92. Uranio

Comenzamos uno de los elementos más apasionantes de la Tabla Periódica: El uranio. Es el elemento número 92, es decir, el único que tiene 92 protones. Además, en el 99´3% de los casos, su núcleo consta de 146 neutrones (U238). Es el cuarto actínido que vemos y uno de los elementos que más ha dado que hablar en la historia reciente de la humanidad. Pero vayamos paso a paso para no perdernos. 

El uranio, como he dicho, es un actínido, y como tal, se encuentra en un grupo a parte en la Tabla Periódica. Los elementos de ese grupo comparten ciertas características especiales, como ya he explicado con los anteriores: Actinio, torio y protactinio. Son todos ellos metales y sus electrones están ordenados de una manera un pelín peculiar, como también les pasaba a los lantánidos (Desde el elemento número 57, lantano, hasta el 71, lutecio) y gracias a esa peculiaridad su química es bastante similar. Además, son radiactivos.  

Este metal no se encuentra en grandes concentraciones en la Corteza Terrestre, pero aun así es más abundante que la plata o el mercurio, por ejemplo. La gráfica de la Wikipedia de los elementos más abundantes de la Tabla me encanta y la voy a volver a poner:

Como ves, el uranio aparece más a la derecha que ninguno. Sí, hay elementos con mayor número atómico, como por ejemplo el plutonio, pero no aparecen en esta tabla porque en la naturaleza solo pueden encontrarse trazas… ya lo veremos cuando toque. El caso es que, descontando a los elementos como el plutonio y a otros de laboratorio, podríamos decir que el uranio es el mayor elemento (mayor peso atómico) que existe de manera natural en la Tierra. Y es que si el uranio está ahí, es porque se creó tras la explosión de una gran estrella. Dicha explosión, que da lugar a una supernova, es tan potente que los elementos rompen con la química a la que estamos acostumbrados y llegan a fusionarse formando, por ejemplo, uranio. Si quieres saber más sobre este tema (la vida de las estrellas y eso) escribí sobre ello en mi otro blog: Astronomía para tontos.  

No siendo muy abundante y encontrándose, como se encuentra, mezclado con otros elementos, no es raro pensar que el uranio se descubriera entre el siglo XVIII y el XIX. Entre 1750 y 1850 se descubrieron muchos elementos debido a la revolución científica y muchos otros lo hicieron después, tras el descubrimiento de la espectroscopia. Aunque sí que es verdad que los romanos utilizaron pecblenda extraída de las minas de Bohemia (En República Checa) para pintar de amarillo algunas cerámicas y naranja o incluso verde algunos vidrios, el descubrimiento del uranio se considera que fue en 1798 y se le atribuye a Martin Heinrich Klaproth, descubridor también del circonio y el titanio y el primero en aislar el telurio. Lo descubrió a partir del mismo óxido de uranio  (UO2) que teñía las cerámicas romanas. En realidad, aun se fabricaban vajillas con el verde o naranja de uranio en 1940. El nombre de uranio, por cierto, se puso en honor al planeta Urano. 

Martin H. Klaproth

Y como pasa con prácticamente todos los elementos, primero se descubre, luego se aísla y luego se empieza a juguetear con él. En este caso no se aisló hasta 1849. Fue un francés: El parisino y profesor de química Eugène-Melchior Péligot. Lo logró calentando una muestra de tetracloruro de uranio (UCl4) con potasio.  

Para encontrarle una aplicación al uranio, más allá de pintar unas cerámicas, primero hubo que esperar al descubrimiento de la radiactividad. El premio se lo llevó otro parisino, Henri Bequerel (hablé de él en la entrada del polonio) en 1896. Henry se encontraba estudiando la fluorescencia de unas sales de uranio y comprobó cómo afectaban a una placa fotográfica en la oscuridad. No era la luz, así que otra cosa estaba provocando eso y lo llamaron, en un principio, rayos de Becquerel. La cosa se ponía interesante. Anteriormente a él, Röntgen había descubierto los rayos X. (Como expliqué en la entrada del bario).  

Pero para entender qué era eso de la radiactividad, había que entender más sobre los átomos. Al menos mejorar el concepto que teníamos instaurado hasta la fecha por Bohr, Rutherford o Antonius Van den Broek. Gracias a éste último, Moseley (Henry Gwin Jeffreys Moseley), un inglés que murió en la Primera Guerra Mundial a los 27 años de edad, pudo desarrollar, en 1913, la conocida Ley de Moseley, dejando claro el concepto de número atómico con lo que los elementos pudieron ordenarse en función de éste, y no de su masa atómica, como estableció Mendeleiev. En la década de los 20, muchos científicos se dedicaron a la ciencia atómica y nuclear. Se desarrolló la física cuántica (Plank, De Broglie, Einstein, Podolsky, Schrödinger, Heisenberg, Bell o Compton son científicos que merece la pena leer) y también se descubrió y entendió lo que era la radiactividad: Para ello fueron clave genios como Rutherford (Dio nombre a los diferentes tipos de radiactividad) o el matrimonio Curie (He hablado de ellos en otras entradas: Polonio, radio. Marie es, de hecho, la inventora del término “radiactividad”). También merece una mención especial James Chadwick, que descubrió el neutrón en 1932. Sin estos descubrimientos, nunca podríamos haber entendido el uranio y sus aplicaciones. 

Precisamente su aplicación estrella es como combustible de las centrales nucleares. Voy a intentar explicarlo brevemente. Primero, debemos hablar de la fisión. Los núcleos de los átomos de uranio son muy grandes, y basta un empujoncito (un golpe de un neutrón, por ejemplo), para que el átomo se parta en dos. Los neutrones dan estabilidad al núcleo y los dos nuevos átomos que se crean tras la fisión, no necesitan todos los neutrones, con lo que también sueltan alguno por ahí. Durante la fisión, se libera una gran cantidad de energía, resultante de la pérdida de masa del proceso. Esa energía se aprovecha para calentar agua, con la que se generará vapor y se moverá una turbina para generar electricidad. La fisión del uranio fue descubierta por un par de alemanes y una austriaca en 1938: Otto Hahn, Fritz Strassmann y Lise Meitner. Su historia es muy interesante, pues es otro ejemplo de lo difícil que fue esa época para las mujeres científicas (Y peor si encima eran judías). Lise tuvo una vida complicada, pero su tesón y su brillante cabeza no dejaron nunca de trabajar. No obtuvo el premio Nobel (injustamente) pero al menos sí tiene un elemento nombrado en su honor: El meitnerio, del que ya hablaremos.

El caso es que en un reactor nuclear se producen millones y millones de fisiones, lo que suma una enorme cantidad de energía. Esto es gracias a que se produce una reacción en cadena: Los neutrones que salen despedidos de una fisión chocan con otros átomos de uranio que se fisionarán y soltarán más neutrones… La reacción en cadena fue patentada por Leo Szilard en 1934. Intentó llevar a cabo una en 1936 con átomos de bario, pero no consiguió nada. Años después, algunos vieron el potencial de esa reacción… Y el gobierno de Estados Unidos invirtió millones en desarrollar una nueva arma: Lo llamaron Proyecto Manhattan y, como sabes, acabó con dos bombas nucleares (una de ellas de uranio) explotando en suelo japonés. Bueno, esta es la parte mala. La buena es la gran cantidad de conocimiento que se obtuvo de todo el proceso, que dio como resultado la energía nuclear, entre otras muchas cosas. 

Respecto al combustible de las centrales nucleares, se dice que es uranio enriquecido. ¿Por qué? Pues como he dicho al principio, en la naturaleza, el 99´3% de los átomos son U238. El isótopo U238 tiene 3 neutrones más que el U235, y esos 3 neutrones le dan mayor estabilidad. El U235 es más fácilmente fisible. Se ha calculado que para la reacción en cadena vaya de lujo, se necesita un 3% aproximadamente de U235 en el combustible, así que por lo tanto, hay que enriquecerlo. (Hay que enriquecerlo mucho más (>90%) para crear una bomba). Por cierto, se le considera al italiano Enrico Fermi el padre de la energía nuclear y uno de los más destacados científicos del siglo XX. (Lo mencioné en la entrada del berilio). La primera reacción en cadena tuvo lugar el 2 de diciembre de 1942 en Chicago, donde por aquel entonces Fermi era catedrático en físicas de la Universidad de Columbia. (Hay una reacción en cadena natural, y muy interesante, que se dio en Oklo, en Gabón, y que tiene varios centenares de millones de años. El tema es que el agua se filtraba en unas cuevas arrastrando uranio y provocando la reacción en cadena que hacía calentarse el agua y evaporarse, lo que paraba el reactor. Desde la formación de la Tierra, la concentración de U235 ha ido disminuyendo por lo que hace millones de años era más fácil que esto pasase de manera natural. Bueno, es muy interesante, por si quieres investigar). 

El uranio no solo se utiliza en reactores nucleares. Para empezar, nuestro propio planeta lo utiliza para seguir caliente. Me explico: Durante la formación de la Tierra, cuando toda ella era una bola incandescente de material fundido, los elementos más pesados se hundieron hasta el fondo. Entre los pesados, obvio, estaba el uranio. Y allí siguen grandes cantidades del mismo. Y la teoría es que ese uranio, sus fisiones y su radiactividad, generan una enorme cantidad de calor que nos mantiene con vida. Casi nada. Esta teoría fue sugerida por Rutherford a principios del siglo pasado. Ese mismo uranio del centro de la Tierra fue utilizado por Rutherford también para realizar el primer cálculo algo preciso sobre la edad de la Tierra. Lo hizo estudiando los átomos de helio que encontró dentro de unas rocas. Las rocas habían tenido uranio al formarse la Tierra y éste, con una vida media de 4500 millones de años, suelta una partícula alfa (núcleo de helio) y pasa a ser torio (La cadena de desintegración del uranio es muy conocida, te la dejo en una imagen aquí abajo). Bueno, pues haciendo una estimación, Rutherford calculó que la Tierra tendría unos 500 millones de años. Años más tarde, utilizando la misma técnica, algunos geólogos se aproximaron un poco más, diciendo que la Tierra tenía unos 2000 años. El siguiente método para el cálculo de la edad de la Tierra, fue realizado unos 50 años después por Clair Patterson, del que hablé en la entrada del plomo. 

Cadena de desintegración del uranio.

Tiene más aplicaciones, menos conocidas, y tienen que ver, como te podrás imaginar, con su radiactividad o su densidad. Respecto a su alta densidad (Hay metales más densos, como el osmio, el iridio o el platino pero mucho más escasos y caros), se utiliza para blindaje en tanques o misiles o en algunas partes de barcos o aviones (ahora se usa más bien wolframio). Respecto a su radiactividad, se utiliza en algunas máquinas para generar rayos X o en laboratorios para diferentes usos. El uranio puro, por cierto, es bastante oscuro, porque se oxida muy rápidamente, así que normalmente se tiene guardado en atmósferas de argón. El nitrato de uranio (UO2(NO3)2) se ha utilizado también en papel fotográfico. 

Respecto a la producción mundial, los mayores productores son Kazaghstán, Canadá y Australia. Existen unos importantes yacimientos de uranio en España: Córdoba, Jaén o Salamanca, cuya explotación o bien no sale rentable o ha sido vetada por el gobierno (intereses políticos). Por supuesto, el mineral más importante y conocido es la plecblenda, que en realidad es un tipo de uraninita. También están la autunita, la uranocircita o la torbenita, por ejemplo, 3 minerales que destacan por sus colores amarillos y verdes. 

Veremos lo que depara el futuro para estos yacimientos, al sector nuclear en general y al uranio en particular.