El prometio es el único elemento de tierras raras sin isótopos estables, consecuencia directa del valle de inestabilidad en el que se encuentran todos sus isótopos en la curva de estabilidad nuclear. A diferencia de otros lantánidos, el prometio no existe naturalmente en la Tierra en cantidades detectables; cualquier rastro primordial ha desaparecido por completo desde la formación del sistema solar hace 4.600 millones de años. El isótopo más estable, Pm-145, tiene una vida media de solo 17,7 años, insuficiente para sobrevivir a escala geológica.
El prometio se sintetiza transitoriamente en las estrellas mediante los procesos s (captura lenta de neutrones) y r (captura rápida de neutrones). En las estrellas de la rama asintótica de las gigantes (AGB), el proceso s produce prometio como intermedio radiactivo que decae rápidamente en samario estable antes de ser eyectado al medio interestelar. Durante las supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones, el proceso r genera cantidades sustanciales de prometio, pero este también decae en samario en unas pocas décadas.
Se han detectado líneas espectrales de prometio en los espectros de algunas novas y supernovas recientes, confirmando su síntesis en estos eventos cataclísmicos. Las observaciones espectroscópicas de la supernova 1987A revelaron firmas potenciales de prometio en los años siguientes a la explosión. Estas detecciones son extremadamente difíciles porque el prometio se diluye y decae rápidamente, haciendo que sus líneas espectrales sean efímeras y débiles. La observación de prometio en los eyectos estelares proporciona valiosas restricciones sobre las escalas de tiempo de la nucleosíntesis explosiva.
La ausencia total de prometio en el sistema solar y el medio interestelar confirma que el intervalo de tiempo entre la nucleosíntesis de los últimos eventos que enriquecieron la nube molecular presolar y la formación del sistema solar fue significativamente mayor que unos pocos siglos. Si el sistema solar se hubiera formado inmediatamente después de una supernova enriquecedora, podrían haber subsistido trazas de prometio en los meteoritos primitivos. La ausencia observada sugiere un retraso de al menos varios miles de años entre la nucleosíntesis final y el colapso de la nube protosolar.
El prometio toma su nombre de Prometeo, el titán de la mitología griega que robó el fuego a los dioses para dárselo a los humanos, simbolizando así la adquisición difícil y el peligro potencial de este elemento radiactivo. La existencia de un elemento con número atómico 61 fue predicha por Dmitri Mendeleev en 1871 en su clasificación periódica, identificando un espacio vacío entre el neodimio (60) y el samario (62). Mendeleev llamó a este elemento hipotético "eka-neodimio" según su nomenclatura sistemática.
Entre 1902 y 1945, al menos seis grupos de investigadores afirmaron haber descubierto el elemento 61 en minerales de tierras raras, proponiendo varios nombres: "florentium" (italianos, 1924), "illinium" (estadounidenses, 1926) y "cyclonium" (estadounidenses, 1938). Todas estas afirmaciones resultaron erróneas, producto de errores de identificación espectroscópica o contaminaciones. La imposibilidad de aislar el elemento 61 de fuentes naturales debería haber alertado a los investigadores sobre su naturaleza probablemente radiactiva, pero el concepto de elementos exclusivamente sintéticos aún no estaba establecido.
El descubrimiento auténtico del prometio fue realizado en 1945 por Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell en el Oak Ridge National Laboratory en Tennessee, EE.UU. Trabajando en el Proyecto Manhattan, aislaron e identificaron el isótopo Pm-147 entre los productos de fisión del uranio-235 irradiado en un reactor nuclear. La identificación fue confirmada por análisis espectroscópico de rayos X y caracterización de la desintegración radiactiva.
El nombre "prometio" y el símbolo "Pm" fueron oficialmente adoptados en 1949 por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), aunque los descubridores inicialmente dudaron en nombrar el elemento. El prometio se convirtió así en el primer lantánido descubierto exclusivamente por síntesis artificial, presagiando los elementos transuránicos sintetizados unos años antes. El descubrimiento marcó un paso importante en el reconocimiento de que algunos elementos predichos por la tabla periódica podrían no existir naturalmente en la Tierra.
El prometio no existe naturalmente en la Tierra en cantidades medibles. Se producen trazas ínfimas (menos de 10⁻¹⁹ gramos por tonelada) por fisión espontánea del uranio en minerales uraníferos, pero estas cantidades son totalmente despreciables. La producción mundial de prometio es enteramente sintética, obtenida por extracción de los productos de fisión de los reactores nucleares. La producción anual mundial se estima en unos 100-200 gramos de Pm-147, principalmente en Estados Unidos y Rusia.
El prometio se extrae de las barras de combustible nuclear usado mediante procesos complejos de extracción por solventes y cromatografía de intercambio iónico. El Pm-147 representa aproximadamente el 2-3% de los productos de fisión después de varios años de enfriamiento. La extracción requiere instalaciones altamente especializadas con blindaje contra radiaciones y confinamiento estricto. El costo del prometio purificado es extremadamente alto, del orden de 1000 a 10.000 dólares por gramo según la pureza, limitando su uso a aplicaciones altamente especializadas donde no existe alternativa.
No existe reciclaje de prometio porque las cantidades utilizadas son mínimas y los dispositivos que contienen prometio (fuentes luminosas, sensores) generalmente están sellados herméticamente y se tratan como desechos radiactivos al final de su vida útil. La recuperación sería técnicamente posible pero económicamente inviable dado las pequeñas cantidades y los costos de manipulación del material radiactivo.
El prometio (símbolo Pm, número atómico 61) es el quinto elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 61 protones, generalmente 86 neutrones (para el isótopo más utilizado \(\,^{147}\mathrm{Pm}\)) y 61 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f⁵ 6s².
El prometio metálico solo se ha producido en cantidades microscópicas, limitando las mediciones precisas de sus propiedades físicas. Los datos disponibles provienen principalmente de extrapolaciones basadas en lantánidos vecinos y algunas mediciones en muestras de unos pocos miligramos. Se supone que el prometio es un metal brillante de color blanco plateado que se oxida rápidamente en el aire. Probablemente cristaliza en una estructura hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente, como el neodimio y el samario vecinos.
El prometio se funde a aproximadamente 1042 °C (1315 K) y hierve a aproximadamente 3000 °C (3273 K), según estimaciones basadas en las tendencias de los lantánidos. Su densidad se estima en 7,26 g/cm³, coherente con la contracción de los lantánidos. Se espera que el prometio sea un buen conductor de electricidad y calor, con propiedades metálicas típicas de los lantánidos. Se supone que el prometio es paramagnético a temperatura ambiente, con propiedades magnéticas determinadas por la configuración 4f⁵.
Todos los isótopos del prometio son radiactivos. El isótopo más utilizado, Pm-147, emite rayos beta de baja energía (energía máxima 224 keV, energía media 62 keV) sin emisión gamma significativa. Esta emisión beta pura de baja energía hace que el Pm-147 sea una fuente radiactiva relativamente segura, ya que los rayos beta son detenidos por unos pocos milímetros de material y no requieren blindaje pesado. El Pm-147 decae a samario-147 estable con una vida media de 2,62 años.
Punto de fusión del prometio: 1315 K (1042 °C) [estimado].
Punto de ebullición del prometio: 3273 K (3000 °C) [estimado].
Todos los isótopos del prometio son radiactivos; el Pm-147 emite rayos beta de baja energía (vida media 2,62 años).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Origen | Vida media | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Prometio-145 — \(\,^{145}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 84 | 144,912749 u | Sintético | ≈ 17,7 años | Radiactivo (CE, α débil). Isótopo más estable del prometio, pero con vida media insuficiente para la supervivencia geológica. |
| Prometio-146 — \(\,^{146}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 85 | 145,914696 u | Sintético | ≈ 5,53 años | Radiactivo (CE, β⁻). Emite rayos gamma intensos, requiriendo un blindaje significativo. |
| Prometio-147 — \(\,^{147}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 86 | 146,915138 u | Sintético | ≈ 2,62 años | Radiactivo (β⁻). Isótopo más utilizado, emisor beta puro de baja energía. Producto de fisión mayor. |
| Prometio-148 — \(\,^{148}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 87 | 147,917475 u | Sintético | ≈ 5,37 días | Radiactivo (β⁻). Vida media corta, utilizado en investigación nuclear. |
| Prometio-149 — \(\,^{149}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 88 | 148,918334 u | Sintético | ≈ 53,08 horas | Radiactivo (β⁻). Producto de fisión significativo, vida media intermedia. |
| Prometio-151 — \(\,^{151}\mathrm{Pm}\,\) | 61 | 90 | 150,921207 u | Sintético | ≈ 28,40 horas | Radiactivo (β⁻). Producto de fisión, utilizado en estudios de desintegración radiactiva. |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El prometio tiene 61 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica es [Xe] 4f⁵ 6s², típica de los lantánidos donde la subcapa 4f se llena progresivamente. Esta configuración también se puede escribir como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(23) P(2), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁵ 5s² 5p⁶ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos como 2s² 2p⁶. Esta capa también está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos como 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos como 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable y completa.
Capa O (n=5): contiene 23 electrones distribuidos como 5s² 5p⁶ 4f⁵ 5d⁰. Los cinco electrones 4f caracterizan la química del prometio.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del prometio.
El prometio tiene efectivamente 7 electrones de valencia: cinco electrones 4f⁵ y dos electrones 6s². El estado de oxidación casi exclusivo es +3, característico de todos los lantánidos, donde el prometio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Pm³⁺ con la configuración [Xe] 4f⁴. Este ion Pm³⁺ es responsable del color rosa pálido de las soluciones de prometio, aunque existen pocas observaciones directas debido a la rareza del elemento.
La química del prometio es esencialmente la química del ion Pm³⁺, con propiedades intermedias entre el neodimio y el samario. Los compuestos de prometio(III) incluyen el óxido Pm₂O₃, el cloruro PmCl₃, el nitrato Pm(NO₃)₃ y diversos complejos de coordinación. Debido a la radiactividad, todos los compuestos de prometio sufren una autorradiólisis gradual y pueden presentar una luminiscencia débil debido a la excitación de las moléculas circundantes por los rayos beta.
Se han sugerido estados de oxidación +2 y +4 en condiciones extremas, pero estos estados son extraordinariamente inestables y nunca se han caracterizado de manera definitiva. La química del prometio sigue siendo relativamente poco estudiada debido a la dificultad de obtener cantidades suficientes, la radiactividad inherente y la desintegración rápida que limita la duración de los experimentos.
Se supone que el prometio metálico es muy reactivo con el oxígeno y se oxida rápidamente en el aire, formando una capa de óxido de prometio(III) (Pm₂O₃) de color variable (probablemente rosa pálido a amarillo). Los estudios en muestras microscópicas sugieren que el prometio se enciende fácilmente cuando se calienta en el aire, produciendo óxido con una luminiscencia débil debido a la radiactividad: 4Pm + 3O₂ → 2Pm₂O₃. La manipulación del prometio metálico requiere una atmósfera inerte y un confinamiento adecuado contra la radiación beta.
Se supone que el prometio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente, produciendo hidróxido de prometio(III) y desprendiendo gas hidrógeno: 2Pm + 6H₂O → 2Pm(OH)₃ + 3H₂↑. Las soluciones acuosas de sales de prometio son de color rosa pálido y presentan una fluorescencia débil debido a la interacción de los rayos beta con el agua. El hidróxido de prometio(III) precipita fácilmente de las soluciones en forma de un sólido gelatinoso.
El prometio se disuelve fácilmente en ácidos, incluso diluidos, con desprendimiento de hidrógeno: 2Pm + 6HCl → 2PmCl₃ + 3H₂↑, produciendo soluciones rosas de Pm³⁺. El prometio forma haluros (PmF₃, PmCl₃, PmBr₃, PmI₃), calcógenos (Pm₂S₃, Pm₂Se₃), nitruros (PmN) y carburos (PmC, PmC₂). Todos estos compuestos son radiactivos y sufren una degradación progresiva por autorradiólisis.
Una propiedad única del prometio es la autorradiólisis de sus compuestos. Los rayos beta emitidos por el Pm-147 rompen continuamente los enlaces químicos en los compuestos sólidos y las soluciones, produciendo radicales libres, gases (H₂, O₂ en soluciones acuosas) y una degradación progresiva de la estructura cristalina. Esta autorradiólisis limita la vida útil de las muestras y puede provocar un auto-calentamiento significativo en las fuentes concentradas. Los compuestos de prometio deben ser re-sintetizados periódicamente para mantener su integridad química.
La aplicación histórica principal del prometio fue su uso en pinturas luminiscentes autónomas para esferas de relojes, instrumentos de aviación, paneles de señalización y dispositivos militares. El principio se basa en la radioluminiscencia: los rayos beta emitidos por el Pm-147 excitan un fósforo (generalmente sulfuro de zinc dopado con cobre), que emite luz visible. A diferencia de las pinturas de radio o tritio, el Pm-147 produce una luminosidad más intensa y no requiere activación previa por la luz.
Las pinturas de prometio presentaban varias ventajas: alta luminosidad inicial (unas 10 veces superior al tritio), ausencia de emisión gamma que requiera blindaje, y energía beta lo suficientemente baja como para ser detenida por el vidrio del cuadrante. Sin embargo, la corta vida media del Pm-147 (2,62 años) significa que la luminosidad disminuye a la mitad cada 2,6 años, haciendo que los dispositivos sean inutilizables después de 10-15 años. Esta limitación, combinada con las preocupaciones de seguridad radiológica, llevó al abandono progresivo del prometio en favor del tritio (vida media 12,3 años) en las décadas de 1970-1980.
Las fuerzas armadas utilizaron extensivamente las fuentes luminosas de prometio para instrumentos de navegación, miras de armas, paneles de control y equipos de supervivencia durante las décadas de 1960-1970. La mayor intensidad luminosa era particularmente apreciada para aplicaciones militares donde la visibilidad nocturna es crítica. Algunas aplicaciones aeroespaciales especializadas continuaron utilizando el prometio hasta la década de 1990, aunque la mayoría fueron reemplazadas por alternativas más duraderas o sistemas electroluminiscentes.
El Pm-147 se utiliza en medidores de espesor industriales para medir con precisión el espesor de materiales en producción continua (papel, plástico, láminas metálicas delgadas). Una fuente sellada de Pm-147 emite rayos beta a través del material, y un detector del otro lado mide la intensidad transmitida. La atenuación de los rayos beta es proporcional al espesor y la densidad del material, permitiendo un control de calidad en tiempo real con precisión micrométrica.
El Pm-147 presenta varias ventajas para esta aplicación: su energía beta moderada (224 keV máximo) es ideal para medir materiales de baja a media densidad y espesor milimétrico, la ausencia de emisión gamma elimina la necesidad de blindaje pesado, y la fuente puede ser altamente miniaturizada. Los medidores de prometio son más compactos y seguros que las alternativas que utilizan fuentes beta de mayor energía (Sr-90) o fuentes gamma (Cs-137).
El uso del prometio en medidores industriales ha disminuido considerablemente desde la década de 1990 debido a la corta vida media que requiere un reemplazo frecuente de las fuentes (cada 5-10 años), regulaciones estrictas sobre materiales radiactivos y disponibilidad limitada. La mayoría de los medidores modernos utilizan fuentes de criptón-85, estroncio-90 o sistemas láser/ópticos no radiactivos. Solo algunas aplicaciones muy especializadas que requieren una geometría compacta continúan utilizando el prometio.
El prometio fue explorado en las décadas de 1950-1970 como fuente de energía para baterías nucleares miniaturas y generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). En una batería nuclear, la energía cinética de los rayos beta se convierte directamente en electricidad mediante uniones semiconductoras o materiales betavoltáicos. En un RTG, el calor producido por la absorción de los rayos beta se convierte en electricidad mediante termopares.
Se desarrollaron baterías de Pm-147 para alimentar los primeros marcapasos en las décadas de 1960-1970, ofreciendo una autonomía de 5-10 años sin reemplazo de batería. Algunos satélites y sondas espaciales experimentales también utilizaron pequeños RTG de prometio para misiones de corta duración. El programa espacial soviético utilizó fuentes de Pm-147 en algunos satélites de navegación y comunicación de la década de 1970.
El uso del prometio en baterías nucleares fue en gran medida abandonado en la década de 1980 debido a la corta vida media que limita la vida útil de los dispositivos, la relativamente baja densidad energética en comparación con el plutonio-238 para los RTG espaciales, y las preocupaciones de seguridad. Los marcapasos modernos utilizan baterías de iones de litio recargables o sistemas de larga duración basados en litio-yodo. Los RTG espaciales modernos utilizan exclusivamente plutonio-238 (vida media 87,7 años) para misiones de larga duración.
El prometio presenta una doble toxicidad: química, comparable a otros lantánidos, y radiológica debido a sus emisiones beta. La toxicidad química es moderada, similar a las tierras raras vecinas. La ingestión o inhalación de compuestos de prometio provoca una acumulación preferencial en el hígado, los riñones y el esqueleto óseo. Sin embargo, la toxicidad radiológica domina ampliamente, ya que los rayos beta causan daños tisulares localizados y aumentan el riesgo de cáncer a largo plazo.
La exposición al prometio puede ocurrir por ingestión, inhalación de polvos o aerosoles, o absorción cutánea de compuestos solubles. Los rayos beta del Pm-147 no penetran la piel intacta y son detenidos por unos pocos milímetros de tejido, pero la incorporación interna de prometio es peligrosa porque los rayos beta irradian continuamente los tejidos circundantes. La ingestión de 1 microcurio (37 kBq) de Pm-147 entrega una dosis de aproximadamente 0,5 milisieverts a todo el cuerpo, principalmente al hígado y al esqueleto.
El prometio incorporado en el organismo se comporta de manera similar a otros lantánidos. El período biológico (tiempo para eliminar el 50% de la carga corporal) es de aproximadamente 3-4 años para el prometio depositado en el esqueleto óseo, y de aproximadamente 1 año para el prometio en los tejidos blandos. Esta retención prolongada combinada con la radiactividad hace del prometio un contaminante interno particularmente preocupante. Los agentes quelantes como el DTPA pueden acelerar la eliminación en casos de contaminación aguda.
Los límites de exposición ocupacional al prometio están estrictamente regulados. El límite anual de incorporación (LAI) para el Pm-147 suele establecerse en 40-80 MBq (1-2 milicuries) por ingestión y 8-20 MBq (0,2-0,5 milicuries) por inhalación, según las regulaciones nacionales. Las concentraciones máximas admisibles en el aire y el agua son del orden de 10⁻⁶ a 10⁻⁷ Bq/mL. Cualquier manipulación de prometio requiere procedimientos estrictos de confinamiento, equipos de protección individual y monitoreo radiológico continuo.
Las fuentes de prometio al final de su vida útil se clasifican como desechos radiactivos y deben gestionarse según protocolos estrictos de gestión de desechos nucleares. La vida media relativamente corta del Pm-147 (2,62 años) significa que los desechos se vuelven radiológicamente despreciables después de aproximadamente 26 años (10 vidas medias). Las antiguas pinturas luminiscentes de prometio encontradas en instrumentos vintage representan un riesgo menor, ya que la mayoría han decaído a niveles muy bajos.
La contaminación ambiental por prometio proviene principalmente de la lluvia radiactiva de pruebas nucleares atmosféricas (décadas de 1950-1960) y accidentes nucleares (Chernóbil, Fukushima). Sin embargo, el prometio ambiental decae rápidamente y nunca ha constituido un contaminante mayor a largo plazo. Las concentraciones actuales en el medio ambiente son totalmente despreciables, muy por debajo de los umbrales de detección. Los sitios de reprocesamiento de combustible nuclear pueden presentar concentraciones localmente elevadas de prometio en desechos líquidos y sólidos, requiriendo un confinamiento adecuado.
El uso del prometio probablemente continuará disminuyendo debido a la disponibilidad de alternativas más seguras y duraderas para la mayoría de las aplicaciones. Las fuentes luminosas ahora utilizan tritio (más duradero) o sistemas electroluminiscentes (no radiactivos). Los medidores industriales están evolucionando hacia tecnologías ópticas o láser. Las baterías nucleares para aplicaciones espaciales favorecen el plutonio-238. El prometio probablemente seguirá confinado a algunas aplicaciones de nicho altamente especializadas donde sus propiedades únicas (emisor beta puro de baja energía) son irremplazables, pero las cantidades totales utilizadas seguirán disminuyendo.
