Chim. - Elemento chimico radioattivo di numero atomico 94 e simbolo Pu; non ha un peso atomico definito in quanto è un elemento prodotto artificialmente, che non esiste in natura. Volendo si potrebbe attribuire ad esso il peso atomico del suo isotopo dotato di maggior stabilità, il ²⁴⁴Pu, per cui avrebbe peso 244; si preferisce però parlare separatamente dei suoi vari isotopi, specificando caso per caso la loro massa nuclidica (ad esempio, Pu-242, Pu-239, ecc.). Nella tavola periodica degli elementi si colloca fra gli elementi transuranici, seguendo l'uranio (numero atomico 92) e il nettunio (numero atomico 93): il suo nome, perciò, deriva da quello del pianeta Plutone, che nel sistema solare segue, appunto, i pianeti Urano e Nettuno. • Encicl. - Il p. fu scoperto verso la fine del 1940 nel Radiation Laboratory di Berkeley, in California (Stati Uniti) ad opera di G.T. Seaborg e dei suoi collaboratori (E.M. McMillan, J. Kennedy, A.C. Wahl) come isotopo 238 (cioè il Pu-238), attraverso il bombardamento di uranio mediante deuteroni accelerati in un ciclotrone. Questo isotopo aveva una vita molto breve ed ebbe scarsa importanza pratica; al contrario, molto più importante fu l'isotopo 239, scoperto un anno dopo dallo stesso gruppo di scienziati con l'aggiunta di E.G. Segre. B.B. Cunningham e L.B. Werner ne studiarono il comportamento chimico presso il laboratorio di Metallurgia dell'università di Chicago: il Pu di massa 239 risultò essere fondamentale nella produzione di energia nucleare. ║ Isotopi: come si è detto, il p. non esiste in natura in quanto non presenta nessun isotopo stabile. Se ne possono rilevare delle tracce in giacimenti di uranio, esiti di reazioni nucleari naturali, ma destinate a scomparire per decadimento radioattivo. Sono però stati preparati tutti i suoi isotopi, dal numero atomico 232 al numero atomico 246; essi sono riportati nella tabella seguente insieme con il proprio tipo di decadimento radioattivo e il proprio periodo di semitrasformazione (il tempo che ciascuna massa di una certa sostanza impiega a semitrasformarsi nel percorso del decadimento radioattivo).

Isotopo	Decadim.	Periodo
Pu-232	α, (K)	36 m.
Pu-233	α, K	20 m.
Pu-234	α, K	9 h.
Pu-235	α, K, L	26 m.
Pu-236	α, γ	2,7 a.
Pu-237	γ, K	40 d.
Pu-238	α, γ	89,6 a.
Pu-239	α, γ	2.44 · 10⁴ a.
Pu-240	α, γ	6.600 a.
Pu-241	α, β^-,γ	13,2 a.
Pu-242	α	3,8 · 10⁵ a.
Pu-243	β^-,γ	4,98 h.
Pu-244	α	7 · 10⁷ a.
Pu-245	β^-,γ	11 h.
Pu-246	β^-,γ	11 d.

Il decadimento radioattivo comporta l'emissione di particelle, che possono essere α, β e γ; il periodo di semitrasformazione varia da minuti (m.), a ore (h.), a giorni (d.) e ad anni (a.. Di questi isotopi il più importante è sicuramente il 239, avente una vita media di circa 24.300 anni: si forma a partire dall'uranio 238 (l'isotopo che costituisce il 99,274% della miscela naturale degli isotopi dell'uranio) per irraggiamento con neutroni lenti (n), secondo la seguente formula:

²³⁸U + n → ²³⁹U
²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu

Come si vede, l'irraggiamento di ²³⁸U determina la formazione di U di massa 239, il quale per emissione di particelle β o elettroni, si trasforma in nettunio a massa 239; anche questo decade per emissione spontanea di un elettrone, generando il Pu-239. Questo isotopo è fissile, cioè subisce una reazione di fissione nucleare, se irradiato con neutroni lenti, come l'isotopo 235 dell'uranio. Poiché quest'ultimo è presente nella miscela naturale degli isotopi di uranio solo in ragione dello 0,72%, non è impiegabile direttamente nei reattori nucleari e nella produzione di energia nucleare in genere, ma occorre innescare un procedimento di fissione assai lungo e costoso. Al contrario, il meccanismo di fissione del Pu-239 è estremamente semplice, proprio perché questo isotopo ha forte tendenza alla cattura dei neutroni e alla fissione. La seguente tabella riporta la sezione di cattura e di fissione per neutroni termici (cioè lenti) di alcuni tra i principali isotopi del p., espressa in barns (1 barn = 10^-24 cm²):

Isotopo	Sezione di cattura	Sezione di fissione
Pu-239	1.026	746
Pu-240	295	0,1
Pu-241	1.400	1.025
Pu-242	30	0,2

Ricordiamo che l'uranio-235 ha una sezione di cattura di 694 barns. Ne consegue che il Pu-239 sia facilmente utilizzabile non solo per la produzione di energia nucleare, ma anche per la fabbricazione di bombe atomiche. È sufficiente, infatti, estrarlo dai prodotti di combustione dei reattori nucleari e raffinarlo per averne a disposizione quantitativi significativi. Se una massa di questo isotopo è abbastanza grande, cioè superiore alla massa critica (che in funzione della purezza e dello stato cristallino può anche essere di un solo chilo), esplode spontaneamente come una bomba A (bomba atomica a fissione), in quanto ogni atomo di Pu-239 che subisce la fissione per cattura di un neutrone genera più di un neutrone (due o tre) che possono provocare la fissione in altrettanti atomi e così via, con decorso a catena, fino all'esplosione capace, perciò, di liberare una forza micidiale. ║ Proprietà fisiche: il p. si presenta come un metallo bianco argenteo, all'aria però si ricopre di una patina giallastra che col tempo diventa verde e poi nera. Presenta sei forme allotropiche, designate con lettere dell'alfabeto greco: alfa, beta, gamma, delta, delta primo ed epsilon. La prima è stabile a temperatura ambiente; per riscaldamento si passa alla seconda a 120 °C; questa si trasforma nella terza a 210 °C che poi dà la quarta a 315 °C; si ha quindi la quinta sopra i 452 °C e la sesta dai 480 °C. La fase epsilon per riscaldamento fonde a 639 °C (calore di vaporizzazione: 80,5 kcal/g-atomo). È un elemento che ha una nobiltà assai bassa, prossima a quella del magnesio e non molto lontana anche da quella del sodio; la reazione:

Pu → Pu³⁺+ 3 e

(ove e indica un elettrone) ha un potenziale normale di idrogeno di 2,07 Volt (la corrispondente reazione per il magnesio ha 2,34 Volt, per il sodio 2,714 Volt). La resistività elettrica varia da una forma allotropica all'altra, molto più di quanto ci si aspetterebbe per la differenza di temperatura fra i diversi campi di esistenza di tali fasi; la fase alfa a 107 °C ha resistività 141,4 microohm-cm; per la fase beta (a 147 °C) questo valore scende a 108,5 e scende ancora a 107,8 per la fase gamma (a 232 °C) e a 100,4 per la fase delta (a 352 °C); risale poi leggermente passando alla fase delta primo e alla epsilon. È da notare che queste differenze sono riscontrabili anche nelle diverse fasi a temperatura ambiente alla quale esse possono essere stabilizzate con l'aggiunta di piccoli tenori di opportuni elementi. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, si rilevano sempre delle forti differenze fra le diverse forme. I seguenti dati si riferiscono alla forma alfa (stabilizzata mediante raffreddamento a -23 °C) in condizioni ambiente (25 °C):

Carico di rottura a trazione (kg/mm²)	42
Carico di snervamento (0,2%, kg/mm²)	25
Allungamento a rottura (%)	0,2 ÷ 0,5
Carico di rottura a compressione (kg/mm²)	85
Modulo di elasticità (kg/mm²)	10.000
Durezza (gradi Vickers)	270

Per quanto riguarda la lavorabilità plastica si può fare un confronto con certe leghe di alluminio, trovando una notevole somiglianza ad esempio con la lega 3003 (alluminio con l'1,2% di Mn). Quanto alla lavorazione a caldo, si deve porre attenzione a condurla nella fase delta, anche se la beta è pure abbastanza lavorabile. La fusione del p. deve essere condotta in crogioli speciali che possono essere di tantalio fino a 1.000 °C, di magnesia o grafite fino a 1.200 °C e di ossido di torio (comunemente detto toria) fino a 1.500 °C. La fusione e colata, come pure l'alligazione, devono essere condotte sotto vuoto. ║ Tossicità: come tutti i metalli pesanti, il p. è tossico se ingerito in forma di sale solubile. Il maggior pericolo viene dalla sua radioattività: tutti gli isotopi di questo elemento sono dei forti emettitori di radiazioni, soprattutto particelle α. Il Pu-239, pur avendo una vita alquanto lunga, è un fortissimo emettitore di queste particelle: un milligrammo ne emette ben 140 milioni al minuto. Ciò impone sempre l'uso di apposite attrezzature, con protezione completa per l'operatore attraverso pesanti schermature alfa-assorbenti. La massima quantità maneggiabile senza questo apparato è inferiore al micro-grammo (milionesimo di grammo). Nel trattamento di larghe quantità di p. si deve poi tenere presente che, secondo lo stato del materiale, anche quantità piccole come 300 g possono essere prossime alla massa critica, con relativo pericolo di esplosione atomica. In caso di assorbimento di p. da parte dell'organismo umano, la via privilegiata è quella del sistema respiratorio: quindi si localizza in vari organi, ma soprattutto nelle ossa, intaccando il midollo osseo e ostacolando l'emopoiesi. L'eliminazione del p. avviene molto lentamente attraverso il sistema intestinale; possono facilitarla sostanze chelanti come l'acido etilendiamminotetracetico. ║ Estrazione: benché oggi si sia riscontrato che il p. esiste in tracce seppur minime nei minerali di uranio (in 100 t di pechblenda è contenuto circa 1 milionesimo di grammo di p.), l'unica fonte di questo elemento resta la lavorazione dei prodotti esausti dei reattori nucleari all'uranio arricchito, che ne contengono lo 0,1 ÷ 0,3% insieme con uranio e prodotti di fissione dotati di altissima radioattività. Industrialmente si hanno due processi, detti Redox e Purex. Nel processo Redox le scorie dei reattori vengono sciolte in acido nitrico; sia p. che uranio passano in soluzione come nitrati e si opera una ossidazione che porta il p. a tetravalente e l'uranio ad esavalente. Questa soluzione viene emulsionata con un solvente, il metilisobutilchetone (MIBK), che scioglie selettivamente uranio e p. e non è miscibile con l'acqua. Dopo sedimentazione viene separata la fase organica che contiene U e Pu; questa viene trattata con un riducente blando che riduce il p. a trivalente, cioè a Pu(NO₃)₃ senza ridurre l'uranio. Il nitrato di p. così ottenuto è ben solubile in acqua, per cui viene estratto dal MIBK per trattamento con acqua e sedimentazione delle due fasi. Dalla fase organica si ricava l'uranio mentre da quella acquosa si estrae il p. mediante nuova ossidazione ed estrazione con MIBK. Il nitrato di p. tetravalente viene poi trasformato in ossido e per fluorurazione riducente (mediante HF + H₂ a 600 °C) in trifluoruro PuF. Da questo si può ottenere il metallo per riduzione di scambio con calcio metallico o altro metallo. Nel processo Purex si compiono operazioni simili, se non che il solvente non è MIBK ma una miscela di cherosene con tri-n-butisolfato (30%). Anche in questo caso si ottiene il nitrato che viene poi trasformato come sopra. ║ Proprietà chimiche e composti: chimicamente il p. assomiglia all'uranio; i suoi stati di ossidazione stabili sono +3, +4, +5 e +6. Spesso si trovano tutti in equilibrio nella stessa soluzione. Nella valenza 5 e 6 si trova comunemente in forma di catione ossidato PuO₂⁺ e PuO₂²⁺, come l'uranio. La stabilità cresce passando da PuO⁺₂ a Pu³⁺ a PuO²⁺₂ e a Pu⁴⁺. I diversi ioni impartiscono alle soluzioni che li contengono delle colorazioni diverse: blu-viola, per Pu³⁺, giallo-bruno per Pu⁺, rosa-arancio per PuO²⁺₂, per PuO⁺₂ non si sono preparate soluzioni pure, ma appare rossastro. Si verifica facilmente il caso che sali di uno stesso anione con cationi p. a grado di ossidazione differente abbiano una solubilità in acqua molto diversa. Fra i composti ricordiamo l'ossido di p. PuO₂, che si presenta come un solido giallo-verde, cristallizzato nel sistema cubico con un reticolo tipo fluorite. Si ottiene per calcinazione a 500 °C circa dell'idrossido, dell'ossalato o del nitrato. In questa forma viene comunemente dosato il p., poiché ha una notevole stabilità chimica e un elevato punto di fusione (2.400 °C). Dal diossido di p. è possibile ottenere per riduzione gli ossidi Pu₂O₃ e PuO. Gli alogenuri hanno notevoli somiglianze con quelli dell'uranio; anche in questo caso, ad esempio, la volatilità aumenta fortemente passando da PuF₄ a PuF₆; il primo, il tetrafluoruro di p., è un solido bruno-chiaro, insolubile in acqua, mentre il secondo, l'esafluoruro di p., è un solido rosso-bruno, basso fondente e basso bollente e poco stabile chimicamente. Vi è anche il trifluoruro di p., PuF₃, un solido rosso-violetto, insolubile in acqua. Fra gli altri composti binari del p. ricordiamo il carburo PuC e l'azoturo PuN, tutti solidi molto altofondenti, utilizzabili come refrattari per usi particolari. ║ Usi: il principale impiego del p., e in particolare dell'isotopo 239, si ha nell'industria nucleare per reattori a fissione e per la costruzione di bombe atomiche di tipo A (a fissione). Quantità minori si usano anche in altri campi dell'industria e della ricerca nucleare, come la produzione di isotopi di altri elementi e la costruzione di sorgenti di particelle alfa. Data la sua pericolosità e la sua difficile produzione, non ha alcun interesse come materiale da costruzione.

Plutònio.