Resumo

O tório exibe comportamento químico distinto como o segundo elemento na série dos actinídeos, ocupando a posição 90 na tabela periódica com massa atômica 232,0377 ± 0,0004. O elemento demonstra uma configuração eletrônica anômala [Rn]6d²7s² em vez da configuração esperada [Rn]5f²7s², resultando em características de ligação únicas que o diferenciam de outros actinídeos. O tório manifesta-se predominantemente como o íon Th⁴⁺ com excepcional estabilidade termodinâmica, formando compostos caracterizados por padrões de ligação iônica e altas energias de rede. Suas propriedades nucleares incluem uma meia-vida de 14,05 bilhões de anos para o ²³²Th, posicionando-o como um material nuclear fértil através de reações de captura de nêutrons. Aplicações industriais concentram-se em cerâmicas de alta temperatura e materiais refratários, com o dióxido de tório atingindo temperaturas de fusão de 3390°C. O elemento ocorre naturalmente em depósitos de minerais de monazita com abundância crustal três vezes superior à do urânio, apresentando implicações significativas para o desenvolvimento do ciclo do combustível nuclear.

Introdução

O tório é o primeiro elemento da série natural dos actinídeos, exibindo propriedades químicas que conectam características do bloco f e do bloco d. O elemento ocupa o grupo IVA (grupo 4) nas classificações periódicas estendidas, demonstrando anomalias na configuração eletrônica que influenciam profundamente sua reatividade química e comportamento de coordenação. Berzelius isolou o tório em 1828 a partir de minerais noruegueses, nomeando-o em homenagem a Thor, o deus nórdico do trovão e da guerra.

A posição do elemento na tabela periódica reflete sua estrutura eletrônica única, onde a participação dos orbitais 6d cria padrões de ligação mais semelhantes aos metais de transição do que aos elementos típicos do bloco f. Essa configuração resulta em comportamento químico semelhante ao titânio, zircônio e háfnio, especialmente na química de soluções aquosas e formação de compostos no estado sólido. Suas características nucleares, incluindo meia-vida extremamente longa e natureza fértil, geraram grande interesse em aplicações tecnológicas nucleares, enquanto suas propriedades de estabilidade em altas temperaturas são valiosas em aplicações metalúrgicas especializadas.

Propriedades Físicas e Estrutura Atômica

Parâmetros Atômicos Fundamentais

O tório possui número atômico 90 e peso atômico padrão 232,0377 ± 0,0004 unidades de massa atômica unificadas. O elemento exibe uma configuração eletrônica anômala [Rn]6d²7s² em vez da configuração prevista [Rn]5f²7s² comum em outros actinídeos iniciais. Essa configuração resulta de efeitos relativísticos e considerações de energia orbital que favorecem a ocupação dos elétrons 6d em vez dos orbitais 5f no átomo neutro.

Medidas de raio atômico indicam 180 picômetros para o raio metálico, enquanto os raios iônicos mostram 94 picômetros para íons Th⁴⁺ hexacoordenados. A carga nuclear efetiva experimentada pelos elétrons de valência atinge 1,3, significativamente menor que a de actinídeos posteriores devido aos efeitos da contração dos lantanídeos e blindagem dos orbitais f. A primeira energia de ionização mede 6,08 elétrons-volt, com energias subsequentes de 11,5, 20,0 e 28,8 eV para formação dos íons Th²⁺, Th³⁺ e Th⁴⁺, respectivamente.

Características Físicas Macroscópicas

O tório cristaliza-se em estrutura cúbica de face centrada em condições ambientais, transformando-se em simetria cúbica de corpo centrado acima de 1360°C. Sob pressões extremas superiores a 100 gigapascals, o elemento adota geometria tetragonal de corpo centrado. Os parâmetros de rede medem 5,08 angstroms para a fase cfc, expandindo-se para 4,11 angstroms na fase ccc.

O metal apresenta aparência brilhante e prateada quando recém-cortado, oxidando rapidamente para uma coloração acinzentada ao ser exposto ao ar através da formação de óxidos. Medidas de densidade resultam em 11,66 g/cm³ a 20°C, posicionando o tório entre os elementos actinídeos pesados. O ponto de fusão ocorre a 1750°C, enquanto o ponto de ebulição atinge 4788°C, classificando-se como o quinto mais alto entre todos os elementos conhecidos. O calor de fusão mede 13,8 quilojoules por mol, com entalpia de vaporização de 543,9 kJ/mol. A capacidade térmica específica equivale a 0,113 J/(g·K) a 25°C, indicando capacidade relativamente baixa de armazenamento de energia térmica.

A determinação do módulo de compressibilidade resulta em 54 gigapascals, comparável ao estanho metálico e refletindo compressibilidade moderada sob pressão hidrostática. O elemento demonstra comportamento paramagnético com susceptibilidade magnética de +97 × 10⁻⁶ cm³/mol, tornando-se supercondutivo abaixo de 1,4 K através de mecanismos de acoplamento eletron-fonon.

Propriedades Químicas e Reatividade

Estrutura Eletrônica e Comportamento de Ligação

A química do tório concentra-se na formação de íons Th⁴⁺ através de oxidação de quatro elétrons, representando o estado termodinamicamente preferido na maioria dos ambientes. O estado de oxidação tetravalente exibe estabilidade excepcional devido aos orbitais 5f e 6d vazios após a perda de elétrons, criando uma configuração de núcleo de gás nobre semelhante ao radônio. Estados de oxidação inferiores +3 e +2 são conhecidos, mas demonstram estabilidade limitada em meios aquosos devido a reações de desproporcionamento e redução da água.

A ligação química em compostos de tório envolve predominantemente interações iônicas, com caráter estimado superior a 70% em compostos binários. Números de coordenação tipicamente variam de 6 a 12 em estruturas cristalinas, refletindo o grande raio iônico do Th⁴⁺ e interações eletrostáticas favoráveis com ânions pequenos. Contribuições de ligação covalente aparecem em complexos organometálicos e compostos contendo ligantes doadores moles, onde a participação dos orbitais 6d permite compartilhamento parcial de elétrons.

O potencial de redução padrão para o par Th⁴⁺/Th mede -1,90 V em relação ao eletrodo padrão de hidrogênio, indicando caráter redutor forte no estado metálico. Este valor posiciona o tório entre o alumínio (-1,66 V) e o magnésio (-2,37 V) na reatividade eletroquímica, consistente com seu comportamento em soluções aquosas e reações de redução metalotérmica.

Propriedades Eletroquímicas e Termodinâmicas

Valores de eletronegatividade do tório medem 1,3 na escala de Pauling, indicando caráter eletropositivo e preferência por doação de elétrons na formação de compostos. Cálculos de eletronegatividade de Mulliken geram resultados semelhantes, confirmando as tendências de ligação metálica e propriedades redutoras. Medidas de afinidade eletrônica não são acessíveis experimentalmente devido à oxidação rápida de espécies aniônicas, mas cálculos teóricos sugerem valores negativos, indicando instabilidade termodinâmica dos íons Th⁻.

As energias de ionização sucessivas demonstram valores relativamente baixos nas primeiras ionizações, facilitando a formação de Th⁴⁺ sob condições leves de oxidação. O grande intervalo energético entre a terceira e quarta ionizações (28,8 eV vs. aproximadamente 38 eV) reforça a estabilidade do estado tetravalente, tornando a formação de Th⁵⁺ energeticamente proibitiva sob condições químicas normais.

A estabilidade termodinâmica dos compostos de tório depende fortemente das características do ânion e condições ambientais. Compostos óxidos e fluoretos demonstram estabilidade térmica excepcional com entalpias de formação superiores a -1200 kJ/mol, enquanto sulfetos e selenietos mostram estabilidade moderada. Cálculos de especiação aquosa indicam predominância das espécies Th⁴⁺ e Th(OH)₂²⁺ em soluções ácidas, com precipitação de Th(OH)₄ acima de pH 3,2.

Compostos Químicos e Formação de Complexos

Compostos Binários e Ternários

O dióxido de tório, ThO₂, representa o composto binário mais significativo, exibindo estrutura fluorita e propriedades refratárias excepcionais. O composto atinge temperaturas de fusão de 3390°C, a mais alta entre todos os materiais óxidos conhecidos. O parâmetro de rede mede 5,597 angstroms com densidade de 9,86 g/cm³. A entalpia de formação atinge -1226,4 kJ/mol, indicando estabilidade termodinâmica extraordinária e resistência a reações de redução.

Compostos halogenados incluem o tetrafluoreto de tório (ThF₄), tetracloreto de tório (ThCl₄), tetrabrometo de tório (ThBr₄) e tetraiodeto de tório (ThI₄). Esses compostos adotam diversas estruturas cristalinas dependendo dos requisitos de coordenação e considerações de energia de rede. O ThF₄ cristaliza-se em simetria monoclínica com centros de tório octacoordenados, enquanto o ThCl₄ exibe estrutura tetragonal com geometria de coordenação dodecaédrica. Temperaturas de sublimação variam de 921°C para o ThI₄ a 1680°C para o ThF₄, refletindo o caráter iônico crescente com a diminuição da eletronegatividade do halogênio.

Compostos binários com elementos do Grupo 16 incluem o dissulfeto de tório (ThS₂) e o disseleniureto de tório (ThSe₂), ambos adotando estruturas do tipo CaF₂ com centros metálicos octacoordenados. Esses compostos demonstram propriedades semicondutoras com gaps de banda de aproximadamente 1,8 eV para o ThS₂. Compostos ternários abrangem silicatos, aluminatos e fosfatos de tório, com o ortossilicato de tório (Th₃SiO₄) representando minerais geológicos importantes formados em condições de alta temperatura.

Química de Coordenação e Compostos Organometálicos

Complexos de coordenação de tório tipicamente apresentam números de coordenação entre 6 e 12, acomodando o grande raio iônico e alta densidade de carga dos centros Th⁴⁺. Complexos aqua incluem [Th(H₂O)₉]⁴⁺ como espécie dominante em soluções ácidas diluídas, com geometria prismática trigonal tricapa, baseada em dados de espectroscopia de absorção de raios X. Os comprimentos de ligação de coordenação medem aproximadamente 2,45 angstroms para interações Th-OH₂, consistentes com caráter predominantemente iônico.

Ligantes quelantes como o ácido etilenodiaminotetraacético (EDTA) formam complexos excepcionalmente estáveis com tório, exibindo constantes de formação superiores a 10²³ em solução aquosa. Esses complexos apresentam geometrias octacoordenadas com arranjos distorcidos do tipo antiprismático quadrado. Complexos com éteres coroa demonstram alta seletividade para extração de tório de misturas de lantanídeos, explorando a compatibilidade entre as dimensões da cavidade macrocíclica e o tamanho do íon Th⁴⁺.

A química organometálica do tório concentra-se em derivados ciclopentadienil e sistemas π-ligados relacionados. Derivados de torioceno como Th(C₅H₅)₄ exibem arranjos tetraédricos de anéis ciclopentadienil com caráter covalente significativo nas ligações Th-C. Esses compostos demonstram sensibilidade moderada ao ar e servem como precursores para aplicações de deposição de vapor metálico de tório. Derivados alquila e arila requerem condições rigorosamente anidras devido à hidrólise rápida que produz espécies de hidróxido de tório e subprodutos orgânicos.

Ocorrência Natural e Análise Isotópica

Distribuição e Abundância Geoquímicas

O tório exibe abundância crustal média de 9,6 partes por milhão, classificando-se em 41º lugar entre os elementos na abundância terrestre e superando as concentrações de urânio em aproximadamente três vezes. Seu comportamento geoquímico reflete características litófilas com forte afinidade por fases minerais de silicato e enriquecimento em rochas ígneas félsicas. Rochas graníticas tipicamente contêm 15-20 ppm de tório, enquanto composições máficas apresentam concentrações médias de 2-4 ppm.

Os minerais principais contendo tório incluem monazita [(Ce,La,Th)PO₄], torita (ThSiO₄) e bastnasita [(Ce,La)CO₃F]. As areias monazíticas representam a fonte comercial primária, com o tório extraído como subproduto do processamento de elementos terras raras. Composições típicas de monazita contêm 4-12 por cento em peso de óxido de tório, variando conforme a origem geográfica e processos geológicos de formação.

Processos hidrotermais concentram o tório em depósitos de pegmatita e carbonatita através de incorporação preferencial em estruturas minerais de fosfato e silicato. Processos de intemperismo geralmente resultam na retenção de tório em fases minerais residuais devido à baixa solubilidade de compostos contendo tório sob condições superficiais. A água oceânica contém concentrações dissolvidas de tório médias de 0,05 partes por bilhão, principalmente como hidróxido e carbonato coloidal.

Propriedades Nucleares e Composição Isotópica

O tório natural consiste inteiramente no isótopo ²³²Th, com massa atômica 232,0381 unidades de massa atômica unificadas. Este isótopo exibe decaimento alfa com meia-vida de 1,405 × 10¹⁰ anos, comparável à idade do universo e garantindo estabilidade geológica ao longo da história terrestre. O processo de decaimento inicia a série de decaimento do tório, terminando no ²⁰⁸Pb estável através de uma sequência de catorze etapas radioativas envolvendo transições alfa e beta menos.

Análise da estrutura nuclear revela que o ²³²Th contém 90 prótons e 142 nêutrons, representando uma configuração de subcamada fechada de nêutrons que contribui para estabilidade nuclear aumentada. A energia de ligação por nucleon mede 7,615 MeV, indicando estabilidade nuclear moderada comparada a isótopos do pico do ferro. O momento magnético nuclear é zero devido aos números pares de prótons e nêutrons, resultando em ausência de spin nuclear e momentos quadrupolares nucleares.

Isótopos de tório produzidos artificialmente variam de massa 207 a 238, todos demonstrando instabilidade radioativa e meias-vidas relativamente curtas comparadas ao ²³²Th. Isótopos notáveis incluem ²²⁸Th (meia-vida 1,9 ano) e ²²⁹Th (meia-vida 7340 anos), ambos produzidos em ambientes de reatores nucleares através de processos de captura de nêutrons. O ²²⁷Th representa interesse médico para aplicações de terapia alfa direcionada devido à meia-vida de 18,7 dias e propriedades de decaimento adequadas.

Fissão espontânea ocorre no ²³²Th com probabilidade extremamente baixa, caracterizada por meia-vida parcial superior a 10²¹ anos. A seção de choque de captura de nêutrons térmicos mede 7,4 barns, permitindo conversão a ²³³U físsil através da sequência de reações ²³²Th(n,γ)²³³Th(β⁻)²³³Pa(β⁻)²³³U com meias-vidas intermediárias de 22,3 minutos para o ²³³Th e 27,0 dias para o ²³³Pa.

Produção Industrial e Aplicações Tecnológicas

Métodos de Extração e Purificação

A produção comercial de tório começa com o processamento de minério de monazita, onde o tório constitui um subproduto valioso das operações de extração de elementos terras raras. O tratamento inicial envolve fusão alcalina a 140-150°C com soluções concentradas de hidróxido de sódio, convertendo minerais fosfato em precipitados de hidróxido e fosfato de sódio solúvel. O hidróxido de tório co-precipita com hidróxidos de terras raras durante este processo de digestão alcalina.

A separação seletiva emprega dissolução em ácido nítrico seguida de técnicas de extração com solventes utilizando fosfato de tributila ou extratores de ácido organofosfórico. O tório exibe extração preferencial em fases orgânicas devido à alta densidade de carga e formação favorável de complexos com ligantes contendo fósforo. Fatores de purificação superiores a 10.000 são alcançáveis através de processos de extração contracorrente multietapas, produzindo soluções de nitrato de tório com níveis de pureza acima de 99,5%.

A produção de tório metálico utiliza redução com cálcio ou magnésio do tetrafluoreto de tório em temperaturas elevadas em atmosfera inerte. A redução com cálcio procede segundo ThF₄ + 2Ca → Th + 2CaF₂ a 900°C em vasos de aço selados, rendendo tório metálico contaminado com cálcio e fluoreto de cálcio. A purificação subsequente envolve destilação a vácuo a 1200°C para remover impurezas de cálcio, seguida por fusão com feixe de elétrons em condições de vácuo elevado para obter metal de alta pureza adequado a aplicações especializadas.

Aplicações Tecnológicas e Perspectivas Futuras

As aplicações atuais do tório concentram-se em materiais de alta temperatura e ligas especializadas. O dióxido de tório serve como material refratário em cadinhos e revestimentos de fornos para processamento de platina e outros metais preciosos, explorando seu ponto de fusão excepcional e inércia química. O composto exibe coeficiente de expansão térmica de 9,2 × 10⁻⁶ K⁻¹, compatível com muitos sistemas cerâmicos e metálicos, mantendo integridade estrutural sob condições de ciclagem térmica.

Ligas de tungstênio-tório contendo 1-2 por cento em peso de tório demonstram propriedades de emissão eletrônica aprimoradas em aplicações termiônicas. Essas ligas servem como materiais catódicos em tubos eletrônicos especializados e eletrodos de soldagem a arco, onde adições de tório melhoram estabilidade do arco e durabilidade dos eletrodos. No entanto, considerações de segurança radiológica levaram à substituição progressiva dessas aplicações por materiais alternativos como ligas de tungstênio-lantânio.

Adições de tório a ligas de magnésio proporcionam endurecimento por precipitação e resistência aprimorada à fluência em temperaturas elevadas. Ligas de magnésio-tório contendo 2-4% de tório exibem resistência ao escoamento superior a 200 MPa a 300°C, tornando-as adequadas para aplicações aeroespaciais que exigem altas relações resistência-peso. O tório forma precipitados intermetálicos que impedem o movimento de discordâncias e aprimoram propriedades mecânicas.

Aplicações no ciclo do combustível nuclear representam o uso potencial mais significativo do tório, baseado em sua natureza fértil e ocorrência natural abundante. Ciclos de combustível com tório oferecem vantagens teóricas, incluindo redução na produção de resíduos actinídicos de longa duração, maior resistência à proliferação e eficiência aprimorada na utilização do combustível. Projetos de reatores que incorporam tório incluem reatores de sal fundido, reatores a gás de alta temperatura e reatores de água pressurizada, cada um exigindo tecnologias específicas de fabricação de combustível e métodos de reprocessamento.

A produção de isótopos médicos utiliza o ²²⁷Th para terapia alfa direcionada de certos cânceres, onde a meia-vida de 18,7 dias e propriedades de emissão alfa permitem irradiação seletiva de tumores. Métodos de produção envolvem bombardeamento de prótons em alvos de rádio ou irradiação de nêutrons em precursores de actínio, exigindo instalações especializadas de células quentes e técnicas de purificação radioquímica.

Desenvolvimento Histórico e Descoberta

Jöns Jacob Berzelius obteve a descoberta do tório em 1828 através da análise de uma amostra mineral incomum da Ilha Løvøy, Noruega. O químico sueco inicialmente identificou incorretamente o novo elemento como itrio, mas análises químicas posteriores revelaram propriedades distintas que justificaram classificação separada. Berzelius propôs o nome "thorium" em homenagem a Thor, o deus nórdico do trovão, seguindo convenções de nomenclatura contemporâneas que homenageavam figuras mitológicas.

As pesquisas iniciais sobre o tório concentraram-se na caracterização química e preparação de compostos, em vez de aplicações práticas. Friedrich Wöhler e Heinrich Rose confirmaram a descoberta de Berzelius através de síntese independente de compostos de tório, estabelecendo sua posição nas classificações periódicas iniciais. O desenvolvimento de técnicas espectroscópicas no final do século XIX permitiu determinação precisa do peso atômico e confirmou o comportamento químico único do tório comparado a metais conhecidos.

As propriedades radioativas do tório foram descobertas por Marie e Pierre Curie em 1898, aproximadamente simultaneamente à sua isolamento do rádio e polônio. Esta descoberta revelou o tório como o segundo elemento radioativo conhecido pela ciência, após o urânio, estabelecendo a base para pesquisas em química nuclear. Investigações subsequentes de Ernest Rutherford sobre produtos de decaimento do tório levaram à compreensão fundamental dos mecanismos de decaimento radioativo e processos de transformação nuclear.

Aplicações industriais surgiram no início do século XX com o desenvolvimento de mantas para iluminação a gás. Carl Auer von Welsbach patenteou mantas de óxido de tório-cério em 1891, criando fontes de luz incandescente que produziam iluminação branca brilhante quando aquecidas por chamas gasosas. Esta aplicação dominou o consumo de tório por várias décadas até que sistemas de iluminação elétrica substituíram os de gás.

Desenvolvimentos em tecnologia nuclear durante e após a Segunda Guerra Mundial geraram novo interesse no tório através do reconhecimento de suas propriedades férteis e potenciais aplicações no ciclo do combustível. Alvin Weinberg e colegas no Laboratório Nacional Oak Ridge pioneiraram conceitos de reatores de sal fundido utilizando ciclos de combustível tório-urânio, demonstrando viabilidade técnica e vantagens operacionais. Apesar de resultados experimentais promissores, ciclos de combustível baseados em urânio receberam desenvolvimento preferencial devido à infraestrutura estabelecida e exigências de programas de armas.

Conclusão

O tório ocupa posição distinta na tabela periódica como o único elemento natural que combina propriedades nucleares férteis com estabilidade química excepcional. Sua configuração eletrônica anômala cria características de ligação que conectam o comportamento de actinídeos e metais de transição, habilitando aplicações que variam de cerâmicas de alta temperatura a ligas metalúrgicas especializadas. Propriedades nucleares, incluindo meia-vida longa e capacidades de captura de nêutrons, posicionam o tório como um combustível nuclear alternativo potencial, oferecendo vantagens na redução de resíduos e utilização de recursos.

As direções futuras de pesquisa abrangem desenvolvimento avançado de ciclos do combustível nuclear, otimização na produção de isótopos médicos e aplicações em materiais de alto desempenho. A abundância e propriedades únicas do tório sugerem relevância contínua em tecnologia energética e aplicações de materiais especializados, particularmente conforme considerações ambientais e escassez de recursos impulsionam inovações em ciência de materiais sustentáveis.