Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. Fenómenos nucleares. Descubrimiento de la radiactividad. La radioactividad fue descubierta, en 1896, por Henry Becquerel, quien observó que el mineral de uranio llamado pechblenda (U3O8), con el cual trabajaba, emitía una fosforescencia sin que hubiese sido expuesto a la luz previamente. Intercalando placas de plomo cada vez más gruesas entre el mineral y una placa fotográfica, pudo llegar a determinar que el uranio emitía una cierta radiación capaz de velar esas placas. Posteriormente, Marie Curie descubrió dos nuevos elementos: el polonio y el radio, que cumplían con las mismas características pero cuya intensidad de radiación era aún mayor. Marie Curie química Polaca Francesa Premio Nobel Física y Química Estabilidad nuclear. La mayoría de los núcleos presentes en la naturaleza son estables. En cambio, hay algunos núcleos que son inestables y emiten espontáneamente ciertas partículas y radiación electromagnética. Este proceso se conoce como desintegración radiactiva de una sustancia inestable y radiactiva. Según estudios realizados por Ernest Rutherford, a principios del siglo XX, las emisiones más comunes que se presentan en la desintegración radiactiva son las radiaciones alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Esta desintegración da lugar a una serie de decaimiento reactivo, que es una secuencia de reacciones nucleares que da como resultado final la formación de un isótopo estable. Las propiedades de las partículas se dan en la tabla adjunta. Partícula α β γ Carga 2 -1 Naturaleza Núcleos Helio Electrones Velocidad 1/10 de la luz Cercana a Velocidad de la luz 0 Fotones de Alta energía Velocidad de la luz Penetración tejidos[cm] 0.01 1 100 -Hoja de Papel No Si Si -Lamina Aluminio No No Si -Lamina de Plomo No No No www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 1 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. Si la emisión radioactiva se somete a campos eléctricos o magnéticos, experimenta diferentes comportamientos dependiendo de cual sea el tipo de radiación. Los rayos alfa, se desvían hacia la placa negativa, porque poseen carga positiva. Los rayos beta, se desvían hacia la placa positiva, por lo tanto tienen carga eléctrica negativa. Los rayos gama no experimentan desviación, por lo que no poseen carga eléctrica . La imagen muestra el efecto de la radiación en un campo magnético. Partículas radiactivas. Partículas alfa (α): Consiste en una corriente de partículas cargadas positivamente y que llevan una carga 2+ y una masa de 4 en la escara de pesos atómicos; son núcleos de Helio ( ). Presenta una penetración en los tejidos de 0,01 cm. Pueden ser detenidos por una hoja de papel. Partículas Beta (β): Está constituido por una corriente de partículas cargadas negativamente que tiene todas las propiedades de los electrones de alta energía ( ). Penetración hasta 1 cm. Atraviesan una hoja de papel, pero pueden ser detenidas por una lámina de aluminio de 1 cm de espesor. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 2 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. Partículas Gamma (γ): Es radiación electromagnética de muy alta energía (longitud de onda de 0,005 a 1 A°). Como se trata de energía no posee carga ni masa. Penetración hasta de 100 cm o pasar a través del cuerpo. Pueden pasar a través del papel y del aluminio, pero pueden ser detenidos por una lámina de plomo de 5 cm de espesor. Reacciones nucleares. Los procesos nucleares estudian los cambios que se producen en el núcleo de los átomos, compuesto por protones y neutrones. Los núcleos atómicos estables no experimentan cambios en forma espontánea, pero aquellos que son inestables se descomponen ya sea por bombardeo del núcleo con partículas de alta energía o espontáneamente liberando distintos tipos de radiaciones, comúnmente partículas alfa, beta o gamma. De todos los tipos de reacciones nucleares conocidas, dos de ellas tienen especial importancia: las que dan origen a elementos radioactivos (radioactividad artificial) y las que promueven la escisión o fisión de un núcleo. Las transformaciones nucleares están representadas por ecuaciones nucleares, que como todas, deben balancearse, es decir, que el número total de protones y neutrones debe ser el mismo en cada lado de la ecuación. Reacciones de fisión: Una fisión nuclear involucra la partición de un núcleo inestable en dos partículas más pequeñas. La fisión nuclear generalmente se inicia por el ataque de neutrones de alta energía. Los dos neutrones de alta energía producidos pueden atacar dos nuevos átomos y liberar cuatro neutrones. La sucesión de estas reacciones produce un efecto exponencial denominado reacción en cadena. Reacciones de fusión: Una fusión nuclear involucra la unión de dos núcleos para formar un núcleo más pesado. En una reacción química los átomos se conservan, es decir, no se destruyen ni se desintegran, sino que se reorganizan para formar nuevas estructuras y nuevos enlaces. Esto ocurre a nivel de los electrones de valencia y no a nivel nuclear. Sin embargo, esto no ocurre en las reacciones nucleares, donde hay destrucción y desintegración. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 3 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. Transmutación nuclear. La transmutación consiste en modificar el núcleo atómico al ser bombardeado con neutrón u otro núcleo. Ernest Rutherford realizó en 1919 la primera transmutación, al bombardear núcleos de nitrógeno con partículas α Balance de ecuaciones nucleares. La escritura de una ecuación nuclear es, en cierta forma, distinta a la escritura de las ecuaciones de las reacciones químicas. Esto porque además de escribir los símbolos de los distintos elementos químicos, también se debe indicar el número atómico y el número másico de cada especie. Por otra parte, en una reacción química los átomos se conservan, es decir, no se destruyen ni se desintegran, sino que se reorganizan para formar nuevas estructuras y nuevos enlaces. Esto último ocurre a nivel de los electrones de valencia y no a nivel nuclear, donde se producen desintegraciones con cambios en el número de partículas atómicas. En consecuencia, la ecuación de una reacción nuclear incluye las partículas emitidas y deben balancearse tanto los números de masa como los números atómicos. La notación utilizada, que es la estándar, indica que el subíndice corresponde al número atómico y el superíndice al número másico. Al balancear cualquier ecuación nuclear se debe cumplir con dos reglas: 1. La suma de los números de masa debe ser la misma a ambos lados. 2. La suma de los números atómicos debe ser la misma a ambos lados. Vida Media. La vida media de un isótopo radiactivo es el tiempo que tarda una muestra del elemento en reducirse a la mitad de su cantidad inicial. Vale decir, transcurrido un tiempo de vida media, se ha desintegrado la mitad de la muestra. Si el núcleo radiactivo presenta un tiempo de vida media de 10 años significa que al cabo de ese tiempo queda la mitad de la masa inicial. Cada núcleo radiactivo tiene una vida media característica, que corresponde al período específico de tiempo en que una masa determinada de un isótopo se reduce a la mitad, que para el carbono 14 es de 5700 años. Otros núcleos tienen vidas medias muy diferentes, por ejemplo, el uranio-238 tiene una vida media de 4,5x109 años, en cambio el yodo-139 tiene una vida media de sólo 2,3 segundos. www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 4 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. Datación con carbono 14. Muchos otros núcleos de átomos inestables, se descompone, ya sea por bombardeo del núcleo con partículas de alta energía o en forma espontánea (desintegración radiactiva). La radiactividad puede presentarse en sustancias al estado natural; por ejemplo, en las plantas, las que incorporan carbono a sus tejidos a través del CO2 del aire, transformándolo en carbohidratos por la fotosíntesis. El carbono incorporado presenta sólo trazas de C, el que continuamente se va desintegrando, por emisión de una partícula beta, y renovando por el proceso indicado. Cuando la planta muere, el C deja de renovarse y sólo experimenta la desintegración radiactiva, disminuyendo su masa paulatinamente. Aplicación de la energía nuclear. La posibilidad de realizar transmutación ha permitido la obtención de isótopos radiactivos en los laboratorios destinados principalmente a la medicina y la industria. Estos radioisótopos pueden ser usados en la esterilización de alimentos, también pueden ser usados en la destrucción de células y tejidos cancerígenos, etc. Cuando se produce la fisión del átomo de uranio, se libera gran cantidad de energía y se produce una reacción autosostenible. Al lograr controlar la reacción en cadena, se controla también la energía que libera. Los reactores nucleares tiene la función de controlar la energía que se libera en una fisión nuclear. El calor liberado de la fisión se transmite a través de un intercambiador calórico a un sistema que libera vapor, el cual hace funcionar las turbinas que posteriormente generarán la energía eléctrica. Ejercicios. 1. En la siguiente reacción nuclear , X representa a A) P B) Si C) Na D) Al E) Ne www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 5 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. 2. Un isótopo de un elemento determinado tiene una vida media de 500 años. Considerando una muestra inicial de 1,0 [g] de este isótopo, ¿qué cantidad permanece sin desintegrarse al cabo de 1500 años? A) 0,500 B) 0,250 C) 0,125 D) 0,062 E) 0,031 [g] [g] [g] [g] [g] 3. ¿Qué opción ordena las emisiones radiactivas α, β y γ, según su poder de penetración en un sólido? A) γ B) γ C) α D) β E) β < < < < < α β β γ α < < < < < β α γ α γ 4. ¿Cuál(es) de las siguientes reacciones nucleares está(n) correctamente balanceada(s)? I. II. III. A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y III E) I, II y III. 5. En la siguiente serie de reacciones nucleares: el número atómico de X y el número másico de Y son, respectivamente, www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 6 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. A) 90 y 239 B) 91 y 235 C) 94 y 231 D) 231 y 94 E) 239 y 90 6. Una solución salina, que contiene 24Na radiactivo (vida media de 14,8 horas), se inyecta al torrente sanguíneo para detectar posibles obstrucciones en el sistema circulatorio. ¿En cuántas horas se desintegra el 75% del 24Na presente en al solución salina utilizada? A) 3,0 •14,8 h B) 2,0 •14,8 h C) 1,0 •14,8 h D) 0,75•14,8 h E) 0,55•14,8 h 7. Un proceso de desintegración radiactivo I. II. III. Se produce por inestabilidad nuclear. Libera sólo energía electromagnética. Forma uno o más elementos distintos Es (son) correctas: A) Sólo I B) Sólo II C) Sólo III D) Sólo I y III E) I, II y III. 8. El siguiente proceso I. II. III. corresponde a una: fusión de isótopos. fisión de isótopos. reacción química. Es (son) correctas: www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 7 Preuniversitario Solidario Santa María Guía N°3, Electivo. A) Sólo B) Sólo C) Sólo D) Sólo E) Sólo I II III II y III I y III. 9. La vida media del isótopo de fermio , es de 30 minutos. Si inicialmente se dispone de una muestra de 10 miligramos de este isótopo, después de 30 minutos la masa de se reduce a A) 0 miligramos B) 2,5 miligramos C) 3,0 miligramos D) 5,0 miligramos E) 10,0 miligramos 10. El isótopo radiactivo tiene una vida media de 24,1 días y decae por emisión de partículas beta. Si inicialmente se dispone de 3x10 23 átomos de ¿en cuántos días la muestra se reducirá a 7,5x1022 átomos de por decaimiento radioactivo? A) 12,05 días B) 24,1 días C) 48,2 días D) 72,3 días E) 96,4 días 11. Una sustancia radioactiva tiene una vida media de 14,2 meses. Si inicialmente se cuenta con 280 gramos de sustancia. ¿Qué cantidad en gramos de esta sustancia quedará después de transcurridos 71 meses. A) 2,18 B) 4,37 C) 8,75 D) 17,5 E) 35,0 g g g g g www.preusm.cl – Coordinación de Química. Página 8