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Química nuclear
Capítulo 23
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Número atómico (Z) = número de protones en el núcleo
Número de masa (A) = número de protones + número de neutrones
= número atómico (Z) + número de neutrones
Número de masa
Número atómico
A
ZX
Símbolo del elemento
protón
1p
1H
o
1
1
neutrón
1n
0
electrón
0b
0e
o
-1
-1
positrón
0b
0e
o
+1
+1
partícula a
4He
4a
o
2
2
A
1
1
0
0
4
Z
1
0
-1
+1
2
23.1
Balanceo de las ecuaciones nucleares
1. Conservar el número de masa (A).
La suma de protones más los neutrones en los productos
debe igualar la suma de protones más neutrones en los
reactivos.
235
138
96
1
1
92 U + 0n
55 Cs + 37 Rb + 2 0n
235 + 1 = 138 + 96 + 2x1
2. Conservar el número atómico(Z) o carga nuclear.
La suma de cargas nucleares en los productos debe igualar
la suma de cargas nucleares en los reactivos.
235
92 U
+ 10n
138
55 Cs
+
96
37 Rb
92 + 0 = 55 + 37 + 2x0
+ 2 10n
23.1
212Po
desintegra por la emisión alfa. Escriba la
ecuación nuclear balanceada para el Desintegración
de 212Po.
4
partícula alfa - 42He o 2a
212Po
84
4He
2
+ AZX
212 = 4 + A
A = 208
84 = 2 + Z
Z = 82
212Po
84
4He
2
+ 208
82Pb
23.1
Tabla 23.1 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.
23.1
Estabilidad nuclear y desintegración rdiactiva
Desintegración beta
+-10b + n
14C
6
14N
7
40K
19
40Ca
20
+ -10b + n
1n
0
Disminuye # de neutrones por 1
Aumenta # de protones por 1
1p
1
+ -10b + n
Desintegración del positrón
++10b + n
Aumenta # de neutrones por 1
++10b + n
Disminuye # de protones por 1
11C
6
11B
5
38
19K
38Ar
18
1p
1
1n
0
++10b + n
n y n tienen A = 0 y Z = 0
23.2
Estabilidad nuclear y desintegración radiactiva
Desintegración de captura del electrón
+n
37Ar
18
+ -10e
37Cl
17
55Fe
26
+ -10e
55Mn
25
1p
1
+n
+ -10e
Aumenta # de neutrones por 1
Disminuye # de protones por 1
1n
0
+n
Desintegración alfa
212Po
84
4He
2
+ 208
82Pb
Disminuye # de neutrones por 2
Disminuye # de protones por 2
Fisión espontánea
252Cf
98
1n
2125
In
+
2
49
0
23.2
Número de neutrones
n/p demasiado
grande
Desintegración
beta
Cinturón de estabilidad
X
Neutrone/protones = 1
Y
n/p demasiado pequeño
Desintegración de positrón
o captura de eléctrón
Número de protones
23.2
Estabilidad nuclear
•
•
•
•
Ciertos números de neutrones y protones son extra estables
• n o p = 2, 8, 20, 50, 82 y 126
• Como los números extra estables de electrones en los
gases nobles (e- = 2, 10, 18, 36, 54 y 86)
Los núcleos con números pares de protones y neutrones son
más estable que aquellos con números impares de neutrones
y protones
Todos los isótopos de los elementos con números atómicos
superiores a 83 son radiactivos
Todos los isótopos de Tc y Pm son radiactivos
Tabla 23.2 Número de isótopos estables con números par e
impar de proteínas y neutrones
Neutrones
Número de isótopos estables
Protones
Impar
Impar
Impar
Par
Par
Par
Impar
Par
23.2
Energía de unión nuclear (BE) es la energía requerida para
romper un núcleo en sus protones y neutrones
BE + 199F
911p + 1010n
E = mc2
BE = 9 x (p masa) + 10 x (n masa) – 19F masa
BE (uma) = 9 x 1.007825 + 10 x 1.008665 – 18.9984
BE = 0.1587 uma
1 uma = 1.49 x 10-10 J
BE = 2.37 x 10-11J
energía de unión
número de nucleones
2.37 x 10-11 J
= 1.25 x 10-12 J
=
19 nucleones
energía de unión por nucleón =
23.2
Energía de unión nuclear por nucleón (J)
Energía de unión nuclear por nucleón contra número de masa
Número de masa
energía de unión nuclear
nucleón
estabilidad nuclear
23.2
Tabla 23.3 La serie de decaimiento del uranio
años
Cinética de la desintegración radiactiva
días
años
años
años
días
N
velocidad = -
DN
Dt
hijo
velocidad = lN
DN
= lN
Dt
N = N0exp(-lt)
lnN = lnN0 - lt
N = el números de átomos en tiempo t
N0 = el números de átomos en tiempo t = 0
l es la constante de desintegración
años
días
días
ln2
l =
t½
23.3
Cinética de la desintegración radiactiva
ln[N] = ln[N]0 - lt
ln [N]
[N]
[N] = [N]0exp(-lt)
23.3
Datación de carbono radiactivo
14N
7
+ 01n
14C
6
14C
6
14N
7
+ 11H
+ -10b + n
t½ = 5730 años
Datación del Uranio-238
238U
238U
92
t1-2
206Pb
82
238U
+ 8 24a + 6-10b
t½ = 4.51 x 109 años
206Pb
4.51 x 109 yr
23.3
Transmutación nuclear
Voltaje alterno
Campo magnético
14N
7
27
13 Al
14N
7
+ 24a
+ 24a
+ 11p
17O
8
+ 11p
30P
15
+ 01n
11C
6
+ 42a
Blanco
Des
Acelerador ciclotrónico de partículas
23.4
Transmutación nuclear
Tabla 23.4 Los elementos transuránicos
Número atómico
Nombre
Símbolo
Preparación
Neptunio
Plutonio
Americio
Curio
Berkelio
Californio
Einstenio
Fermio
Mendelevio
Nobelio
Lawrencio
Rutherfordio
Dubnio
Seaborgio
Bohrio
Hassio
Meitnerio
23.4
Fisión nuclear
235U
92
+ 01n
90Sr
38
1n + Energy
+ 143
Xe
+
3
0
54
Energía = [masa235U + masa n – (masa 90Sr + masa 143Xe + 3 x masa n )] x c2
Energía = 3.3 x 10-11J por 235U
= 2.0 x 1013 J por mol 235U
Combustión de1 ton de carbón = 5 x 107 J
23.5
Fisión nuclear
Reacción de fisión representativa
+ 10n
90Sr
38
1n + Energía
+ 143
Xe
+
3
0
54
Cantidades relativas de los productos de fisión
235U
92
Número de masa
23.5
Fisión nuclear
Reacción nuclear en cadena es una secuencia
autosuficiente de reacciones de fisión nuclear.
La masa mínima de material fisionable requerida para
generar una reacción nuclear en cadena autosuficiente es la
masa crítica.
No crítica
Crítica
23.5
Fisión nuclear
Blindaje
Vapor
Hacia la turbina de vapor
Blindaje
Agua
Diagrama
esquemático
de un reactor
de fisión
nuclear
Bomba
Barra de control
Combustibles de uranio
23.5
Fisión nuclear
Producción anual de residuos
35,000 tons SO2
4.5 x 106 tons CO2
3.5 x 106
ft3 ceniza
carbón encendido
planta de potencia 1,000 MW
70 ft3
residuos
vitrificados
planta nuclear de potencia
1,000 MW
23.5
Riesgos de las
radiactividades en
combustible
consumido
comparado con la
mena de uranio
Riesgos relativos
Fisión nuclear
mena
Tiempo de almacenamiento de
combustible consumido (en años)
De: “Science, Society and America’s Nuclear Waste,” DOE/RW-0361 TG
23.5
Fusión nuclear
Reacción de fusión
2
2
3
1
1 H + 1H
1 H + 1H
2H
1
+ 13H
6Li
3
+ 12H
4He
2
2
+ 10n
4He
2
Energía liberada
6.3 x 10-13 J
2.8 x 10-12 J
3.6 x 10-12 J
Tokamak
confinador
magnético de
plasma
Plasma
Imán
23.6
Radioisótopos en Medicina
•
1 de cada tres pacientes fuera del hospital sufrirán un
procedimiento de la medicina nuclear
•
24Na,
•
123I,
t½ = 13.3 hr, rayo emisor de g, imágenes del cerebro,
•
18F,
t½ = 1.8 hr, emisor b +, tomografía de emisión de positrón,
•
99mTc,
t½ = 14.8 hr, emisor b, rastreador de flujo sanguíneo 131I,
t½ = 14.8 hr, emisor b, actividad de la glándula tiroidea,
t½ = 6 hr, rayo emisor de g, agente de imágenes,
Imágenes del
cerebro con un
compuesto
marcado con
yodp-123
23.6
Contador Geiger-Müller
Cátodo
Ánodo
Aislante
Ventana
Gas argón
Amplificador y contador
Alto voltaje
23.6
Efectos biológicos de la radiación
dósis de radiación absorbida (rad)
1 rad = 1 x 10-5 J/g de material
roentgen equivalent for man (rem)
(equivalente roentgen para el hombre)
1 rem = 1 rad x Q
Tabla 23.6 Dosis promedio de radiación anual de
los estadounidenses
Fuente
Dosis(mrem/año)*
Rayos cósmicos
Fondo y alrededores
Cuerpo humano†
Rayos X de uso clínico y dental
Viajes aéreos
Pruebas bélicas fallidas
Desechos nucleares
Total
*mrem =1 millirem = 1x10-3 rem.
† La radioactividad en el cuerpo proviene de los alimentos y del aire.
Quality Factor
Factor de calidad
rayo- g = 1
b=1
a = 20
23.6