Química nuclearCapítulo 23

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XAZ

Número de masa

Número atómicoSímbolo del elemento

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

A

Z

1p11H1o

protón1n0

neutrón0e-1

0-1o

electrón0e+1

0+1o

positrón4He2

42o

partícula

1

1

1

0

0

-1

0

+1

4

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.

1n0U23592 + Cs138

55 Rb9637

1n0+ + 2

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.

1n0U23592 + Cs138

55 Rb9637

1n0+ + 2

92 + 0 = 55 + 37 + 2x023.1

212Po desintegra por la emisión alfa. Escriba la ecuación nuclear balanceada para el Desintegración de 212Po.

4He242opartícula alfa -

212Po 4He + AX84 2 Z

212 = 4 + A A = 208

84 = 2 + Z Z = 82

212Po 4He + 208Pb84 2 82

23.1

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.

2. Sólo los electrones de los orbitales atómicos o moleculares participan en la ruptura y formación de enlaces.

3. Las reacciones se acompañan por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas.

4. Las velocidades de reacción se ven afectadas por la temperatura, presión, concentración y catalizadores.

1. Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí.

2. Pueden participar protones, neutrones,

electrones y otras partículas elementales.

3. Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de cantidades enormes de energía

4. Las velocidades de reacción, por lo

general, no se ven afectadas por la temperatura, la presión o los catalizadores.

Estabilidad nuclear y desintegración rdiactiva

Desintegración beta

14C 14N + 0 + 6 7 -1

40K 40Ca + 0 + 19 20 -1

1n 1p + 0 + 0 1 -1

Disminuye # de neutrones por 1

Aumenta # de protones por 1

Desintegración del positrón

11C 11B + 0 + 6 5 +1

38K 38Ar + 0 + 19 18 +1

1p 1n + 0 + 1 0 +1

Aumenta # de neutrones por 1

Disminuye # de protones por 1

y tienen A = 0 y Z = 023.2

Desintegración de captura del electrón

Aumenta # de neutrones por 1

Disminuye # de protones por 1

Estabilidad nuclear y desintegración radiactiva

37Ar + 0e 37Cl + 18 17-1

55Fe + 0e 55Mn + 26 25-1

1p + 0e 1n + 1 0-1

Desintegración alfa

Disminuye # de neutrones por 2

Disminuye # de protones por 2212Po 4He + 208Pb84 2 82

Fisión espontánea

252Cf 2125In + 21n98 49 023.2

n/p demasiado grande

Desintegración beta

X

n/p demasiado pequeñoDesintegración de positrón

o captura de eléctrón

Y

23.2Número de protones

Núm

ero

de

neut

rone

s

Cinturón de estabilidad

Neutrone/protones = 1

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

23.2

Tabla 23.2 Número de isótopos estables con números par e impar de proteínas y neutrones

Protones Neutrones Número de isótopos estables

Impar

Impar

ParPar

Impar

Par

ImparPar

Energía de unión nuclear (BE) es la energía requerida para romper un núcleo en sus protones y neutrones

BE + 19F 91p + 101n9 1 0

BE = 9 x (p masa) + 10 x (n masa) – 19F masa

E = mc2

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 por nucleón = energía de uniónnúmero de nucleones

= 2.37 x 10-11 J19 nucleones

= 1.25 x 10-12 J

23.2

Energía de unión nuclear por nucleón contra número de masa

energía de unión nuclearnucleón

estabilidad nuclear

23.2

Número de masa

Ene

rgía

de

uni

ón n

ucle

ar p

or n

ucl

eón

(J)

Cinética de la desintegración radiactiva

N hijo

velocidad = -N

tvelocidad = N

Nt

= N-

N = N0exp(-t) lnN = lnN0 - t

N = el números de átomos en tiempo t

N0 = el números de átomos en tiempo t = 0

es la constante de desintegración

ln2=

t½

23.3

Tabla 23.3 La serie de decaimiento del uranio

días

años

años

años

días

años

días

días

años

Cinética de la desintegración radiactiva

[N] = [N]0exp(-t) ln[N] = ln[N]0 - t

[N]

ln [

N]

23.3

Datación de carbono radiactivo

14N + 1n 14C + 1H7 160

14C 14N + 0 + 6 7 -1 t½ = 5730 años

Datación del Uranio-238

238U 206Pb + 8 4 + 6 092 -182 2 t½ = 4.51 x 109 años

23.3

238U

206Pb238Ut1-2

4.51 x 109 yr

Transmutación nuclear

Acelerador ciclotrónico de partículas

14N + 4 17O + 1p7 2 8 1

27Al + 4 30P + 1n13 2 15 0

14N + 1p 11C + 47 1 6 2

23.4

Voltaje alterno

BlancoDes

Campo magnético

Transmutación nuclear

23.4

Tabla 23.4 Los elementos transuránicos

Número atómico Nombre Símbolo Preparación

Neptunio

Plutonio

AmericioCurio

BerkelioCalifornioEinstenioFermio

MendelevioNobelioLawrencio

RutherfordioDubnioSeaborgioBohrio

Hassio

Meitnerio

Fisión nuclear

23.5

235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energy92 54380 0

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

Fisión nuclear

23.5

235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energía92 54380 0

Reacción de fisión representativa

Número de masa

Can

tidad

es r

elat

ivas

de

los

prod

ucto

s de

fis

ión

Fisión nuclear

23.5

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

Fisión nuclear

23.5

Diagrama esquemático de un reactor

de fisión nuclear

Blindaje

Vapor

Blindaje

Hacia la turbina de vapor

Agua

BombaBarra de control

Combustibles de uranio

Producción anual de residuos

23.5

35,000 tons SO2

4.5 x 106 tons CO2

carbón encendido planta de potencia 1,000 MW

3.5 x 106

ft3 ceniza

planta nuclear de potencia1,000 MW

70 ft3 residuos

vitrificados

Fisión nuclear

23.5

Fisión nuclear

Riesgos de las radiactividades en

combustible consumido

comparado con la mena de uranio

De: “Science, Society and America’s Nuclear Waste,” DOE/RW-0361 TG

Rie

sgo

s re

lativ

os

Tiempo de almacenamiento de combustible consumido (en años)

mena

23.6

Fusión nuclear

2H + 2H 3H + 1H1 1 1 1

Reacción de fusión Energía liberada

2H + 3H 4He + 1n1 1 2 0

6Li + 2H 2 4He3 1 2

6.3 x 10-13 J

2.8 x 10-12 J

3.6 x 10-12 J

Tokamak confinador

magnético de plasma

ImánPlasma

23.6

Radioisótopos en Medicina• 1 de cada tres pacientes fuera del hospital sufrirán un

procedimiento de la medicina nuclear

• 24Na, t½ = 14.8 hr, emisor , rastreador de flujo sanguíneo 131I, t½ = 14.8 hr, emisor , actividad de la glándula tiroidea,

• 123I, t½ = 13.3 hr, rayo emisor de , imágenes del cerebro,

• 18F, t½ = 1.8 hr, emisor , tomografía de emisión de positrón,

• 99mTc, t½ = 6 hr, rayo emisor de , agente de imágenes,

Imágenes del cerebro con un compuesto marcado con yodp-123

Contador Geiger-Müller

23.6

Alto voltaje

Ventana

ÁnodoCátodo

Aislante

Amplificador y contador

Gas argón

23.6

Efectos biológicos de la radiacióndósis de radiación absorbida (rad)

1 rad = 1 x 10-5 J/g de materialroentgen equivalent for man (rem)

(equivalente roentgen para el hombre)

1 rem = 1 rad x Q Quality Factor Factor de calidad

rayo- = 1 = 1 = 20

Tabla 23.6 Dosis promedio de radiación anual de los estadounidenses

Fuente Dosis(mrem/año)*

Rayos cósmicos

Fondo y alrededoresCuerpo humano†

Rayos X de uso clínico y dentalViajes aéreosPruebas bélicas fallidasDesechos nuclearesTotal

*mrem =1 millirem = 1x10-3 rem.† La radioactividad en el cuerpo proviene de los alimentos y del aire.