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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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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Descripción básica de la constitución atómica
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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Descripción básica de la constitución atómica
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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Descripción básica de la constitución atómica
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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Descripción básica de la constitución atómica
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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Descripción básica de la constitución atómica
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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Descripción básica de la constitución atómica
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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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
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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
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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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Disminución Radioactiva del Bismuto-210 (t½ = 5 días)
Tiempo de vida media o periodo de semi-desintegración
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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Disminución Radioactiva del Bismuto-210 (t½ = 5 días)
Tiempo de vida media o periodo de semi-desintegración
[ ]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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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
=
=
=
−
Defecto de masa y energía de amarre
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
Defecto de masa y energía de amarre
Energía de amarre por nucleón
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Defecto de masa y energía de amarre
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
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Defecto de masa y energía de amarre
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
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Reacciones nucleares artificiales: Fusión y fisión nuclear
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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Reacciones nucleares artificiales: Fusión y fisión nuclear
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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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El origen de los elementos químicos en el universo
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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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El origen de los elementos químicos en el universo
Triple Alfa (α)Fusion del He
Nucleogénesis; formación de elementos ligeros a partir hidrogeno- Cadena pp- Ciclo CON- Triple alpha
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El origen de los elementos químicos en el universo
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)
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El origen de los elementos químicos en el universo
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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El origen de los elementos químicos en el universo
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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El origen de los elementos químicos en el universo
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
Aplicaciones energéticas y no energéticas
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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Aplicaciones energéticas y no energéticas
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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