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MÓDULO 4 (Nivel: Cuarto Medio)

Eje Temático: Química: (Fenómenos nucleares y sus aplicaciones - Polímeros orgánicos e inorgánicos, sintéticos y naturales - Procesos químicos industriales)

Contenidos Curriculares:

Isótopos y estabilidad nuclear - Radiactividad natural y cinética de desintegración - Concepto de vida media y de serie radiactiva - Datación de objetos de interés arqueológico e histórico - Fisión y fusión nuclear - La bomba atómica y los reactores nucleares - El impacto de las tecnologías nucleares sobre la vida del ser humano - Aplicaciones de los isótopos y de la radiación - Efectos de la radiación sobre los seres vivos - Concepto de polímero - Formación de polímeros de adición - Descubrimiento y aplicaciones comerciales de algunos polímeros - Composición de péptidos - Fuentes de materias primas para procesos industriales - Estudio de los procesos de obtención de materiales - Procesos industriales de algunos materiales de uso masivo - Fabricación de polímeros sintéticos - Cinética de estas reacciones - Uso de catalizadores

Fenómenos nucleares y sus aplicaciones

Roentgen trabajaba con un tubo de rayos catódicos cuando inesperadamente, observó luz en una pantalla fluorescente, que se encontraba fuera del aparato. Concluyó que la luz era producida por unos rayos desconocidos que salían del tubo: a estos rayos los llamó rayos X.

Esquema de un tubo de rayos equis

Otro hecho importante ocurrió cuando puso su mano en la trayectoria de los rayos X y sobre la pantalla vio la sombra de sus huesos. Posteriormente se supo que los rayos X no estaban compuestos por partículas, como los rayos catódicos, sino que se trataba de una nueva forma de radiación electromagnética, como la luz visible o las ondas de radio, pero mucho más energética, penetrante e ionizante.

Becquerel, al saber del descubrimiento de los rayos X, investigó si estos eran emitidos por sustancias fluorescentes (las que absorben luz y luego se iluminan en la oscuridad) y para ello trabajó con una sal de uranio y una película fotográfica virgen. Así descubrió que el mineral de uranio emitía una radiación desconocida, que luego denominó radioactividad.

Marie Curie y su marido, Pierre, descubrieron que la radioactividad era de naturaleza atómica y no molecular y además comprobaron que los elementos torio y uranio eran radioactivos. Su trabajo de análisis químico sobre la pechblenda, un mineral de uranio, los condujo a encontrar dos nuevos elementos, el polonio y el radio. El radio posee un gran poder radioactivo, y por su capacidad para matar células se convirtió en la base para la terapia radiológica contra el cáncer. En 1903, Becquerel y los Curie compartieron el premio Nobel de Física y en 1911 Marie Curie obtuvo el de Química.

En 1899, el neozelandés Ernest Rutherford demostró que las sustancias radioactivas producen dos tipos de radiaciones, a las que llamó rayos alfa y rayos beta, pero fue posteriormente Paul Villard quien descubrió el tercer tipo de radiación, a la cual denominó gamma.

Una característica de las sustancias radioactivas es la carga eléctrica. Fue posible comprobar la carga eléctrica de cada una de las radiaciones cuando se las hizo pasar por un campo eléctrico, consistente en dos placas cargadas eléctricamente, quedando demostrado que las radiaciones son de diferente naturaleza.

Esquema de experimento para determinar polaridad de las radiaciones: alfa, beta y gama

Las partículas alfa están cargadas positivamente, las beta negativamente y las gamma no tienen carga eléctrica.

Otra característica importante de las radiaciones es su poder de penetración: los rayos alfa son poco penetrantes y pueden ser detenidos por una hoja de papel; en cambio, los rayos beta pueden atravesar una lámina de aluminio de 0,3 mm de espesor. Las radiaciones gamma, en tanto, son las más penetrantes, pero son detenidas por una lámina de plomo de 10 cm, tal como se observa en la siguiente figura.  

Ilustración que muestra el poder de penetración de las radiaciones: alfa, beta y gama

Propiedades de las emisiones radioactivas  

Tabla de propiedades de las emisiones radioactivas

En el átomo hay tres partículas fundamentales, dos de las cuales se encuentran dentro del núcleo, los protones y los neutrones, y que se les denomina nucleones. Los electrones, en tanto, se encuentran en la parte externa del átomo.

Algunos núcleos son inestables, emiten partículas y/o radiación electromagnética espontáneamente. Este fenómeno se conoce como radiactividad natural.

Una serie de desintegración es una serie de cambios que sufren los núclidos radiactivos a medida que liberan partículas alfa y beta hasta convertirse en una sustancia estable (no radiactiva).

Un ejemplo es la serie de desintegración del uranio-238. Este proceso se repite hasta que finalmente se forma un producto estable. La secuencia de desintegración por pasos se conoce como serie de decaimiento.

Gráfico de la serie de decaimiento del uranio doscientos treinta y ocho

Una serie radiactiva se inicia con un núclido radiactivo y finaliza con un elemento estable.
En la naturaleza se presentan tres series de este tipo:

  • La serie del U-238 que finaliza con el Pb-206.
  • La serie del U-235, que termina con el Pb-207.
  • Finalmente la serie que se inicia con el Th-232 y que concluye con elPb-208.

Ecuaciones nucleares

Una ecuación nuclear es una representación simbólica de una reacción nuclear.
El decaimiento radiactivo se representa por medio de ecuaciones nucleares. Esto lo expresamos en forma general, así:

A                                 A             

     X                                           Y   +   emisión radiactiva    

 Z                                Z              

Núcleo radiactivo                     Núcleo formado         

A= Número másico
Z= Número atómico

Decaimiento alfa

Cuando en una desintegración nuclear se emite una partícula alfa, se obtiene un núcleo que tiene  un  número atómico  menor  en  dos  unidades  y  un  número  másico  menor  en  cuatro unidades respecto al elemento que lo genera, esto es:

 

A                         A - 4               4

    X                        Y            +        He (α)        

 Z                         Z - 2               2

Ejemplos de emisión de una partícula alfa es la del elemento polonio, descubierto por los Curie.

          84Po210 è 82Pb206 + 2He4
          88Ra226 è 86Rn222 + a

El elemento que se forma después del decaimiento alfa tiene un número atómico menor en dos unidades y un número másico menor en cuatro unidades respecto al elemento que lo genera.

Decaimiento beta

Un neutrón puede transformarse en un protón al emitirse un electrón, reacción que puede escribirse de la siguiente forma:

          0n1 è 1p1 + -1e0 + energía

El electrón emitido abandona el núcleo a altísima velocidad. En este proceso, el número másico no se altera (disminuye un neutrón y se genera un protón), pero el átomo que se forma tiene en su núcleo un protón más que el inicial, por lo tanto, el número atómico aumenta en una unidad, esto se puede escribir simbólicamente de la siguiente forma:

  A                            A               0

     X                                Y   +          e  (β)    Núcleo radiactivo  que libera una partícula beta

  Z                       Z + 1             -1

Ejemplos de decaimiento beta es:

          82Pb210 è 83Bi210 + -1e0
          92U239 è 93Np239 + b

Emisión gamma

La radiación gamma se emite debido a cambios de energía dentro del núcleo. Su emisión no provoca variación en el número másico y tampoco en el número atómico. Simplemente se trata de un núcleo excitado que libera energía de esta forma, por ejemplo:

          52Te125 è 52Te125 + g

El isótopo radiactivo inicial es denominado padre o progenitor; el producto se conoce como descendiente.

Otros tipos de desintegración radiactiva

La mayoría de los elementos radiactivos decaen o se desintegran por la emisión de partículas, como el alfa y la beta, que pueden estar acompañadas de radiación gamma. Sin embargo, al sintetizar nuevos elementos radiactivos por métodos artificiales, se observó que existían otros métodos, como la emisión de positrones (+1e0 o β+) y la captura de electrones  ( -1 e 0 ).

Emisión de positrones

Cuando un núclido radiactivo emite un positrón, el elemento que se forma tiene un número atómico menor en una unidad y el número másico permanece igual.

A                            A               0

     X                                Y   +         e     (β+)    

  Z                       Z - 1             +1

Ejemplo de emisión de positrones

          7N13 è +1e0 + 6C13

Un positrón es idéntico a un electrón, pero tiene carga positiva. Se representa como +1e0 o bien b+ debido a que tiene carga +1 y masa 0. Es muy probable que se forme en el núcleo cuando un protón se transforma en un neutrón:

          +1p1 è 0n1 + +1e0

Al igual que una partícula beta, un positrón tiene un pequeño poder de penetración.

Por ejemplo, el nitrógeno-13 se desintegra al liberar un positrón.

          7N13 è 6b0 + +1C13
          84Po207 è +1b0 + 83Bi207

Captura de electrones o captura-K

La captura de electrones es un proceso en el cual un núclido “atrapa” un electrón de su nivel más interno (nivel 1 o capa K, según la antigua nomenclatura) convirtiendo al protón en un neutrón.

          92U231 + -1e0 è 91Pa231

Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, su número atómico disminuye en 1, mientras que su número másico permanece inalterado.

Ejemplos de este tipo de reacción nuclear son:

          4Be7 + -1e0 è 3Li7
          7N13 + -1e0 è 4C13

Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares:  

Reacciones químicas

Reacciones nucleares

1.- Los átomos se reordenan  por la ruptura y formación  de  enlaces químicos.

2.-  Solo  los  electrones  están implicados en la ruptura y formacn de los enlaces.

3.- Las reacciones van acompañadas por  la  absorción  o                     liberación de cantidades  de energía relativamente pequeñas. Ej

CH4   +  2O2 CO2   +  2 H2O  +200 kcal

4.-   La  temperatura,  presión, concentracn de los reactantes y catalizadores,  son             factores       que determinan   la  velocidad  de  una reacción.

1.- Los elementos o los isótopos de un elemento generan otro elemento al cambiar la constitución del núcleo del átomo.

2.-  En  las reacciones  pueden participar protones, neutrones, electrones    y  otras partículas elementales.

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

3Li7     +       1H1      2    2He4 +23000000 Kcal

4.- Las            velocidades  de  reaccn generalmente  no  se  ven  afectadas por la temperatura,  la presión o los catalizadores.

Es necesario considerar cómo se escriben y balancean las ecuaciones nucleares. Para ello se debe señalar los símbolos de los elementos químicos y además indicar explícitamente el número de protones y neutrones que tiene cada elemento.

Al balancear una ecuación nuclear, se deberá cumplir que:  

  1. El número total de protones y neutrones en los productos y en los reactantes debe ser el mismo (conservación de la masa).
  2. El número total de cargas nucleares en los productos y en los reactantes debe ser el mismo (conservación de la carga nuclear).

Estabilidad nuclear

El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo, pero contiene la mayor parte de la masa del mismo porque tanto los protones como los neutrones se encuentran allí. La estabilidad de los núcleos atómicos queda determinada por su densidad, que informa acerca de la fuerza de unión de las partículas. La densidad del núcleo es tan grande que obliga a pensar que las partículas se encuentran extremadamente juntas. Son importantes las fuerzas de repulsión de tipo coulombiana que operan entre las partículas de igual signo, como son los protones. Sin embargo, además de la repulsión, existen también atracciones de corto alcance entre protón-protón, protón-neutrón, neutrón-neutrón. La estabilidad de cualquier núcleo está determinada por la diferencia entre la repulsión coulombiana y las atracciones de corta distancia. Si la repulsión sobrepasa la atracción, el núcleo se desintegra, emitiendo partículas y/o radiación. Si la atracción prevalece, el núcleo es estable.

Factores que influyen en la estabilidad de un núclido

  1. Los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de 83 son radiactivos, como también lo son los isótopos del tecnecio (Z=43) y del prometio (Z=61).
  2. Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 ó 126 protones o neutrones en general son estables. Estos números se llaman números mágicos. La importancia de estos para la estabilidad nuclear es similar a la que presentan los gases nobles en su casi nula reactividad química.
  3. Los núcleos con número par de protones y neutrones son, por lo general, más estables que los que tienen números impares de estas partículas.
  4. Un factor importante para determinar si el núcleo es estable es la relación neutrón - protón (n/p). Para átomos estables de elementos de bajo número atómico, el valor de n/p es cercano a 1. A medida que el número atómico aumenta, la relación n/p también aumenta y, por supuesto, es superior a 1. Esta desviación se da en los elementos de números atómicos altos porque se necesita un mayor número de neutrones para estabilizar al núcleo, contrarrestando la fuerte repulsión entre los protones.

Los elementos más estables se encuentran en el área que se denomina el cinturón de estabilidad. Cabe notar que los elementos de bajo número atómico, (donde la relación de n/p es 1) caen en el cinturón de estabilidad, comprobando lo que se había asegurado anteriormente. La mayor parte de los núcleos radiactivos se encuentran fuera de este cinturón.

El gráfico del número de neutrones (en la ordenada) contra el número de protones (en la abscisa) de varios isótopos, muestra la ubicación de los elementos y permite observar qué núclidos son integrantes del cinturón de estabilidad.

Gráfico: cinturón de estabilidad

Arriba del cinturón de estabilidad el núcleo tiene una relación n/p mayor que en aquellos que se encuentran dentro del cinturón. Para disminuir esta relación y de esta manera descender al cinturón de estabilidad, estos núcleos deberán emitir partículas beta.

Los núcleos que se encuentran bajo el cinturón de estabilidad tienen una relación n/p menor que los que están en el cinturón, y para incrementar dicha relación, estos núcleos deberán emitir un positrón o bien capturar electrones.

Vida media

La desintegración de uranio es extremadamente lenta comparada con la desintegración de torio. Cada una de estas desintegraciones resulta tener un periodo de semidesintegración, llamado también semivida, característico para cada elemento. La semivida representa el tiempo necesario para que la mitad de la materia radiactiva se desintegre. Además, es independiente de la cantidad de sustancia radiactiva presente y está determinada únicamente por el tipo de núcleo radiactivo. Algunos isótopos radiactivos tienen semividas muy largas, mientras las de otros son extremadamente cortas.

Semivida de los elementos radiactivos naturales en la serie de uranio-238

 imagen

La velocidad de desintegración se analiza en función de su vida media. Dichas desintegraciones son de primer orden.

Gráfico: Desintegración del estroncio noventa

Cada isótopo tiene una vida media característica. La vida media del Sr-90, por ejemplo, es 28,8 años. Si se tienen 10 g de Sr-90, luego de 115,2 años quedarán sin desintegrar 0,625 g; para ello deben haber transcurrido cuatro vidas medias, es decir 28,8 x 4 = 115,2 años. La ecuación de desintegración del Sr-90 es:

38Sr90 è 39Y90 + b.

Aplicaciones de los isótopos radiactivos

Los isótopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia y en la medicina. En química se utilizan para determinar estructuras de compuestos, seguir el curso de una reacción química (determinación de los pasos que se realizan en la fotosíntesis), determinar la edad de ciertos objetos (mediante la técnica del carbono-14 se logró determinar que los papiros del Mar Muerto tienen aproximadamente entre 1917 a 2000 años), etc. En medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que inyectado al torrente sanguíneo como una solución salina puede ser monitoreado para rastrear el flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstrucciones en el sistema circulatorio. El yodo-131 se ha utilizado para probar la actividad de la glándula tiroides, otro isótopo, el yodo-132, se usa para producir imágenes del cerebro, el cobalto-60 para la destrucción de tumores cancerosos, el arsénico-74 para localizar tumores cerebrales, el cobalto-58 en la determinación del nivel vitamínico B, el cromo-51 en la estimación de volúmenes de líquidos del cuerpo, el fósforo-32 en la detección de cáncer en la piel, el hierro-59 para calcular la rapidez de formación de glóbulos rojos y el oro-198 para el cáncer de próstata.

Fechado radiactivo

Sumado a todo esto, se puede determinar la antigüedad de objetos que en alguna época fueron o formaron parte de organismos vivos, como pueden ser los huesos, utilizando la vida media del isótopo radiactivo carbono-14. En la materia viva, la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 (no radiactivo) permanece relativamente constante. El carbono-14 que hay en nuestra atmósfera se origina por la reacción entre un átomo de nitrógeno y un neutrón que proviene de la atmósfera superior, como lo indica la siguiente reacción nuclear:

         7N14 + 0n1 è 6C14 + 1H1

El carbono-14 se desintegra formando una partícula beta, de acuerdo con la siguiente ecuación nuclear:

         6C14 è 7N14 + -1e0

Se considera que la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 en el tejido vivo es constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o un animal mueren, el contenido de carbono-14 disminuye porque ya no ocurre la ingestión ni la utilización del carbono-14. Por tanto, en el tejido muerto la relación del carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo, siendo así la relación una medida de la edad de la muestra.

La vida media del C –14 es de 5730 años.  Trascurridos 5730 años de la muerte del organismo, la cantidad de C-14 se reduce a la mitad de la  que había inicialmente. Por lo cual, después de dos periodos de semi - desintegración, quedará la cuarta parte de la cantidad original; después de tres periodos, la octava parte y así sucesivamente. Cuanto menor es la cantidad de C-14 que queda en el organismo muerto u objeto arqueológico, más antiguo es él.

De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinar la edad de diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En estos cálculos se emplea la relación del uranio-238 radiactivo con el plomo-206 no radiactivo, con una vida media de 4,5 x 109 años. De acuerdo con los resultados de la aplicación de este método, la edad de las rocas más antiguas sobre la Tierra parece ser cercana a 4 x 109 años.

Reacciones nucleares artificiales

Fue Rutherford, en 1919, quien realizó la primera reacción nuclear artificial. Mediante el bombardeo de partículas alfa sobre una muestra de nitrógeno, Rutherford detectó un protón aislado; la explicación fue que la energía cinética de la partícula alfa le permite chocar con un núcleo de nitrógeno y fusionarse con él. Así, se forma un núcleo inestable de flúor, que decae eliminando un protón.

7N14 + 2He4 ====> (9F18 ) ====> 8O17 + 1H1

Si se sustituye el nitrógeno-14 por el berilio-9, en la reacción nuclear se obtiene carbono-12 y un neutrón, tal como lo indica la siguiente ecuación:

4Be9 + 2He4 ====> (6C13 ) ====> 6C12 + 0n1

Esta es la reacción que le permitió a Chadwick comprobar la existencia del neutrón.

Elementos transuránicos

Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con números atómicos mayores que 92, llamados elementos transuránicos, porque su número atómico supera el del uranio (Z=92). Desde que el neptunio (Z=93) fuera preparado por primera vez en 1940, se han sintetizado otros 16 elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos son radiactivos. Los que poseen números atómicos mayores de 100 han sido producidos utilizando elementos que luego han sido bombardeados sobre otros que les han servido de blanco. Es muy probable que puedan producirse elementos con números atómicos aún mayores. Los producidos hasta ahora se caracterizan por tener bajos rendimientos y vida media muy corta. Originalmente, solamente se prepararon unos pocos átomos de los elementos 103 al 109 y tenían vidas medias de segundos. Los científicos nucleares creen que pueden producirse elementos con números atómicos tan altos como el 126.

Reacciones de fisión nuclear

En la fisión nuclear, un núcleo de número másico mayor que 200, al chocar con un neutrón, se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energía.

La primera reacción de fisión nuclear estudiada fue la del uranio-235 bombardeado con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las moléculas de aire a temperatura ambiente. Como producto de tal bombardeo, se han encontrado más de 30 elementos distintos.

Aunque se puede provocar la fisión de muchos núcleos pesados, únicamente la del uranio-235 es de ocurrencia natural. La del plutonio-239 es artificial y tiene poca importancia práctica.

 

Esquema de fisión del uranio doscientos treinta y cinco

La característica más relevante en la fisión del uranio-235 no es solo la enorme cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen más neutrones que los capturados originalmente en el proceso.

Esta propiedad hace posible una reacción nuclear en cadena, que es una secuencia de reacciones de fisión nuclear autosostenidas.

Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir la fisión en otros núcleos de uranio-235, que a su vez producirán más neutrones y así sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción puede ser incontrolable, liberando una enorme cantidad de calor hacia los alrededores.

La reacción de fisión es el principio de la primera bomba atómica, manifestación explosiva que mata por el calor generado y por la radiación esparcida en una amplia zona. Afortunadamente, la reacción en cadena ha podido controlarse y ser aprovechada. Un reactor nuclear puede aprovechar la energía liberada durante la fisión y transformarla, por ejemplo, en electricidad. Existen factores económicos y tecnológicos a favor y en contra de la nucleoelectricidad. Algunos argumentos en contra son:

  • El uranio natural contiene un bajo porcentaje de uranio-235 y se hace necesario plantas de enriquecimiento en este isótopo.
  • El mayor porcentaje en el uranio natural es el isótopo uranio-238, que absorbe fácilmente neutrones y produce el elemento plutonio (elemento que se utiliza en la fabricación de bombas atómicas).
  • Los núcleos productos de la fisión del uranio son sumamente radiactivos, en especial el kriptón-85.
  • El manejo de los reactores nucleares no es totalmente seguro, tal como ha quedado en evidencia en Three Mile Island (ver información en http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2079tm.htm ) en Estados Unidos, y Chernobyl (ver información en http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2086ch.htm ), en la ex Unión Soviética.

Fusión nuclear

A diferencia del proceso de fisión nuclear, la fusión nuclear es la combinación de pequeños núcleos para formar otros mayores.

En los elementos livianos, la estabilidad nuclear se incrementa cuando aumenta el número másico. Esto sugiere que si dos núcleos ligeros se combinan o se fusionan para formar uno mayor (un núcleo más estable) se liberará una cantidad apreciable de energía en el proceso.

La fusión nuclear ocurre constantemente en el sol, que está constituido en su mayor parte por hidrógeno y helio. En él la temperatura es cercana a 15 millones de grados Celsius y las reacciones que allí ocurren se denominan termonucleares.

La fusión nuclear tiene sus ventajas por sobre la fisión nuclear:

  • Los combustibles son baratos y casi inagotables.
  • El proceso produce poco desperdicio (pero sí algo de contaminación térmica).
  • Son procesos seguros en su ejecución y si se apagase una máquina de fusión nuclear, se apagaría completa e instantáneamente y no existiría posibilidad de que se fundiese.

El problema es que aún no se ha construido un reactor de fusión nuclear, debido a que hay que mantener los núcleos juntos a una temperatura apropiada para que ocurra la fusión. A temperaturas de unos 100 millones de grados Celsius, las moléculas no pueden existir y todos o la mayor parte de los átomos son despojados de sus electrones. Este estado de la materia, en el que un gas consta de iones positivos y electrones, se denomina plasma.