Química Nuclear

2. Química Nuclear Prof. Sergio Casas-Cordero E.

3. Tamaño del átomo • 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. Relación núcleo/átomo = 1x10-9m/1x10-15m = 1x106 m El núcleo; un millón de veces más chico que el átomo

4. 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.

5. Ejemplos de dos Isótopos del Uranio

6. Notación isotópica X Nº másico A C Carga del ión Nº atómico Z

7. 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 • A = p + n; n = A – p • n = 14 - 6 = 8 neutrones

8. Ejemplo de isótopos del Hidrógeno:

9. Prof. S. Casas-Cordero E.

10. 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.

11. ¿cuánto es su peso atómico? Ejemplo: El Silicio existe en la naturaleza, como tres isótopos medianamente estables;

12. Símbolos de Seguridad Producto agrícola irradiado Producto radiactivo

13. Áreas de Aplicación de la energía Nuclear Medicina Agricultura Control de Calidad Arqueología Geología Espacio Energía Eléctrica Industria química aeronáutica Minería Industria Militar otros

14. 1896 primer RX humano

15. Partículas radiantes Recuerde que c, velocidad de la luz, es 300.000 km/s

17. + + + 2 1n 1n 96 0 0 Rb 37 235 138 Cs U 92 55 Balance de las ecuaciones nucleares • 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 235 + 1 = 138 + 96 + 2x1

18. + + + 2 1n 1n 96 0 0 Rb 37 138 235 U Cs 92 55 • 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 92 + 0 = 55 + 37 + 2x0

19. Utilizando la Tabla periódica;¿A qué debe corresponder X, Y, Z y J? Respuesta: Z = gamma J = Pb-206 X = He-4 Y = beta

20. Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares

21. AlbertEinsteiny laEnergíaNuclear

22. La Energía Radiante El orden de magnitud de la energía emitida viene dada por la Ecuación de Albert Einstein Todas las reacciones nucleares, emiten o liberan grandes cantidades de energía Energía = masa x velocidad de la luz al cuadrado E = ∆mc2

23. La variación de sólo 1,0 gramo de masa de material radiactivo supone Energías del orden de 9x1010 KJ Comparando una reacción nuclear con una combustión: 90.000.000.000 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 3,27x1010 KJ 32.700.000.000 KJ

24. ¿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 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

25. ¿Cómo se logra esta Energía?

26. Reacción de Fisión

27. Reacción de Fusión

28. La búsqueda de Estabilidad

29. Franja de Estabilidad

30. 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.

31. 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)

32. Estabilidad de isótopos

33. 3. Núcleos con número par de protones y par de neutrones son más estables que los asociados con impares.

34. 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.

36. 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

37. Si la relación neutrón/protón es menor que 1, la estabilidad se logra por;

38. ¿Esperaría usted que los núcleos de 2He4, 20Ca39, 85At210 fuesen radiactivos?

39. Aplicando las Reglas

40. 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

43. 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.

44. t ½ para Estroncio - 90

45. t½ para Molibdeno - 99

46. t ½ para Uranio - 238

47. 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