Quimica Nuclear
Transcript of Quimica Nuclear
Ecuaciones nucleares
El bombardeo de aluminio-27 por las partculas alfa produce fsforo-30 y una otra partcula. Escribe la ecuacin nuclear e identifica la otra partcula. 27 13 4 2 30 15 1 0
Al
+
E l
P
+
n
Se puede producir el plutonio-239 por bombardear el uranio-238 con las partculas alfa Cuntos neutrones sern producidos como subproducto de cada reaccin. Escribe la ecuacin nuclear para esta reaccin. 238
U 92
+
4
l 2
239
? PU + 4 0 n 94
1
Fisin
FISIN
Istopos inestables
y
+o ncleo emocionado ncleo estable Energa Radiacin Partculas
Kelter, Carr, Scott, qumica un mundo de las opciones 1999, pgina 439
Ncleo inestable
Zumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 620
U-235 fisionable
Proceso de la fisin
Zumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 620
Proceso de la fisin
Ncleo Neutrn Dos neutrones de la fisin
Zumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 620
Etapas de la fisin
Primera fase: 1 fisinKelter, Carr, Scott, qumica un mundo de las opciones 1999, pgina 454
segunda fase: 2 fisiones
tercera etapa : 4 fisiones
Centrales nucleares
Centrales nucleares
mapa: Instituto de la energa nuclear
Fuentes de energa en los Estados Unidos100 8091 71 50 40 21 9 5 3 10 20 10 26 16 21 26 70 58 50
por ciento
60 40 20 0
1850 Madera
1900 Carbn
1940
el an o 80
1990
2005
Petrleo/gas natural
Hidrulico y nuclear
Zumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 307
Fuentes de energa en los Estados Unidos100 8091
por ciento
60 40 20 0
50
19 19 9 7 3 3
1850 Carbn Hidroelctrico Petrleo gas natural Nuclear
2005
Reanudable (biomasa, geotrmica, solar, viento)
Fuente: La administracin de la informacin de la energa de los E.E.U.U. (produccin elctrica 2005)
Centrales elctricas estatales con carbn
Leyenda Central elctrica existente Central elctrica propuesta Ciudad
Centrales Nucleares Estatales
Central elctrica del carbn
de los derechos reservados Pearson 2007 Benjamin Cummings. Todos los derechos reservados.
Central nuclear
Zumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 621
Ncleo del reactor
refrigerante caliente Palancas de mando de sustancia de absorcin de neutrn Uranio en cilindros de combustible
refrigerante entranteZumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 622
Central nuclear
Produccin de calor
Produccin de electricidad
de los derechos reservados Pearson 2006 Benjamin Cummings. Todos los derechos reservados.
Canto de los trabajadores radiactivosNo tenemos miedo del rayo alfa. Una hoja de papel lo mantendr ausente! Un rayo beta necesita mucho ms cuidado, Coloque las hojas del metal aqu y all. Y en cuanto al rayo gama de gran alcance (Tenga mucho cuidado a lo que decimos) A menos que usted desee pasar semanas en cama Escndase de las losas gruesas de plomo! los neutrones rpidos pasan a travs de todo. Las losas de la cera se quitan su picadura repugnante. stos los retrasan, e incluso un imbcil Sabe que pueden ser absorbidos por el boro. Recuerde, recuerde todo lo que hemos dicho, Porque no es ningn uso que recuerde cuando est muerto.
Dentro de una central nuclear.
Eje
Eliminacin de residuos nucleares
depsitos a lasuperficie Aquifier Ro
capa de la roca Interbed
formacin de roca husped Depsito paquete de residuo capa de la roca Interbed Aquifier Roca de fondo Forma de residuo
Zumdahl, Zumdahl, DeCoste, mundo de la qumica 2002, pgina 626
Vida Media
Vida Media
20 g 10 g 5g Comienzo Despus de 1 vida media Despus de 2 vidas medias 2.5 g despus de 3 vidas medias
Dorin, Demmin, Gabel, qumica el estudio de la 3ro edicin de la materia, pgina 757
emisiones F 131
I
89.9%
7.3%
131
Vida Media
53
Xe*
54
emisiones K 131
Xe
54
0.500 magnesios131
magnesio 1.00131 53
54
Xe
0.750 magnesios 0.875 magnesios
I
0.500 magnesios131 53
I
0.250 magnesios 16.04 das
0.00 das
8.02 das
0.125 magnesios 24.06 das
131
I 53
131
Xe 54
+
0
F -1
+
K
Dorin, Demmin, Gabel, qumica el estudio de la 3ro edicin de la materia, pgina 757
Vida Media de la RadiacinCantidad inicial del radioistopo 100 Despus de 1 vida media
Radioistopo restante (%)
Despus de 2 vidas medias 50 Despus de 3 vidas medias
tel 1/225 12.5
tel1/2
tel 1/2
01234
Nmero de vidas medias
Diagrama de la vida media20
Cantidad de yodo-131 (g)
15
La vida media de yodo-131 es 8 das
1 vida media 10
2 vidas medias 5 3 vidas medias 4 vidas medias 0 0 8 16 24 32 40 48 56 etc
Tiempo (das)Timberlake, qumica 7th Edicin, pgina 104
Vida Media de istoposVida media y radiacin de algunos radioistopos naturales Istopo vida media carbono-14 Potasio-40 Radn-222 Radio-226 Torio-230 Torio-234 Uranio-235 Uranio-238 radiacin emitida F KHIPHIPF E KHIPHIPE KHIPHIPE KHIPHIPF KHIPHIPE E
5.73 x 103 aos 1.25 x 109 aos 3.8 das 1.6 x 103 aos 7.54 x 104 aos 24.1 das 7.0 x 108 aos 4.46 x 109 aos
Vida media (t) /1 21/1
1/
Argn Calcio
Cociente de los tomos restantes de Potasio-40 a los tomos originales de Potasio-40
Potasio
El tiempo necesario para que la mitad de los tomos de un nclido radiactivo decaigan. Vida media ms corta = menos estable.roca recin formadael 1/2
4
1/
8
1/
16
1/4
1/8 1/16 0 0 1 vida media 1.3 2 vidas medias 2.6 3 vidas medias 3.9 4 vidas medias 5.2
Tiempo (mil millones de aos)
Vida Media (t) El tiempo necesario para que la mitad de los tomos de un nclido radiactivo decaigan. Vida media ms corta = menos estable.Cociente de los tomos restantes Potassium-40 a los tomos originales Potassium-401/1 Potasio Argn Calcio Recin formado roca
el 1/2
1/4 1/8 1/16 0 0 1 perodo 1.3 2 perodos 2.6 3 perodos 3.9 4 perodos 5.2
Tiempo (mil millones de aos)
Copyright el Pearson Education, Inc., publicando como Benjamin Cummings
Cunto queda?Despus de una vida media 1/2 de los tomos originales qudean. Despus de dos vidas medias , x1 4 = 1/(22) = de los tomos originales quedan. 1x Despus de tres vidas medias , del 8 del x = 1 (23) = de los tomos originales q
1= Despus cuatro vida media , x x x 16 1/(24) = de los tomos originales qudean
Despus cinco vidas medias , x x x x1 = 1/(25) = de los tomos originales q 32
1 medias, Despus seis vidas medias x x x x x = 1/(26) = de los tomos originales 64
Acumulacin 1 de istopos 2 hija 1 4 1 istopos 8 sobrevivientes padrePrincipio
1
16
1
32
1
64
1
128
1 vida media 2 vidas medias vidas medias 4 vidas medias5 vidas medias 6 vidas medias 7 vidas medias 3
1. Un pequeo pedazo de Quemar crea el gas de 2. fsil se quema adentro dixido de carbon abarcado de istopos de carbono-12 de un horno especial. e istopos de carbono-14.Istopo Estable C-12 CDecaimiento Del Istopo C-14 CNitrgeno
3. Como el carbnoElectrn 14 decae en Nitrgeno-14, emite un electrn. 4. Un contador de radiacin anota el nmero de los electrones emitidos.
Nota: no es escala correct.
FUENTE: Colaboracin para la educacin PERRY/Unin-Tribuna MATES del NDT
El nclido de yodo-131 tiene una vida media de 8 das. Si originalmente tienes una la muestra de 625-g, despus de 2 meses tendrs aproximadamente cunto? a. b. c. d. e. 40 g 20 g 10 g 5g menos de 1 g Tabla de los datos: Decaimiento de vida meCantidad Tiempo # de vidas medias
N = No(1/2)nN = cantidad restante No = cantidad original n = # de vidas medias
625 g 312 g 156 g 78 g 39 g 20 g 10 g 5g 2.5 g g 1.25
0d 8d 16 d 24 d 32 d 40 d 48 d 56 d 64 d 72 d
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
N = (625 g) (1/2)7.5 N = 3.45 g
Asume 30 das = 1 mes 60 das 8 das = 7.5 vidas medias
Dado que la vida media del carbono-14 es 5730 aos, considera una muestra de madera fosilizada que, cuando est viva, habra contenido 24 g de carbono-14. Ahora contiene 1.5 g del carbono-14. Cunto tiempo tiene la muestra? Tabla de los datos: Decaimiento de la vida m
N ln = - k t No ln 2 tel 1/2 = 0.693 k5730 y =
Cantidad
Tiempo
# de vidas medias
24 g 12 g 6g 3g 1.5 g
0a 5.730 a 11.460 a 17.190 a 22.920 a
0 1 2 3 4
0.693 k 1.5 (1.209x10-4) t g ln = 24 g t = 22.933 aos
k = 1.209 x 10-4
Clculos de prctica de la vida media La vida media del carbono-14 es 5730 aos. Si una muestra contuvo originalmente 3.36 g de C-14, cunto est presente C-14 0.21 g despus de 22.920 aos? Oro-191 tiene una vida media de 12.4 horas. Despus de un da y 13.2 horas, 10.6g de oro-19 queda en una muestra. Cunto oro84.8 g Au-191 191 estaba presente originalmente en la muestra? Hay 3.29 g de yodo-126 que quedan en una muestra que contuvo originalmente 26.3 g de yodo-126. La vida media de yodo-126 es 39 das de viejo 13 das. Cunto tiempo tiene la muestra? Una muestra que contuvo originalmente 2.5 g de rubidio-87 ahora contiene 1.25g. La vida media de rubidio-87 es 6 x 1010 aos. Cunto tiempo tiene la muestra? Es posible? Por 6 x 1010o por qu s aos qu no?
(60.000.000.000 mil millones de aos ) Cuntos aos tiene la Tierra???
Demostracin: Intenta cortar una cuerda por la mitad siete veces (si comienza la lo
La vida media del carbono-14 es 5730 aos. Si una muestra contuvo originalmente 3.36 g de C-14, cunto est presente despus de 22.920 aos?
Tabla de los datos: Decaimiento dla vida med tel 1/2 = 5730 aosCantidad Tiempo # de vidas medias
n=
22.920 aos 5.730 aos
3.36 g 0a g 1.68 5.730 a 0.84 g 11.460 a 0.42 g 17.190 a 0.21 g 22.920 a
0 1 2 3 4
n = 4 vidas medias (# de las vidas medias) (vida media) = edad de la muestra (4 vidas medias) (5730 aos) = edad de la muestra 22.920 aos
Vida MediaHoja de trabajo de la vida media
Serie de decaimiento
Decaimiento radiactivo de uranio238 234 230 Nmero de masa 226 222 218 214 210 2064.5 x 109 a 24 d 1.2 m 2.5 x 105 a 8.0 x 104 a y 1600 3.8 d 3.0 m 27 m 160 QW 5.0 d 138 d estable Rn-222 Th-234
E
U-238
Pa-234 F U-234
F
E
ERa-226
Th-230
E E EPo-218
Pb-214
Bi-214
F F
Po-214
FPb-210
EBi-210
Po-210
FPb-206
E
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
Nmero atmico
140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Estabilidad NuclearEl decaimiento ocurrir tal como un ncleo vuelve a la banda (lnea) de estabilidad.
Neutrones (n)
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Protones (z)
de los derechos reservados Pearson 2007 Benjamin Cummings. Todos los derechos reservados.
Banda de EstabilidadNmero de neutrones
160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
n=p
Nclidos estables Nclidos radiactivos naturales Otros nclidos conocidos 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Nmero de protones
140
130
BI N 83 !1.52 Z 184
209
decaimiento E
120
W
110
N !1.49 Z
74
100
90
Neutrones (n)
decaimiento F80 107 70 47
AG
N !1.28 Z
60
50 56 40 26
FE
N !1 Z
30
N !1.15 Z
20 20 10
emisin de positrn y/o captura de electrnNe N 10 !1.0 Z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Protones (z)
140209
BI
decaimiento E
130
N !1.52 Z 184
83
120
W
110
N ! 1.49 Z
74
Estabilidad NuclearEl decaimiento ocurrir tal como un ncleo vuelve a la banda (lnea) de estabilidad.
100
90
decaimiento F Neutrones (n)80107
AG
70
N ! 1.28 Z
47
60
5056
FE
40
N !1 Z
26
30
N ! 1.15 Z
2020
emisin de positrn y/o captura de electrn
Ne
10
N ! 1.0 Z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
10
Protones (z)
Vidas medias de algunos istopos del carbnnclido Carbono-9 Carbono-10 Carbono-11 Carbono-12 Carbono-13 Carbono-14 Carbono-15 Carbono-16 Vida media 0.127 s 19.3 s 10.3 m Estable Estable 5715 a 2.45 s 0.75 s
Ampliacin de parte de la banda de la estabilidad alrededor del nen23 1023 10
NeNe23 11
Ne traslada a la banda de23 10 Ne
estabilidad por decaimiento beta.p0 -1F
22 10
Na
23 11Na
19 10
Ne traslada a la banda de estabilidadpor la emisin de positrn. La captura 19 de electrn tambin se movera 9F 19 en la banda de la estabilidad. 919 10 Ne
21 10
Ne Ne
F
20 10
p 0F 1
19 9F
19 10
Ne
Umland y Bellama, qumica general 2nd Edicin, pgina 773
Efectos de emisiones radiactivas en el protn y los neutrones
Nmero de protones
4 Prdida de e 2H
Prdida -0 e de 1
0 Prdida de o 1e captura de electrn
Nmero de protones
Decaimiento nuclearabsorcin, bombardeo vs. la produccin, emisin223 88
Ra14 7
4 2
E
2+
+17 8
219 86
Rn1 1
2 1
H
+
3 1
H
4 2
l
+
1 0
n
4 2
E
2+
+
N0 -1 F
O +87 38
H
2 1
H
+
2 1
H
4 2
l
87 37
Rb
+
Senior
14 6
C
0 -1 F
+
17 7
N
Gamma4 2
beta protn0-1 F
alfa0 +1
positrn neutrn0 0
E
2+
F
K
1 0
n
1 1
H
1+
Unidades usadas en la medida de la radiactividadUnidades Curie (c) Becquerel (Bq) Roentgens (r) Rad (rad) Medidas decaimiento radiactivo decaimiento radiactivo exposicin a la radiacin ionizante absorcin de energa causada por la radiacin ionizante efecto biolgico de la dosis absorbida en seres humanos
Rem (rem)
Efectos de la dosis instantnea de la radiacin de Cuerpo-Total en la genteDosis, SV (rem) >10 (1000) efecto
Muerte dentro de 24 h de la destruccin del sistema neuro
Alexander Litvinenko
7.5 (750)1.5 - 7.5 (150 - 750)
< 0.5 (50)
Muerte dentro de 4 a 30 d de la hemorragia gastrointestina Cuidado intensivo de hospital requerido para sobrevivir. A extremo ms alto de la gama, la muerte a travs de la infe como resultado de la destruccin de los rganos que form ocurre generalmente 4 a 8 semanas despus del accident Los que sobreviven este perodo se recuperan generalmen nido efecto probado es la disminucin de la cuenta de gl
La intensidad de la radiacin es proporcional a 1/d2, en lo cual d es la distancia de la fuente.
Emisin alfa, beta, positrnEjemplos de los procesos del decaimiento nuclearemisin E (alfa)238 92
emisin F (beta)234 90
emisin F (positrn)27 13 35 17
U p 4 He 2
ThRa Rn
27 12
Mg p -0e 1 S p -0e 1
Al
14 8 32 17
O p 0e 1 Cl p 0e 1 O p 0e 1
14 7
N S
230 90
Th p 4 He 2 Ra p 4 He 2
226 88
35 16
Cl
32 16
226 88
222 86
40 19
K p -0e 1
40 20
Ca
14 8
14 7
N
Aunque la emisin beta implique electrones, esos electrones vienen del ncleo. Dentro del ncleo, un neutrn decae en un protn y un electrn. El electrn se emite, dejando un protn para substituir por el neutrn, as transformando el elemento. (Tambin se produce y se emite un neutrino en el proceso.)Herron, Frank, Sarquis, Sarquis, Schrader, Kulka, qumica, brezo que publica, 1996, pgina 275
Reacciones nucleares226 88
Primer reconocimiento de una transmutacin natural de un elemento (Rutherford y Sodd
Ra p4 2
4 2
17 8
222 86
Rn1 1
Primera transmutacin artificial de un elemento (Rutherford, 1919)14 7
N E p4 2
O ?
p n ?
Descubrimiento del neutrn (Chadwick, 1932)9 4
Be E p141 56
12 6
C 92 36
1 0
Descubrimiento de la fisin nuclear (Otto Hahn y Fritz Strassman, 1939)235 92 1 U 0n p
Ba
1 Kr 30 n
Bailar, qumica, pgina 361
Preparacin de elementos transurnicosNmero Atmico Ao Nombre Smbolo Descubiert o 93 neptunio NP 1940 Reaccin238
U 01n p 92 U 21H p 92 Np p 93238
239
Np -01e 93 Np 201 n 93
PU 1940 del plutonio 94 95 americio 1944 96 curio cm 1945 97 berkelio Bk 1949 98 Cf 1950 del californio
238
238
238
Pu -01e 94240
239
Pu 01n p 94
Am -01e 95242
239
Pu 4 He p 94 2
Cm 01n 96243
241
Am 4 He p 95 2 Cm 4 He p 96 2
Bk 201 n 97 Cf 01n 98
242Rafael A. quema, los fundamentales de la qumica 1999, pgina 553
245
Preparacin de elementos transurnicosNmero Atmico Ao Nombre Smbolo Descubiert o 93 neptunio NP 1940 Reaccin238
U 01n p 92 U 21H p 92 Np p 93238
239
Np -01e 93 Np 201 n 93
PU 1940 del plutonio 94 95 americio 1944 96 curio cm 1945 97 berkelio Bk 1949 98 Cf 1950 del californio
238
238
238
Pu -01e 94240
239
Pu 01n p 94
Am -01e 95242
239
Pu 4 He p 94 2
Cm 01n 96243
241
Am 4 He p 95 2 Cm 4 He p 96 2
Bk 201 n 97 Cf 01n 98
242Rafael A. quema, los fundamentales de la qumica 1999, pgina 553
245
Elementos transurnicos adicionales99 einsteinio Es 1952 100 fermio Fm 1952 Md 1955 del mendelevio 101 102 nobelio NOTA 1958 103 Lawrencium LR 1961 104 Rutherfordium Rf 1964 DB 1970 de 105 Dubnium Sg 1974 de 106 Seaborgium 107 Bohrium BH 1981 108 Hassium Hs 1984 109 Meitnerium Mt 1988 110 Darmstadtium Ds 1994 111 Unununium Uun 1994 112 Ununbium Uub 1996 114 Uuq 1999 (Rusia) 116 2002 (Rusia) 118 2006