UNIDAD III: QUÍMICA NUCLEARFenómenos nucleares I:

partículas radioactivas

1. Naturaleza de las reacciones nucleares

Algunos núcleos son inestables y espontáneamente emiten partículas y/o radiaciones electromagnéticas. A este fenómeno se le llama radioactividad.

La radioactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables", es decir, que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que, para

alcanzar su estado fundamental, deben perder energía.

Todos los elementos que tienen número atómico mayor a 83 son radioactivos.

Las reacciones nucleares pueden ser endotérmicas o exotérmicas.

Las reacciones nucleares son muy distintas a las reacciones químicas ordinarias.

Reacciones químicas Reacciones nucleares

Los átomos se reorganizan por la ruptura y formación de enlaces químicos.

Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí.

Solo participan los electrones de los orbitales atómicos o moleculares.

Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales.

Absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas.

Absorción o liberación de cantidades enormes de energía.

Velocidades de reacción afectadas por T, P, concentración y catalizadores.

Velocidades de reacción, por lo general, no afectadas por T, P o catalizadores.

El factor principal que determina la estabilidad del núcleo es la relación neutrón/protón (n/p).

1.1 Estabilidad nuclear

ESTABILIDAD NUCLEAR

Relación Emisión de partículas .

Relación Emisión de positrones ( ) o captura de electrones.

°

+

n1

P

°

+

n1

P

0+1β

En general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance equitativo entre protones y neutrones.

(nº/p+) ≠ 1Ej. C–14 (8/6) ≠ 1

Isótopo radioactivo

Cinturón de estabilidad nuclear.

1.2 Tipos de átomos

Isótopos → Son núcleos del mismo número atómico pero de distinta

masa atómica.

Isóbaros → Son núcleos de la misma masa atómica pero de distinto

número atómico.

Isótonos → Son núcleos que tienen el mismo número de neutrones y

distinto número atómico y másico.

1.3 Masa atómica promedio

La masa atómica depende de los isótopos constituyentes.

Se pondera la masa de los isótopos con su abundancia relativa en la corteza terrestre.

5426

5626

5726

5826

Masa atómica

Fe 5,90%

Fe 91,72%

Fe 2,10%

Fe 0,28%

(m isotopo 1 • % abundancia isotopo 1 + m isotopo 2 • % abundancia isotopo 2 +....)

100(54 • 5,9) + (56 • 91,72) +

Masa atómica Fe =

(57 • 2,1) + (58 • 0,28)

100Masa atómica Fe = 55,91 uma

2. Desintegración nuclear. Radioactividad

Radioactividad natural

Corresponde a núcleos que se desintegran espontáneamente, debido a su propia inestabilidad, con

emisión de energía en forma de partículas y/o radiaciones.

Radioactividad artificial o inducida

Ocurre cuando la reacción no es espontánea, sino provocada por bombardeo con otra partícula para formar

un núcleo inestable.

La radiactividad es una propiedad inherente a ciertos átomos, es decir, es una propiedad atómica.

2.1 Partículas radioactivas

Radiación alfa (α)

• Corresponde a núcleos de helio, .

• Son partículas de carga +2, y de masa 4 en la escala de masas atómicas.

• Su emisión se asocia a núcleos pesados.

• Cuando un núcleo emite una partícula α, su número atómico disminuye en dos unidades, y su masa atómica disminuye en cuatro unidades (Ley de Soddy).

42 He

Por ejemplo, cuando el núcleo emite una partícula α se convierte en el núcleo de radio . La reacción nuclear que ilustra este hecho es:

23290Th

22888 Ra

232 4 22890 2 88

232 22890 88

Th He + Ra

o bien

Th α + Ra

Radiación beta (β)

• Corresponden a electrones, .

• Son partículas de masa aproximadamente igual a 0 y de carga –1.

• La emisión de un electrón procede de la conversión de un neutrón en un protón.

• Su emisión se asocia a núcleos con exceso de neutrones.

• Un núcleo se transforma en otro núcleo situado un lugar adelante en la Tabla Periódica, sin cambiar su masa atómica (Ley de Fajans).

01e

1 1 00 1 1n p + e

228 0 22888 1 89

228 22888 89

Ra + Ac

o bien

Ra + Ac

e

Por ejemplo, cuando el núcleo emite un electrón se convierte en . 22888 Ra Ac228

89

Radiación gama (γ)

• Es una radiación electromagnética. Corresponde a fotones de alta energía.

• Suele acompañar a la emisión de partículas α y β, estabilizando el núcleo resultante.

• Esta radiación no implica ningún cambio en el número atómico ni en el número másico.

Otras radiaciones

Captura de electronesEmisión de positrones

Ocurre cuando un protón se convierte en neutrón.

Captura de un electrón de capa interna.

También se denomina a este proceso captura K.

Emite un “electrón positivo” .

Se aplica para la obtención de núcleos muy

pesados.

01e

238 4 23492 2 90

14 0 146 1 7

40 40 019 18 1

197 0 19780 1 79

Emisión α: U He + Th

Emisión β: C + N

Emisión γ: sin cambios

Emisión positrón: K Ar +

Captura electrónica: Hg + Au

e

e

e

Ejemplos de cada uno de los procesos mencionados:

2.2 Características de las partículas radioactivas

Nivel de penetración

Depende de la velocidad y la masa asociada a las partículas.

Los rayos gamma son de alta energía y de longitudes de onda muy cortas. Son las de

mayor nivel de penetración.

Poder de ionización

Depende de la cantidad de energía y carga asociada.

α ion > β ion > ɣ ion

Fenómenos nucleares II: fisión y fusión nuclear

La desintegración de un núcleo radioactivo suele ser el comienzo de una serie de desintegración radiactiva, es decir, una secuencia de reacciones nucleares que culmina en la formación de un isótopo estable.

El isótopo radioactivo inicial se llama progenitor, y el producto se conoce como hijo.

1.1 Serie radiactiva

1. Reactividad

1.2 Vida media

La vida media (período de semidesintegración) corresponde a la cantidad de tiempo necesaria para disminuir a la mitad la masa de un isótopo.

No : cantidad de masa inicial.

t1/2 : vida media.N t 1/2 : cantidad de masa final.

La vida media de un isótopo determina la probabilidad de existencia natural del mismo.

t1/2 corta t1/2 larga

Isótopos producidos a

nivel de laboratorio.

Isótopos hallados naturalmente en

el planeta.

Isótopo Vida media

Potasio-37 1,23 segundos

Hierro-53 8,5 minutos

Yodo-131 8 días

Hidrógeno-3 12 años

Plomo-210 22 años

Silicio-32 500 años

Radio-226 1600 años

Carbono-14 5730 años

Uranio-238 4.510.000.000 años

1.3 Datación mediante desintegración radiactiva

1) Datación con carbono radiactivo 6C14

Todo compuesto orgánico, que posea carbono en su estructura y que esté muerto, es susceptible a ser datado en su antigüedad.

El C–14 posee un valor de vida media de 5730 años → se debe utilizar para muestras de menos de 60000 años.

2) Datación mediante uranio–238

Corresponde a una serie útil para estimar la edad de las rocas en la tierra y de los objetos extraterrestres.

Posee un valor de vida media de 4.51x109 años → útil para determinar la edad de la Tierra.

3) Datación mediante potasio–40

Una de las técnicas más importantes en geoquímica.

Con la relación de masas de argón–40 y de potasio–40 en el mineral, y la vida media de desintegración, es posible establecer la edad de las rocas que tienen

entre millones y miles de millones de años.

40 0 4019 1 18K + e Ar

4) Datación mediante plomo–210

Es empleado para determinar la antigüedad de elementos inorgánicos a base de plomo.

Pinturas, monedas, vasos, cerámica china, balas de cañón…

1.4 Transmutación nuclear

Rutherford, en el año 1919, demostró que era posible transformar un elemento en otro mediante transmutación nuclear. Este proceso resulta de la colisión de dos

partículas.

14 4 17 17 2 8 1N + α O + p

Elementos transuránicos

Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con números atómicos mayores de 92, llamados elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos son radioactivos.

2. Reacciones nucleares

Establece un cambio en la identidad de los átomos participantes.

Fisión nuclear Fusión nuclear

Ruptura de un átomo pesado por impacto de

neutrones.

Unión de dos átomos livianos, estableciendo

un nuevo elemento.

2.1 Fisión nuclear

Se divide un núcleo pesado (número másico > 200) para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones.

Este proceso libera gran cantidad de energía debido a que el núcleo pesado es menos estable que sus productos.

235 1 90 143 192 0 38 54 0U + n Sr + Xe + 3 n

Se obtiene una reacción nuclear en cadena, es decir, una secuencia de reacciones de fisión nuclear autosuficientes. Los neutrones generados en las etapas iniciales de la fisión pueden inducir fisión en otros núcleos.

La masa critica corresponde a la mínima masa del material fisionable necesaria para generar una reacción nuclear en cadena.

2.2 La bomba atómica

La fisión nuclear se aplicó por primera vez para fabricar la bomba atómica. Se fuerza la unión de las secciones fisionables a través de un explosivo como el TNT

generando una reacción en cadena descontrolada.

Hiroshima → Uranio–235 (6 agosto 1945)

Nagasaki → Plutonio–239 (9 agosto 1945)

2.3 Reactores nucleares de fisión

Una aplicación de la fisión nuclear es la generación de electricidad aprovechando el calor de una reacción en cadena controlada en un reactor nuclear.

Reactor de agua pesada → utiliza D2O como moderador (isótopo deuterio). El deuterio absorbe los neutrones con menos eficiencia que el hidrógeno, esto lo hace más eficiente y

no requiere uranio enriquecido.

Reactor de agua ligera → utiliza agua (isótopo ) como moderador, el cual reduce la energía cinética de los neutrones, provocando una mayor eficiencia en la división de los

núcleos de uranio–235. Requiere uranio enriquecido.

11H

Reactor de cría→ utiliza uranio como combustible, pero a diferencia de un reactor nuclear convencional, produce más material fisionable que el que consume.

2.4 Fusión nuclear

Corresponde a la combinación de pequeños núcleos en otros más grandes, está exenta en gran parte del problema asociado al desecho de los desperdicios.

Proceso continuo en el Sol, el cual se compone principalmente de hidrógeno y helio.

1 2 31 1 2

3 3 4 12 2 2 1

1 1 2 01 1 1 +1

H + H He

He + He He + 2 H

H + H H + β

Las reacciones de fusión suelen llamarse también reacciones termonucleares porque se llevan a cabo solo a temperaturas muy elevadas.

Para comprender la magnitud de la energía liberada en esta reacción, pensemos en la siguiente comparación:

Energía liberada al quemar un mol de gas natural.

Los Mega electrón-Volts indicados en la primera reacción corresponden a 1 átomo.¿A cuánta energía corresponderá un mol de reactivo?

4 2 2 22 2CH O CO H O 3.500 (J/mol)

2 3 4 11 1 2 0H H He n 1.700.000.000.000 (J/mol)

Un mol de deuterio corresponde a solo 2 gramos!!

17,6 MeV2 3 4 11 1 2 0H + H He + n

2.5 Reactores de fusión

Estas reacciones se llevan a cabo a temperaturas extremadamente altas (100 millones de grados Celsius).

Ventajas

• Combustibles baratos y casi inagotables.

• Poca generación de desperdicios radiactivos.

Desventajas

• Problemas para mantener unidos a los núcleos.

• Imposibilidad de lograr las temperaturas adecuadas.

Actualmente no existe ningún reactor de fusión que produzca energía.

2.6 La bomba de hidrógeno

También conocida como bomba termonuclear, contiene deuterio de litio sólido (LiD). La detonación sucede en dos etapas:

Primero una reacción de fisión y luego una reacción de fusión.

6 2 43 1 2

2 2 3 11 1 1 1

Li + H 2 α

H + H H + H

La fuerza de la explosión solo está limitada por la cantidad de reactivos presentes.

3. Aplicaciones y efectos de la energía nuclear

3.1 Aplicaciones de los isotopos

Sodio–24 (emisor β) → se utiliza para rastrear el flujo sanguíneo y descubrir obstrucciones en el sistema

circulatorio.

Yodo–131 (emisor β) → se utiliza para medir la actividad de la glándula tiroides.

Yodo–123 (emisor de rayos gamma) → se utiliza para obtener imágenes del cerebro.

Tecnecio–99 (emisión de rayos gamma) → se utiliza para obtener imágenes de órganos como el corazón,

hígado y pulmones.

Los isótopos en la medicina

La imagenología busca convertir al paciente en un emisor gamma a través de la inoculación de material radiactivo desde el exterior.

3.2 Efectos biológicos de la radiación

Estroncio–90 → emisor beta, es capaz de reemplazar el calcio de los huesos.

Iones superóxido (O2–) → atacan membranas celulares de los tejidos y

compuestos orgánicos, como enzimas y ADN.

El efecto biológico de la radiación depende de diversos factores como la dosis recibida, el tiempo de exposición, la región del cuerpo que se haya expuesto y el tipo de radiación.

Los efectos son múltiples y de diversa gravedad, incluyendo quemaduras, mutaciones genéticas, esterilidad, cáncer (crecimiento celular anormal), entre muchos otros.