Introducción
En las reacciones químicas habituales centramos la atención en los cambios que experimentan los electrones, considerando que los núcleos atómicos no sufren modificaciones.
Sin embargo, los núcleos pueden sufrir cambios, tema de estudio de la química nuclear. Estos cambios pueden ser la fragmentación de núcleos grandes en núcleos más pequeños, la fisión nuclear ; o la combinación de núcleos pequeños para
formar núcleos más grandes, la fusión nuclear. Veremos tres temas principales:
1. Patrón de estabilidad nuclear, la manera en que los núcleos inestables sufren cambios en forma espontánea, y el origen de los elementos.
2. Consecuencias del cambio nuclear y usos de la radiación nuclear en química.
3. Energía nuclear y usos de la química para resolver problemas asociados a su uso.
Reacciones químicas vs. reacciones nucleares
4. Las velocidades de reacción, por lo general, no se ven afectadas por la temperatura, la presión o los
catalizadores. 4. Las velocidades de reacción se ven
afectadas por la temperatura, presión, concentración y catalizadores.
3. Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de cantidades enormes de energía.
3. Las reacciones se acompañan por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas.
2. Pueden estar implicados los
protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales.
2. Sólo los electrones extranucleares están implicados en la ruptura y
formación de los enlaces.
1. Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se interconvierten los unos en los otros.
1. Los átomos se reordenan por la ruptura y formación de enlaces químicos.
Desintegración nuclear (I)
Partícula a
En algunos núcleos las repulsiones entre los protones superan a la fuerza que mantiene unido al núcleo. Entonces, el núcleo expulsa fragmentos y se desintegra, produciendo radiactividad.
En 1898, Rutherford identificó tres tipos diferentes de radiactividad, mediante la observación del efecto de los campos eléctricos sobre las emisiones radiactivas: radiaciones a (alfa), b (beta) y g (gamma).
La radiación a pudo identificarse como átomos de helio que han perdido sus dos electrones. Es decir, las partículas a pueden denotarse como He2+.
La medición de la carga y la masa de las partículas
negativas demostró que eran electrones. Estos electrones rápidos emitidos por los núcleos se denominan partículas b.
La radiación g es radiación electromagnética de frecuencia mayor a 1020 Hz, correspondiente
Desintegración nuclear (II)
Radiación nuclear
Tipo Grado de penetración Velocidad Partícula A Carga Ejemplo
a no penetrante,
pero perjudicial 10% de c
núcleo de
helio 4, a 4 +2
b moderadamente penetrante menos de 90% de c electrón, b 0 -1
g muy penetrante, acompaña otras
radiaciones c fotón 0 0
b+ moderadamente
penetrante menos de 90% de c positrón, b+ 0 +1 p penetración moderada o baja 10% de c protón, p 1 +1
n muy penetrante menos de 10% de c neutrón, n 1 0
captura
Reacciones nucleares (I)
El cambio en la composición de un núcleo se denomina reacción nuclear. Los núcleos están compuestos por protones y neutrones denominados en conjunto nucleones ; un núcleo específico con determinado número atómico y número másico se
denomina núclido. Por lo tanto, 1H, 2H y 16O representan tres núclidos diferentes.
Los núcleos que cambian su estructura espontáneamente y emiten radiación se denominan radiactivos. A menudo, el resultado es un núclido diferente.
Cuando un núcleo emite una partícula a, se produce una transmutación nuclear, la conversión de un elemento en otro. Estos cambios se expresan mediante una
ecuación nuclear. Por ejemplo:
Reacciones nucleares (II)
En el proceso de captura electrónica, un núcleo captura uno de los electrones circundantes y un protón se convierte en un
neutrón. Por lo tanto, no cambia el número másico, pero el número atómico se reduce en 1. Ejemplo:
La emisión de un positrón puede considerarse como la emisión de una carga positiva por un protón en la
Patrón de estabilidad nuclear (I)
Se observa que los elementos con Z par son de manera uniforme más abundantes que los elemento vecinos con Z
impar. Este patrón se observa a nivel cósmico, y también en la Tierra
Los núcleos con números pares tanto de protones como de neutrones son más estables que los que presentan cualquier otra combinación. A la inversa, los núcleos con números impares de protones y
neutrones son menos estables.
Es más probable que los núcleos sean estables si están
constituidos por números determinados de nucleones. Estos números, 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126 y 184, se denominan
números mágicos.
Patrón de estabilidad nuclear (II)
1. Los núclidos a largo de la banda negra angosta son estables.
2. Los núcleos en la región azul pueden emitir partículas b
3. Los núcleos de la región roja pueden emitir una partícula a
4. Los núcleos de la región rosa pueden emitir positrones o capturar
electrones.
La banda de estabilidad termina en el elemento 83 (bismuto). Todos los núcleos con 84 protones o más (número atómico 84) son radiactivos. Por ejemplo, todos los isótopos de uranio, de número atómico 92, son radiactivos.
Predicción del tipo de desintegración nuclear (I)
Los núcleos ubicados por encima de la banda de
estabilidad son ricos en neutrones. Por esto, tienden a desintegrarse de tal manera que el cociente n/p final sea más próximo a los encontrados en la banda de estabilidad. Por ejemplo:
Los núclidos que se encuentran por debajo de la banda de estabilidad presentan una baja proporción de neutrones (son ricos en protones). Tienden a
desintegrarse de tal manera que se reduce el número atómico y aumenta el cociente n/p final. Por ejemplo:
Existen dos procesos adicionales para disminuir el número de protones en los núclidos ricos en protones:
1. Captura electrónica. Ejemplo:
Serie de desintegración del uranio 238
Predicción del tipo de desintegración nuclear (II)
Muy pocos núclidos con Z < 60 emiten partículas a. Todos los núcleos con Z > 83 son inestables y se desintegran principalmente mediante la emisión de partículas a.
Estos núcleos se desintegran paso a paso y dan lugar a una serie radiactiva, una secuencia característica de núclidos.
Primero se eyecta una partícula a, luego se eyecta otra partícula a o una partícula b, y así sucesivamente, hasta que se
forma un núcleo estable. El núclido final suele ser un isótopo del plomo (el
elemento con el número atómico mágico 82). Ejemplos:
Nucleosíntesis (I)
La nucleosíntesis es la formación de elementos.
Se supone que el hidrógeno y el hielo se formaron en el Big Bang; los elementos restantes descienden de ellos, como resultado de reacciones nucleares en la estrellas, o como resultado de reacciones nucleares en el espacio.
Para superar las barreras de energía para la síntesis nuclear, las partículas deben colisionar en forma vigorosa entre sí. Si viajan con suficiente rapidez, un protón, una partícula a, u otra núcleo, presentan suficiente energía cinética para superar la repulsión electrostática del núcleo. Así, la partícula puede
penetrar en el núcleo donde es capturada por la fuerza fuerte.
La transmutación de elementos es la conversión de un elemento en otro. En 1919, Rutherford logró la primera transmutación nuclear según:
La notación usual de los procesos de transmutación es: blanco (partícula entrante, partícula eyectada) producto. Para el ejemplo anterior sería:
Nucleosíntesis (II)
La transmutación inducida por neutrón se realiza con
mayor facilidad porque el el neutrón no necesita ser acelerado a altas velocidades, ya que el neutrón no tiene carga y por lo tanto no es rechazado por la carga nuclear. Un ejemplo es la formación de cobalto 60, utilizado en radioterapia contra el cáncer, donde la racción global es: 58Fe (2n,b) 60Co
Los elementos transuránicos son los elementos siguientes al uranio en la tabla periódica. En 1997, se nombraron formalmente desde el rutherfordio (Rf, Z = 104) hasta el meitnerio (Mt, Z = 109). Los elementos transmeitnéricos se nombran sistemáticamente utilizando los prefijos de la tabla, que identifican el número atómico, más la
terminación –io.
Nomenclatura sistemática
Dígito Prefijo Abreviatura
0 nil n 1 un u 2 bi b 3 tri t 4 quad q 5 pent p 6 hex h 7 sept s 8 oct o 9 en e
Medicina nuclear
Los marcadores radiactivos se usan para medir la funcionalidad de los órganos. El sodio 24 se emplea para monitorear el flujo sanguíneo, y el estroncio 87 para
estudiar el crecimiento óseo. El tecnecio 99 es el núclido radiactivo más ampliamente usado en medicina, principalmente para la gammagrafía ósea.
Efectos biológicos de la radiación (I)
La radiación nuclear también se denomina radiación ionizante porque es lo
suficientemente enérgica como para eyectar electrones desde los átomos. Por esto, este tipo de radiación puede dañar tejidos sanos. El daño depende de la fuente, el tipo de radiación y el período de exposición.
La radiación ionizante produce H2O+ al atravesar los tejidos, y luego:
H
2O
++ H
2
O —> H
3O
++ ∙OH
Requisitos de protección ante la radiación a, b y g
Radiación Poder de penetración relativo Protección requerida
a 1 Papel, piel
b 100 Aluminio de 3 mm
g 10.000 Hormigón, plomo
La dosis absorbida de radiación es la energía depositada en una muestra expuesta a radiación. La unidad SI de dosis absorbida es el gray, Gy, que corresponde a una energía depositada de 1 J.kg-1. Para evaluar el daño que una dosis dada de cada tipo
Efectos biológicos de la radiación (II)
La actividad de una muestra es el número de desintegraciones nucleares en un intervalo de tiempo dado, dividido por la longitud del intervalo. La unidad SI de actividad es el becquerel (Bq): 1 Bq es igual a una desintegración nuclear por segundo.
Unidades de radiación
Propiedad Nombre de la unidad Símbolo Definición
actividad curie
becquerel
Ci Bq
3,7 x 1010 desintegraciones por s
1 desintegración por s dosis
absorbida dosis absorbida de radiación gray rad Gy 10
-2 J.kg-1
1 J.kg-1
dosis
equivalente equivalente de roentgen en el hombre sievert
rem Sv
Q x dosis absorbida 100 rem
La dosis equivalente se obtiene multiplicando la dosis real (en gray) por el valor de Q para el tipo de radiación. El resultado se expresa en la unidad SI denominada
sievert (Sv): Dosis equivalente (Sv) = Q x dosis absorbida (Gy).
Medición de la velocidad
de desintegración nuclear (I)
La ecuación para la desintegración de un núcleo es:
Núcleo padre
→
núcleo hijo + radiación
La velocidad de desintegración nuclear depende solo de la identidad
del isótopo, no de su forma química ni de la temperatura. La ley de
velocidad para la desintegración nuclear es de primer orden. Es
decir, la
ley de desintegración radiactiva
es:
Actividad = velocidad de desintegración =
k
x
N
Medición de la velocidad
de desintegración nuclear (II)
La ley dice que la actividad es proporcional al número de átomos de la muestra. Una ley de velocidad de primer orden implica que la desintegración es exponencial. Es
decir, el número N de núcleos que permanecen después de un tiempo t está dado por: N = N0 e–k.t
(N0 = número de núcleos radiactivos a t = 0)
La desintegración radiactiva suele describirse en términos del período de semidesintegración (vida media), t½, el tiempo necesario para que se desintegre la mitad del número inicial de núcleos. Se observa la relación:
t½ = ln 2 / k
Vida media de isótopos radiactivos
Núclido Vida media, t½ Núclido Vida media, t½
Detección de la radiactividad
Contador Geiger
El contador Geiger
monitorea la radiación mediante la detección de la ionización de un gas a baja presión. La señal
eléctrica puede registrarse directamente o convertirse en un clic audible.
Una limitación de los contadores Geiger es que solo detectan un 1% de los fotones g en comparación con las partículas b incidentes.
El contador de centelleo usa sustancias fosforescentes como NaI y ZnS que generan un destello de luz – un centelleo – cuando se
exponen a la radiación. Esta luz es captada por un tubo fotomultiplicador, el cual convierte la luz en una señal eléctrica.
El dosímetro se utiliza para recolectar evidencia acumulativa de exposición a la radiación. Estos dispositivos contiene un material termoluminiscente como LiF. La radiación incidente desplaza a los electrones fuera de los F-, pero atrapados en el
cristal. Cuando este se calienta, los e- vuelven a los átomos de flúor emitiendo la
Fechado isotópico
En el fechado isotópico se mide la actividad de isótopos radiactivos que contiene una muestra para determinar su edad. La técnica más usada es la prueba de
carbono radioactivo, en la cual se utiliza la desintegración b del carbono 14.
Los núcleos de carbono 14 se producen cuando los núcleos de nitrógeno atmosférico son bombardeados por neutrones formados en las colisiones de rayos cósmicos con otros núcleos:
La relación 14C a 12C en la atmósfera tiende a ser
constante en el tiempo. El carbono 14 ingresa a los organismos vivos como 14CO
2 a través de la
fotosíntesis y la digestión, y abandona los
organismos a través de los procesos normales de
excreción y respiración, y también porque los núcleos se desintegran a una velocidad constante. Resultado, los organismos vivos presentan una relación 14C : 12C
≈ 1 : 1012. Cuando el organismo muere, deja de
intercambiar C con el entorno,
pero los núcleos de 14C presentes en el organismo
continúan desintegrándose con vida media constante, y la relación 14C : 12C disminuye.
En unos pocos mg de muestra, los C se convierten en C
-mediante bombardeo con Cs.
Algunos usos de los radioisótopos
Marcadores radiactivos para estudiar mecanismos de reacciones químicas y bioquímicas. Por ejemplo en la fotosíntesis:6 CO2(g) + 6 H218O(l) → C
6H12O6(s) + 6 18O2(g)
Detectores de humo: americio 243 ioniza las partículas de humo lo cual permite que fluya corriente que activa la alarma.
Esterilización de alimentos ya que la radiación destruye bacterias sin producir sustancias perjudiciales.
Impulsores de naves espaciales. Ejemplo: plutonio en el Voyager 2.
Estudios geológicos: fechado de rocas muy antiguas mediante la medición de radioisótopos de vida media larga como el uranio 238 (t½= 4,5 x 109 años) y elpotasio 40 (t½= 1,26 x 109 años).
El uranio 238 se desintegra a plomo 206, se mide entonces en la roca que contiene uranio la relación 238U a 206Pb. El potasio 40 captura electrones y se
Conversión masa-energía (I)
La teoría de la relatividad de Einstein establece que la masa de un objeto es una medida de su contenido energético según: E = mc 2
De esta relación se desprende que la pérdida de masa siempre se acompaña por la pérdida de energía.
En la década de 1930 se descubrió que la masa de un núcleo es siempre menor que la masa de los nucleones individuales de los que está compuesto. Esta diferencia se denomina defecto de masa. Su origen puede comprenderse considerando que es necesario agregar energía a un núcleo para descomponerlo en protones y neutrones individuales. Por ejemplo:
La energía de enlace nuclear, Eenl , es la energía que se necesita para separar un núcleo en nucleones individuales. Este valor por lo general se informa como la
Conversión masa-energía (II)
Se observa que los nucleones se encuentran entrelazados entre sí de manera más fuerte en los elementos cercanos al hierro y al níquel. Para todos los demás núclidos, la energía de enlace por nucleón es
menor.
Por esto, es posible inferir que los núcleos de los átomos
livianos se vuelven más
estables cuando se fusionan, y los núcleos pesados se
Fisión nuclear (I)
En el proceso de fisión nuclear, el núcleo original se rompe en dos o más núcleos más pequeños y se libera una gran cantidad de energía, la cual puede calcularse utilizando la ecuación de Einstein.
La fisión nuclear espontánea se produce cuando las oscilaciones naturales de un núcleo pesado causan su ruptura en dos núcleos de masa similar. Por ejemplo:
La fisión no sucede siempre de la misma
manera. Por ejemplo, se identificaron más de 200 isótopos de 35 elementos diferentes entre los productos de fisión del uranio 235. La
mayoría de estos tiene un número másico cercano a 90 o a 130.
Fisión nuclear (II)
La fisión nuclear inducida es la fisión provocada por el bombardeo de un núcleo pesado con neutrones. Los núcleos que pueden sufrir fisión inducida se denominan fisionables. En la mayoría de estos, la fisión se produce solo si los neutrones son muy rápidos, como en el caso del uranio 238. Por otro lado, los núcleos fisibles son núcleos que pueden escindirse incluso por neutrones lentos. Ejemplos: uranio 235, uranio 233 y plutonio 239, los combustibles de las centrales nucleares.
Reacción en cadena
Una vez que se induce la fisión nuclear, ésta puede continuar ya que la fisión produce más neutrones. Los neutrones son
intermediarios de propagación en una reacción en cadena ramificada.
Reactores nucleares
En un reactor nuclear el combustible (pastillas de UO2 enriquecido hasta un 3% de U 235) se coloca en barras largas que se insertan en un moderador (grafito, agua pesada, D2O y actualmente también agua ligera – reactores LWR), material que disminuye la velocidad de los neutrones. Estos neutrones lentos no inducen la fisión del material fisionable y son absorbidos con mayor facilidad por el
uranio 235 fisible. Las barras de control constan de elementos como el boro y el cadmio que ayudan a controlar el número de neutrones disponibles y por lo tanto la velocidad de la reacción nuclear.
Fusión nuclear
Se puede generar energía fusionando núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. Se emplea deuterio ya que estos se fusionan entre sí con mayor facilidad
porque los neutrones adicionales contribuyen a la fuerza fuerte y ayudan a capturar los protones que se aproximan. Para lograr las altas energías cinéticas necesarias para las colisiones exitosas, los reactores de fusión necesitan temperaturas > 108 K.
Un esquema de fusión es el siguiente:
D + D → 3He + n ; D + D → T + p
D + T → 4He + n ; D + 3He → 4He + p
Química de la energía nuclear
El más importante de los minerales de uranio es la pechblenda (uranita), UO2. Este mineral se refina para reducirlo a metal y enriquecerlo en uranio 235 (de 0,7% hasta casi 3%).
El procedimiento de enriquecimiento utiliza la pequeña diferencia de masa entre los hexafluoruros de uranio 238 y 235. Actualmente, éste se realiza con centrífugas de alta velocidad que hacen que las moléculas pesadas de 238UF
6 sean arrojadas al
exterior, y recolectadas como un sólido en las partes externas del rotor, dejando una alta proporción de 235UF
6 cerca del eje del rotor.
Desechos radiactivos (Cs 137 y Sr 90), protegidos bajo agua
