de hidrógeno sobre el cristal (una sustancia rica en silicio, que en cristal está ligada, en su mayor parte, a los átomos de oxígeno). El silicio es un elemento muy común; realmente, después del oxígeno, es el elemento más corriente en la corteza terrestre. Es un sólido, con un punto de fusión de 1.410° C y un punto de ebullición de 2.355° C. El compuesto más común del silicio es el bióxido de silicio (SiO2), que posee un punto de fusión y un punto de ebullición en la misma línea que el propio silicio16.

En presencia del fluoruro de hidrógeno, los átomos de silicio del cristal son liberados de los átomos de oxígeno que los retienen. Se combinan, en cambio, con cuatro átomos de flúor, para formar el tetracloruro de silicio (SiF4); éste es un gas, con un punto de ebullición de –86° C. El tetrafluoruro de silicio abandona el cristal, lo que queda se disgrega, y el cristal queda grabado al aguafuerte.

¿No podría aplicarse la misma situación al uranio? Realmente, es posible. Si el bióxido de uranio se trata con fluoruro de hidrógeno, se forma tetrafluoruro de uranio (UF4). Puesto que el átomo de uranio es demasiado ancho para ser rodeado satisfactoriamente por cuatro átomos de flúor y existe una atracción considerable entre sus moléculas, el UF4 continúa en estado sólido sometido a elevadas temperaturas. Sin embargo, si el UF4 es sometido a la acción del propio flúor, cada átomo de uranio captura dos átomos más de flúor y se forma el hexafluoruro de uranio (UF6).

El átomo de uranio está ahora rodeado por átomos de flúor. El hexafluoruro de uranio es un cuerpo sólido blanco a la temperatura ambiente, pero, si es calentado hasta los 56° C, se convierte directamente en vapor sin licuarse primero. Es fácil mantener una temperatura de 56° C durante períodos de tiempo indefinidos y trabajar con el UF6 gaseoso. El UF6 es el único compuesto de uranio conocido en estado gaseoso a una temperatura tan baja.

Además, sólo una clase de isótopo de flúor se forma al natural, el flúor-19, de modo que la situación no se hace confusa por átomos de flúor de diferentes pesos. Cada átomo de flúor tiene un peso atómico de 19 y seis de estos átomos de flúor tienen un peso atómico de 114. Una molécula de UF6 con uranio-235 tiene un peso molecular de 349, y cada molécula conteniendo uranio-238 tiene un peso de 352. La molécula que contiene uranio-235 es un 0,85% más ligera y se mueve a una velocidad un 0,4% mayor que la molécula que contiene uranio-238.

Esto es hilar muy fino, pero podía dar resultado, y se logró un resultado triunfal. El uranio-235 se extrajo del uranio, y la bomba atómica fue una realidad en el año 1945.

El enorme interés despertado por el flúor, que surgió ante la necesidad de preparar hexafluoruro de uranio acarreó el desarrollo de técnicas para el almacenamiento y la manipulación del flúor sin peligro. Durante la década de 1950, el flúor continuó recibiendo una mayor atención como posible sustitutivo del oxígeno líquido en la técnica de los cohetes. Las mezclas de hidrógeno y flúor líquidos proporcionarían el más potente combustible en la química ordinaria de cohetes. El flúor puede ahora ser manejado en cantidad, y los experimentadores ya no tienen que sufrir las dificultades que redujeron a la nada los esfuerzos de Yost y Kaye.




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