Química Nuclear

Prof. Sergio Casas-Cordero E.

Los átomos tienen un diámetro de 0.1-1.0 nm (1x10-9 m) El núcleo (donde están lo protones y neutrones) tiene un

diámetro de alrededor de 10-15 m.

Tamaño del átomo

Relación núcleo/átomo = 1x10-9m/1x10-15m = 1x106 m

El núcleo; un millón de veces más chico que el átomo

Isótopos:Son átomos del mismo elemento que difieren únicamente en el número de neutrones en el núcleo.

Masa atómica:También se conoce con el nombre de peso atómico. Es una masa relativa promedio de los isótopos de un elemento, basados en un valor de la masa atómica del C-12 exactamente igual a 12 uma.

1469223892Uranio

238

1439223592Uranio

235

Nº Neutrones

Nº Protones

AZIsótopo

Ejemplos de dos Isótopos del Uranio

Notación isotópica

XA

Z

C

protonesAneutrones

neutronesprotonesA

−=+=

Nº másico

Nº atómico

Carga del ión

En la notación

El número atómico, Z es 6 El número de masa, A es 14 El número de protones es 6. El número de neutrones puede ser calculado de la

fórmula

C146

A = p + n; n = A – p

n = 14 - 6 = 8 neutrones

Ejemplo de isótopos del Hidrógeno:

211Tritio

111Deuterio

011Protio

Nº de neutronesNº de electronesNº de

protonesIsótopo

Prof. S. Casas-Cordero E. 9

Peso Atómico

Es el peso promedio de todos los isótopos de un elemento en relación con el peso de un átomo del isótopo más común del carbono (12C) al cual, por convención, se le asigna el valor entero de 12; iguala aproximadamente al número de protones más neutrones del núcleo de un átomo.

1 2

% ab x masa % ab x masa peso atómico = ...

100 100is is

+

∑

=

i100

masa x abundancia %atómico peso

Ejemplo: El Silicio existe en la naturaleza, como tres isótopos medianamente estables;

+

+

=

100

3.09x29.97

100

4.70x28.98

100

892.21x27.9PA

29,973.0930Si

28,984,7029Si

27,9892,2128Si

Masa (uma)% de Abisótopo

uma 28.09 PA =

¿cuánto es su peso atómico?

Símbolos de Seguridad

Producto agrícola irradiado Producto radiactivo

Áreas de Aplicación de la energía Nuclear

Medicina Agricultura Control de Calidad Arqueología Geología Espacio

Energía Eléctrica Industria química aeronáutica Minería Industria Militar otros

1896 primer RX humano

Partículas radiantes

Nombre Símbolo Naturaleza Carga Masa velocidad

Alfa α Núcleos de Helio

+2 4 1/10 de c

Beta β Electrones -1 0,00005próxima a

c

Gamma γRadiación

electromagnética

0 0 c

Recuerde que c, velocidad de la luz, es 300.000 km/s

Balance de las ecuaciones nucleares

1. Conservar el número de masa (A).

La suma de protones más neutrones en los productos debe igualar la suma de protones más neutrones en los reactantes

1n0U23592 + Cs138

55 Rb9637

1n0+ + 2

235 + 1 = 138 + 96 + 2x1

1. Conservar el número atómico (Z) o carga nuclear.

La suma de las cargas nucleares de los productos debe igualar la suma de las cargas nucleares de los reactantes

1n0U23592 + Cs138

55 Rb9637

1n0+ + 2

92 + 0 = 55 + 37 + 2x0

Utilizando la Tabla periódica;¿A qué debe corresponder X, Y, Z y J?

Respuesta: X = He-4 Y = beta Z = gamma J = Pb-206

Comparación de las reacciones químicas con las 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 participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales.

2. Sólo los electrones de los orbitales atómicos o moleculares participan en la ruptura y formación de enlaces.

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

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

Reacciones nuclearesReacciones químicas

AlbertEinstein

y la EnergíaNuclear

La Energía Radiante

El orden de magnitud de la energía emitida viene dada por la Ecuación de Albert Einstein

E = ∆mc2

Energía = masa x velocidad de la luz al cuadrado

Todas las reacciones nucleares, emiten o liberan grandes cantidades de energía

La variación de sólo 1,0 gramo de masa de material radiactivo supone Energías del orden de 9x1010 KJ

Esta cantidad es casi el triple de la Energía que liberan la combustión de 1000 toneladas de Carbón,

C(s) + O2(g) CO2(g) ΔH° = -393,5 KJ/mol

Comparando una reacción nuclear con una combustión:

90.000.000.000 KJ

3,27x1010 KJ 32.700.000.000 KJ

¿Qué energía se libera desde un mol de U-235, en la siguiente reacción nuclear?

masas atómicas (uma):U-235 = 235,0439; Sr-94 = 93,9154; Xe-139 = 138,9179; n = 1,0087

n3 Xe Sr n U 10

13954

9438

10

23592 ++→+

Masa productos = 93,9154 + 138,9179 + 3 x 1,0087 = 235,8594

Masa reactantes = 235,0439 + 1,0087 = 236,0526

∆m = (235,8594 – 236,0526) = - 0,1932

2sm8-32 )(3x10 x Kg 0,1932x10 c x m E =∆=

KJ 1,74x10 )( x Kg 1,7388x10 E 102sm13 ==

¿Cómo se logra esta Energía?

Reacción de Fisión

Reacción de Fusión

eHeHHe

HeHH

eHHH

01

42

11

32

32

21

11

01

21

11

11

+→+

→+

+→+

La búsqueda de Estabilidad

Franja de Estabilidad

REGLAS DE ESTABILIDAD

No existen reglas precisas que permitan predecir si un núcleo particular es radiactivo o no y el modo en que se desintegraría. Todo lo que hay son observaciones empíricas que las podemos resumir de la siguiente forma.

1. Todo núcleo con más de 84 protones (Z > 84) es inestable. Por ejemplo, 92U238 es inestable, todos sus isótopos son inestables, todos son radiactivos como se ha comprobado experimentalmente. Se desintegran de manera espontánea y con diferente rapidez.

2. Núcleos de isótopos con un total de 2, 8, 20, 50, 82, 126 protones o neutrones, son generalmente más estables que sus vecinos de la Tabla Periódica. (NÚMEROS MÁGICOS)

Estabilidad de isótopos

Nº atómico isótopos estables

18 3

19 2

20 20

21 No hay

3. Núcleos con número par de protones y par de neutrones son más estables que los asociados con impares.

Cantidad de isótopos estables en la TP.

Protones Neutrones

157 Par Par

52 Par Impar

50 impar Par

5 impar Impar

Esta observación experimental proviene del hecho que los átomos no poseen una relación 1:1 para n/p sino que:a) Para los elementos livianos (desde Z = 1 a 10) se cumple n/p = 1

b) Para elementos pesados (Z alrededor de 83) se cumple n/p = 1,53

4. La estabilidad de un núcleo puede correlacionarse perfectamente con la cantidad de protones y neutrones, según la razón neutrones / protones en cada átomo.

La estabilidad de cualquier núcleo, se logra por la emisión de partículas.

Aquellos núcleos que poseen una relación neutrón/protón mayor que 1, transforman un neutrón según el siguiente proceso

β01

11

10 −+→ pn

Si la relación neutrón/protón es menor que 1, la estabilidad se logra por;

β01

10

11 ++→ np

¿Esperaría usted que los núcleos de

2He4, 20Ca39, 85At210

fuesen radiactivos?

Aplicando las ReglasHe : Nº mágico 2, ambos son par, razón n/p = 1 entonces debe ser ESTABLE

Ca: Nº mágico 20 y con cantidad par de p e impar para n, razón n/p = 0,95 entonces se debe SOSPECHAR INESTABLE

At : sin Nº mágico, cantidad impar- impar para n-p, Z > 83, razón n/p = 1,47 entonces debe ser RADIACTIVO

SERIES RADIACTIVAS

Algunos núcleos como U-238 no logran ingresar a la Franja de Estabilidad por una sola emisión, sino después de una serie de emisiones sucesivas.La figura siguiente muestra la manera como esto ocurre, partiendo por U-238

Serie del Radio

TIEMPOS DE VIDA MEDIA t½

Se entiende por tiempo de vida media lo que demora una muestra radiactiva en tener la mitad de su radiación inicial. Claramente, estos valores no tienen que ser similares. Ej. En las series radiactivas que terminan en Pb - 206, hay valores que abarcan desde millones de años hasta varios segundos.

t ½ para Estroncio - 90

t½ para Molibdeno - 99

t ½ para Uranio - 238

Ecuación de relación t ½

ln(No/N) = 0,693 t / t ½ donde

t ½ : es el tiempo de vida media No : cantidad inicial de muestra N : cantidad que permanece a tiempo t 0,693: es logaritmo natural de 0,5