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Química Nuclear
Prof. Sergio Casas-Cordero E.
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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
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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.
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Isótopo Z ANº
ProtonesNº
Neutrones
Uranio 235
92 235 92 143
Uranio 238
92 238 92 146
Ejemplos de dos Isótopos del Uranio
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Notación isotópica
XXA
Z
C
protonesAneutrones
neutronesprotonesA
Nº másico
Nº atómico
Carga del ión
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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
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Ejemplo de isótopos del Hidrógeno:
IsótopoNº de
protonesNº de electrones Nº de neutrones
Protio 1 1 0
Deuterio 1 1 1
Tritio 1 1 2
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Prof. S. Casas-Cordero E. 9
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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
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Ejemplo: El Silicio existe en la naturaleza, como tres isótopos medianamente estables;
100
3.09x29.97
100
4.70x28.98
100
892.21x27.9PA
isótopo % de Ab Masa (uma)
28Si 92,21 27,98
29Si 4,70 28,98
30Si 3.09 29,97
uma 28.09 PA
¿cuánto es su peso atómico?
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Símbolos de Seguridad
Producto agrícola irradiado Producto radiactivo
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Áreas de Aplicación de la energía Nuclear
Medicina Agricultura Control de Calidad Arqueología Geología Espacio
Energía Eléctrica Industria química aeronáutica Minería Industria Militar otros
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1896 primer RX humano
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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
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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
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2. 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
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Utilizando la Tabla periódica;¿A qué debe corresponder X, Y, Z y J?
Respuesta: X = He-4 Y = beta Z = gamma J = Pb-206
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Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares
Reacciones químicas Reacciones nucleares
1. Los átomos se organizan por la ruptura y formación de enlaces químicos.
1. Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí.
2. Sólo los electrones de los orbitales atómicos o moleculares participan en la ruptura y formación de enlaces.
2. Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales.
3. Las reacciones se acompañan por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas.
3. Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de cantidades enormes de energía
4. Las velocidades de reacción se ven afectadas por la temperatura, presión, concentración y catalizadores.
4. Las velocidades de reacción, por lo general, no se ven afectadas por la temperatura, la presión o los catalizadores.
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AlbertEinstein
y la EnergíaNuclear
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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
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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
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¿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
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¿Cómo se logra esta Energía?
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Reacción de Fisión
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Reacción de Fusión
eHeHHe
HeHH
eHHH
01
42
11
32
32
21
11
01
21
11
11
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La búsqueda de Estabilidad
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Franja de Estabilidad
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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.
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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)
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Estabilidad de isótopos
Nº atómico isótopos estables
18 3
19 2
20 20
21 No hay
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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
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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.
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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
0111
10 pn
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Si la relación neutrón/protón es menor que 1, la estabilidad se logra por;
0110
11 np
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¿Esperaría usted que los núcleos de
2He4, 20Ca39, 85At210
fuesen radiactivos?
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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
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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
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Serie del Radio
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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.
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t ½ para Estroncio - 90
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t½ para Molibdeno - 99
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t ½ para Uranio - 238
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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
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