1.1 quimica nuclear [modo de...

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Química Nuclear

Alejandro Solano PeraltaAlejandro Solano Peralta

Estructura de la materiaEstructura de la materia (( I.I.Q.)Q.)

Química Nuclearo Descripción básica de la constitución

atómica.o Principales formas de desintegración nuclearo Tiempo de vida media o periodo de semi-

desintegración o Defecto de masa y energía de amarreo Fusión y fisión nuclearo El origen de los elementos químicos en el

universoo Aplicaciones energéticas y no energéticas

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La Química Nuclear La Química Nuclear le corresponde el estudio de las transformaciones radiactivas espontáneas, radioelementos naturales, elementos transuránicos, y efectos y separaciones isotópicas.

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Algunas definiciones¿Qué significa?

En química molecular;

En química nuclear;

Empleo de isótopos

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2

Descripción básica de la constitución atómica

Partícula Símbolo Masa (uma*) Numero de masa

Carga Espín

Electrón e- 5.846 x 10-4 0 -1 ½

Protón p 1.00727 1 +1 ½

Neutrón n 1.00866 1 0 ½

Fotón γ 0 0 0 1

Neutrino ν 0 0 0 ½

Positrón e+ 5.846 x 10-4 0 +1 ½

Alfa α [He2+] 4 +2 0

Beta β 5.846 x 10-4 [e-] 0 -1 ½

Gamma γ 0 0 0 1*unidad de masa atómica unificada (uma), o Dalton (Da) se define ser una duodécima parte de la masa de un átomo no enlazado de carbono-12, en reposo y en su estado base.

1 uma = 1/12 m (12C) ≈ 1.660538782(83) × 10−27 kg ≈ 931.494028(23) MeV/c2

Partículas subatómicas de relevancia en química nuclear

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El átomo en su conjunto y sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente neutro. El núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones que no poseen carga eléctrica.

Nucleídos o núclidos; es el conjunto de todas aquellas posibles especies nucleares de un elemento químico (protones y neutrones)

P. e. 12C o carbono -12Se suele utilizar una marca (letra, asterisco o tilde) para indicar que no es el núclido de menor energía.P. e. Nucleído Z(p) N(n) Masa

isotópica (u)Vida media

Isotopos Hijo

157Ta 73 82 156.96 10.4 ms 157hf157m1Ta (22 keV) 4.3 ms157m2Ta (1593 keV) 1.7 ms 153Lu

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El átomo en su conjunto y sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente neutro. El núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones que no poseen carga eléctrica.

Nucleón; Es toda aquella partícula constituyente del núcleo atómico: neutrones y protones. La suma de las cantidades de protones y neutrones presentes en el núcleo es la que determina el número másico "A". Pero, la masa del núcleo no es la suma de las masas de los nucleones.

p. e. 12C: 1.9926 x 10- 26 Kg (12 uma)6 p + 6 n = 2.0085 x 10- 26 Kg (12.10 uma)

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Radionúclidos; son elementos químicos con configuración inestable que experimentan una desintegración radiactiva que se manifiesta en la emisión de radiación en forma de partículas alfa o beta y rayos X o gama.

Radioisótopo; isótopo de un elemento químico que presenta radioactividad

Nucleótido hijo; producto de una reacción nuclear

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3


Clasificación de los nucleídosNúcleos atómicos con el mismo número de protones pero diferente numero de neutrones se denominados isótopos.

Carbono (…,12C, 13C, 14C,…)

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Clasificación de los nucleídosIsótopo Z n Masa atómica

(uma)Periodo de semi-desintegración

Espínnuclear

Abund. Nat. (%)

8C 6 2 8.037675(25) 2.0(4)E-21 s [230(50) keV] 0+9C 6 3 9.0310367(23) 126.5(9) ms (3/2-)10C 6 4 10.0168532(4) 19.290(12) s 0+11C 6 5 11.0114336(10) 20.334(24) min 3/2-12C 6 6 12 por definición ESTABLE 0+ 98.93(8)13C 6 7 13.0033548378(10) ESTABLE 1/2- 1.07(8)14C 6 8 14.003241989(4) 5.70(3) × 10³ años 0+15C 6 9 15.0105993(9) 2.449(5) s 1/2+16C 6 10 16.014701(4) 0.747(8) s 0+17C 6 11 17.022586(19) 193(5) ms (3/2+)18C 6 12 18.02676(3) 92(2) ms 0+19C 6 13 19.03481(11) 46.2(23) ms (1/2+)20C 6 14 20.04032(26) 16(3) ms [14(+6-5) ms] 0+21C 6 15 21.04934(54)# <30 ns (1/2+)#22C 6 16 22.05720(97)# 6.2(13) ms [6.1(+14-12) ms] 0+

Isótopos del carbono (12.0111 u)

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Clasificación de los nucleídosNúcleos de átomos diferentes pero con el mismo número de nucleones son nombrados isóbares

40K (19 p y 21 n) vs 40Ca (20 p y 20 n)

Núcleos de átomos diferentes con el mismo número de neutrones son llamados isótonos.

39K (19 p y 20 n) vs 40Ca (20 p y 20 n)

Núclidos con el mismo A, Z y n pero con distinto estado energético se conocen como isómeros.

99Tc (2.11 x 105 a, β, 99Ru) vs 99mTc (6.01 h, Conv. Interna, 99Tc)

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Reacciones nucleares

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Poder de penetración de las radiaciones radiactivas

Figura 3.23 Poder de penetración de las partículas α , β y γ

Denominación Partícula Velocidad Poder de ionización

Detenidos por

Rayos α 20 000 km/s alto Lámina delgada de Al (0,1 mm).

Rayos β 270 000 km/s bajo Lámina de Al de 3,0 mm de espesor

Rayos γ Emisión de energía electromagnética

300 000 km/s(velocidad de la luz)

muy baja capa de hierro de 30 cm de espesor

Tipos de radiación nuclear; partículas que provienen del núcleo

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Tipos de radiación nuclear;• Desintegración α;

Principales formas de desintegración nuclear

α+→ 42

22286

22688 RnRa

β+→ SnIn 11450

11449

γ+→ Co*Co 6027

6027

• Desintegración β;

• Emisión γ;

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Tipos de radiación nuclear;• Transmutación;

Principales formas de desintegración nuclear

( ) OpN

HOHeN178

147

11

178

42

147

, →+

+→+

α

ν+→+ − nep• Captura electrónica (captura K);

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RadiactividadLa radioactividad se define como la emisión de partículas (α, β,

neutrones) o de radiaciones (γ), o de ambas a la vez procedentes de la desintegración de determinados nucleídos que las forman, por causa de un arreglo en su estructura interna.

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5

RadiactividadLa radiactividad fue descubierta A. H. Becquerel en 1896 al estudiar

la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio y descubrió que emitía una radiación desconocida.

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RadiactividadEn la naturaleza existen sólo unos pocos

núcleos inestables y su descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad natural.

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En el laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial.

Radiactividad

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Estabilidad basada en números nucleónicos118 elementos conocidos

Isótopos ;80 elementos naturales

1310 isótopos obtenidos

300 isótopos son estables

Radiactividad

20

Isótopos radiactivos: Patrones de estabilidadTodos los núcleos con Z > 83 son inestablesValores de Z menor a 20 tienen relación neutrón / protón = 1

Arriba de 20, conforme Z se incrementa la relación neutrón / protón también se incrementa. p. e.

90Zr = 1.25, 120Sn = 1.4,200Hg = 1.5

6

Radiactividad

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Isótopos radiactivos: Estabilidad de núcleos

Protones Neutrones# Núcleos estables

impar impar 4

impar par 50

par impar 53

par par 164

R. Chang, Química, 9ª edic., Mc Graw-hill, 2007

Radiactividad

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Reacciones nucleares; Reglasa)El número de nucleones (protones más neutrones)

en los productos y en los reactivos tiene que ser el mismo (conservación del número de masa).

b)El número total de protones en los productos y en los reactivos tiene que ser igual (conservación del número atómico).

Radiactividad naturalEn la corteza terrestre existen 68 isótopos radiactivos. Los más importantes

son;• Potasio-40 (40K, 1.28 x 109 a), • Rubidio-87 (87Rb, 48.8 x 109 a),)• Uranio-235 (235U, 7.5 x 108 a),• Uranio-238 (238U, 4.47 x 109 a),• Torio- 232 (232Th, 1.41 x 1010 a),• Radio-226 (226Ra, 1.6 x 106 a),• Radon-222 (222Rn, 3.82 d),

Cadenas naturales:– Serie del uranio-235 (235U) compuesta por 17 radioisótopos– Serie del uranio-238 (238U) compuesta por 19 radioisótopos – Serie del torio-232 (232Th) compuesta por 12 radioisótopos.

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Radiactividad naturalLa dosis efectiva recibida por un individuo promedio procede de ; •88% de fuentes naturales. Radón-222, 48% de la dosis de radiación

recibida por un individuo promedio en todo el mundo se debe a su presencia (UNSCEAR, 2000, report, Vol. I, Annex B).

•12% a fuentes artificiales, •94,5% de aplicaciones médicas (diagnóstico y terapia)•5,5% por otras fuentes

– lluvia radiactiva, – centrales nucleares, – industrias no nucleares,– bienes de consumo, – ocupacional

Todos ellos constituyen, conjuntamente con la radiación de origen cósmico, la principal fuente de las radiaciones recibidas por los seres humanos. 24

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Disminución Radioactiva del Bismuto-210 (t½ = 5 días)

Tiempo de vida media o periodo de semi-desintegración

La vida media(T½) es la cantidad de tiempo necesaria para la disminución de la ½del material radioactivo.

La reacción de desintegración y el t½ de una sustancia son específicas alisótopo de un elemento que experimenta una disminución radioactiva.Bi-210 (decaer α a Tl-206); t½ = 5 días.Bi-215 (decaer β a Po-215); t½ = 7.6 minutosBi-208 (captura electrónica); t½ = 368,000 años

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Cantidad de tiempo necesaria para la disminución de la ½ del material radioactivo.

[ ]0xdtdx

⋅=− λ Cinética de 1er ordenDonde λ es la cte. de integración

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[ ]0xdtdx

⋅=− λ

Si t = t1/2[x]=1/2[x ]0

[ ] dtxdx ⋅=− λ

0

[ ][ ][ ] txx

dtxdx

⋅=

⋅=− ∫∫

λ

λ

0

0

ln[ ][ ]

[ ]

[ ] [ ][ ]

λλ

λ

λ

693.02ln

ln

2/1

02/1

0

2/1

0

2/10

0

2/10

0

==

⋅=−

⋅=− ∫∫

t

tx

dtxdx

txx

tx

x

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Periodo de semi-desintegración

Nucleótido t1/2 Proceso Producto

hij@209Bi 1.9 x 1019 años Disminución α 205Tl210mBi 3.04 x 106 años Disminución α 206Tl

Bi-208 3.68 x 105 años Captura e- 208Pb

210Bi 5 días Disminución α 206Tl

Bi-215 7.6 min. Decaimiento β 215Po

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8

Periodo de semi-desintegraciónNucleótido T1/2 Nucleótido T1/2

Uranio – 235 7,038 x 108 años Calcio – 41 1,03 x 105 años

Uranio – 238 4,468 x109 años Cesio – 137 30,07 años

Rubidio – 87 4,88 x 1010 años Cobalto – 60 5,271 años

Radio – 226 1602 años Radón – 222 3,82 días

Estroncio – 90 28,90 años Yodo – 131 8,02 días

Potasio – 40 1,28 x 109 años Cadmio – 109 462,6 días

Carbono – 14 5730 años Oxígeno – 15 122 segundos

Bismuto - 207 31,55 años34 mol

J10 x 73.1mols

mKg10 x 1.73

molparticulas6.023x10

sm2.9979x10

1umakg1.660x10uma1.93x10E

112

211

2328

-273-

=⋅=

=∆

Deuterio(2D);mneutrón= 1,00866 uma (1.67482 x 10-27 kg) m protón =1,00727 umamDeuterio; 2.01593 (teo) vs 2.0140 (exp)∆mDeuterio; 0.00193 uma

Defecto de masa y energía de amarre

Esta diferencia de masa (defecto de masa) entre ambas especies sedebe a la transformación de la masa en la energía que mantiene unidosal protón y al neutrón en el núcleo y se denomina energía de amarre.Dicha energía es la que se aprovecha al romper los núcleos atómicos .

EinsteinE = mc2

1 uma = 931.5 MeV

E = mc2 ∴ ∆E = ∆mc2

Como para hervir 100,000 kg de agua 39

nucleónMeV 5317.7

nucleónJ10x2067.1

nucleones 19J10 x 2.2928E

12

-11

nucleón

=

=

=

−


Nos indica cuánta masa perdió en promedio cada nucleón presente en el núcleo, y nos da idea de cuán "pegados" están los nucleones entre sí. Cuanto más grande es la energía de unión por nucleón, más agarrados están unos a otros y más difícil es separarlos o que se descompongan (desintegrar).

uma) (18.99840 Fp.e. nucleones de numero

unión de energíaE

199

nucleón =

40

1 J = 6.241509 x 10+18 eV


Energía de amarre por nucleón

41

9


Gráfica de la energía de amarre (negativa) de los núcleos en función del número atómico

El hierro (Fe) es el elemento con mayor déficit de masa, o sea conla mayor energía de amarre: por esta razón el hierro es el elementomás estable de la Naturaleza

42


A.S.P.

Energía de amarre por nucleón

Defecto de masa y energía de amarre Energía de amarre por nucleón

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

20Ne98Mo

12C10B

7Li

4He

1H

56Fe

E amar

re (M

eV)

No. de Nucleones

Reacciones nucleares artificiales: Fusión y fisión nuclear

Fisión Nuclear: En 1934, Enrico Fermi, bombardeo uranio con neutrones.

Son reacciones en las cuales un núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, soltando una gran cantidad de energía en el proceso

Fusión Nuclear: son reacciones en las cuales dos o más elementos se “fusionan” o unifican para formar un elemento más grande, soltando energía en este proceso.

Referidas como reacciones termonucleares. No generan productos radiactivos.Son difíciles de mantener

50

10


Fusión nuclear; si dos núcleos con numero de masa menores a 56 se mezclan para producir un nuevo núcleo con mayor energía de unión, el exceso de esta energía se libera.

∆E = 34 MeV

Fisión nuclear; para núcleos con numero de masa mayor de 56 , la energía de unión puede liberarse cuando estos se dividen en productos mas ligeros .

∆E = 34MeV

∆E = 200 MeV

CaNe 4020

20102 →

nSrXeU 39338

14054

23692 ++→

nproductosnU +→+23592

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El origen de los elementos químicos en el universo

Big Bang (gran explosión);Densidad ≈ 1096 g/cm3

Temperatura ≈ 1032 K

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11

Abundancia de los elementos químicos en la tierra.

Abundancia relativa de los elementos químicos en la corteza continental superior de la Tierra

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Abundancia relativa de los elementos químicos en el cuerpo humano.

Elemento Proporción en masa (%)

Oxígeno 65Carbono 18Hidrógeno 10Nitrógeno 3Calcio 1.5Fósforo 1.2Potasio 0.2Azufre 0.2Cloro 0.2Sodio 0.1Magnesio 0.05Hierro, Cobalto, Cobre, Zinc, Iodo menos de 0.05 cada uno

Selenio, Flúor menos de 0.01 cada unoR. Chang (2007), Química,McGraw-Hill. pp. 52

95 - 96%

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Triple Alfa (α)Fusion del He

Nucleogénesis; formación de elementos ligeros a partir hidrogeno- Cadena pp- Ciclo CON- Triple alpha

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Elementos pesados; nucleosíntesis.nucleosíntesis estelar (haciendo núcleos en las estrellas)Durante la vida de una estrella pueden formarse elementos pesados, pero sólo hasta el hierro. Pero en supernovas, debido a las altas temperaturas y altas presiones, se forman elementos pesados mediante dos procesos;- Proceso S (captura lenta de neutrones)

- Proceso R (captura rápida de neutrones)

59

12


Elementos pesados; nucleosíntesis.nucleosíntesis estelar (haciendo núcleos en las estrellas)- Proceso S (captura

lenta de neutrones)- No hay

abundancia de neutrones

- Pasan millones de años

- Forma normalmente elementos estables

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Elementos pesados; nucleosíntesis.nucleosíntesis estelar (haciendo núcleos en las estrellas)- Proceso R (captura

rápida de neutrones)- Ocurre durante en

supernova tipo II- se producen

neutrones por captura K

- Es común formar isotopos inestables

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Elementos pesados; nucleosíntesis.nucleosíntesis estelar (haciendo núcleos en las estrellas)

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Aplicaciones; El Espectrómetro de masas

La relación q/m de ionespositivos puede determinarsesiguiendo un método análogo alutilizado por J. J. Thomson paralos rayos catódicos.

El aparato construido en 1919por A. J. Dempster y W. F. Aston

Es el método actual más preciso para determinar masas atómicas (presencia de isótopos, ...)

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Aplicaciones energéticas y no energéticas

REACTORES

Diseño del reactor de fisión asistida por acelerador

Myrrha (2014)64


REACTOR (Laguna verde, Veracruz)

El UniversalJueves 01 de marzo de 2012http://www.eluniversal.com.mx/finanzas/93431.html

1350 Mwatts (3.6 % del total nacional)

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Radioisótopos utilizados en medicina

Isótopo t1/2 EDec (MeV) Observaciones

60Co 5.271 años 1.17 y 1.33 Es un emisor γ; se usan para destruir células cancerígenas.

131I 8.04 días 0.971 El paciente ingiere el I; se usa para tratar el cáncer de tiroides.

123I 13.2 horas 0.159Es una fuente intensa de rayos γ que no emite partículas beta dañinas; Muy eficaz para obtener imágenes de las glándulas tiroideas.

99mTc 6.01 horas 0.1405 Emisor de rayos γ; se inyecta en el paciente y este isótopo se concentra en los huesos, radiodiagnóstico de huesos. 66

BibliografíaA. Chamizo & A. Garritz, “QUÍMICA TERRESTRE (La ciencia para todos 97) ”, 1995, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA.https://www.webelements.com/S. Escalante, L. Gasque (2012), Educ. Quim., 23, 62

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