UNIVERSIDAD NACIONALUNIVERSIDAD NACIONAL

DE INGENIERIADE INGENIERIA  

  

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA  

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS BASICAS, DEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS BASICAS, HUMANIDADES Y CURSOS COMPLEMENTARIOSHUMANIDADES Y CURSOS COMPLEMENTARIOS

  QUIMICA GENERALQUIMICA GENERAL

( MB 312 )( MB 312 )  

     Ing. Ruth Maldonado A.Ing. Ruth Maldonado A.

ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA ATÓMICA Y REACCIONES NUCLEARESREACCIONES NUCLEARES

IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA La química es una ciencia central, porque La química es una ciencia central, porque

sirve de apoyo a otras ciencias como la sirve de apoyo a otras ciencias como la física, la biología, la geología, la física, la biología, la geología, la petroquímica, etc. Además permite petroquímica, etc. Además permite satisfacer las necesidades humanas en satisfacer las necesidades humanas en diferentes áreas o campos de la actividad diferentes áreas o campos de la actividad humana.humana.

Tenemos:Tenemos: 1) 1) En medicinaEn medicina:: La química ayuda con la La química ayuda con la

síntesis de diferentes fármacos síntesis de diferentes fármacos (antibióticos, analgésicos, antidepresivos, (antibióticos, analgésicos, antidepresivos, vacunas, vitaminas, hormonas, vacunas, vitaminas, hormonas, radioisótopos, etc), para el tratamiento de radioisótopos, etc), para el tratamiento de muchas enfermedades y para el muchas enfermedades y para el mejoramiento de la salud en general. mejoramiento de la salud en general. Cualquier aspecto de nuestro bienestar Cualquier aspecto de nuestro bienestar material depende de la Química.material depende de la Química.

2) 2) En nutriciónEn nutrición:: La química permite La química permite sintetizar sustancias llamadas sintetizar sustancias llamadas saborizantes y colorantes para mejorar saborizantes y colorantes para mejorar ciertas propiedades de los alimentos, y de ciertas propiedades de los alimentos, y de ese modo puedan ingerirse con facilidad; ese modo puedan ingerirse con facilidad; los preservantes para que los alimentos no los preservantes para que los alimentos no se deterioren en corto tiempo; también la se deterioren en corto tiempo; también la química determina las sustancias vitales química determina las sustancias vitales que requiere el organismo (minerales, que requiere el organismo (minerales, vitaminas, proteínas, etc).vitaminas, proteínas, etc).

3) 3) En agriculturaEn agricultura:: Gracias a los Gracias a los productos químicos como abonos y productos químicos como abonos y fertilizantes se aumenta la productividad fertilizantes se aumenta la productividad del suelo, y se logra satisfacer las del suelo, y se logra satisfacer las necesidades de alimentación cada vez necesidades de alimentación cada vez mas crecientes. Además con el uso de mas crecientes. Además con el uso de insecticidas, fungicidas y pesticidas, se insecticidas, fungicidas y pesticidas, se controla muchas enfermedades y plagas controla muchas enfermedades y plagas que afectan al cultivo.que afectan al cultivo.

4) 4) En textilería y cuidado de la ropaEn textilería y cuidado de la ropa: : La química ayuda potencialmente a La química ayuda potencialmente a satisfacer esta necesidad, sintetizando satisfacer esta necesidad, sintetizando muchas fibras textiles (rayón, orlón, muchas fibras textiles (rayón, orlón, nylon), colorantes para el teñido, nylon), colorantes para el teñido, sustancias para el lavado (jabones, sustancias para el lavado (jabones, detergentes, etc.), preservantes de fibras detergentes, etc.), preservantes de fibras naturales y sintéticas, etc.naturales y sintéticas, etc.

5) 5) En medio ambienteEn medio ambiente: : Ayuda en el tratamiento Ayuda en el tratamiento y control de sustancias contaminantes que y control de sustancias contaminantes que afectan a nuestro ecosistema (agua, suelo y afectan a nuestro ecosistema (agua, suelo y aire), y en la asistencia de desastres ecológicos aire), y en la asistencia de desastres ecológicos tales como derrames de petróleo, caída de lluvia tales como derrames de petróleo, caída de lluvia ácida, incendios forestales, etc.ácida, incendios forestales, etc.

6) 6) En arqueologíaEn arqueología: : Determinar antigüedad de Determinar antigüedad de restos fósiles.restos fósiles.

7) 7) En mineralogíaEn mineralogía: : Técnicas de extracción y Técnicas de extracción y purificación de metales.purificación de metales.

8) 8) En astronomíaEn astronomía: : Combustibles químicos para Combustibles químicos para los cohetes, ropa y alimentos concentrados para los cohetes, ropa y alimentos concentrados para los astronautas.los astronautas.

ESTRUCTURA ATÓMICA

TEORÍA ATÓMICATEORÍA ATÓMICAEVOLUCIÓNPrimeras ideas Primeras ideas 600 a.c. – Filósofos griegos. 600 a.c. – Filósofos griegos.Se desarrollaron muchas teorías:Se desarrollaron muchas teorías:- TEORÍA ATOMISTA: Leucipo y Demócrito.- TEORÍA ATOMISTA: Leucipo y Demócrito. Materia – átomo.Materia – átomo.- TEORÍA ARISTOTÉLICA: Aristóteles.- TEORÍA ARISTOTÉLICA: Aristóteles. Materia - agua, tierra, aire y fuego.Materia - agua, tierra, aire y fuego.- TEORÍA ATÓMICA DE DALTON (1803 – 1807)- TEORÍA ATÓMICA DE DALTON (1803 – 1807) Marca el principio de la era moderna de la Marca el principio de la era moderna de la

QUÍMICA.QUÍMICA.

Postulados:Postulados:1. Cada elemento está formado por partículas 1. Cada elemento está formado por partículas

extremadamente pequeñas llamadas átomos.extremadamente pequeñas llamadas átomos.2. Todos los átomos de un elemento dado son 2. Todos los átomos de un elemento dado son

idénticos entre sí, en masa y otras propiedades, idénticos entre sí, en masa y otras propiedades, pero los átomos de un elemento son diferentes a pero los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de otros elementos.los átomos de otros elementos.

3. Los átomos de un elemento no pueden 3. Los átomos de un elemento no pueden transformarse en átomos de otro elemento transformarse en átomos de otro elemento mediante reacciones químicas; los átomos no se mediante reacciones químicas; los átomos no se crean ni se destruyen en reacciones químicas.crean ni se destruyen en reacciones químicas.

4. Los compuestos se forman cuando los átomos 4. Los compuestos se forman cuando los átomos de más de un elemento se combinan; un de más de un elemento se combinan; un compuesto dado siempre tiene el mismo número compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo y tipo de átomos.relativo y tipo de átomos.

ESTRUCTURA DEL ÁTOMOESTRUCTURA DEL ÁTOMO Una serie de investigaciones que empezaron en Una serie de investigaciones que empezaron en

la década de 1850 – siglo XX demostraron que la década de 1850 – siglo XX demostraron que los átomos en realidad poseen estructura interna los átomos en realidad poseen estructura interna (partículas subatómicas): electrones, protones y (partículas subatómicas): electrones, protones y neutrones.neutrones.

Partícula Carga Masa(uma)

Protón 1+ 1,0073

Neutrón 0 1,0087

Electrón 1- 5,486x10-4

1uma = 1,66054x10-24g

PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

-Fotones o cuantosEs estable y, por lo tanto, no decae espontáneamente en ninguna otra partícula.

CLASIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS CLASIFICACIÓN DE LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICASSUBATÓMICAS

-Leptones

Partículas de masa ligera y de interacción débil (no intervienen en las interacciones fuertes, como el electrón). Incluye cuatro partículas y cuatro antipartículas.

Neutrinos.- La más ligera de las cuatro, con masa en reposo igual a cero. Las dos clases conocidas son: el electrón- neutrino (עe) y el

muón-neutrino (עµ), cada uno asociado con su

antipartícula correspondiente.

Electrones y muones.- El muón tienen una masa en reposo de 200 veces mayor que el del electrón.

-Hadrones

Partículas pesadas y de interacción fuerte, como los protones y los neutrones.

Pueden ser agrupados en dos familias.

Mesones.- La más ligera de las dos familias. Tienen spin cero o entero (Quarks: partículas más pequeñas que constituyen la materia).

Bariones.- Son las partículas “duras” pesadas de la naturaleza. Tienen spin ½.

TEORÍA DE LOS QUARKSTEORÍA DE LOS QUARKS

En 1964 En 1964 Murray Gell-MannMurray Gell-Mann y y Georges ZweigGeorges Zweig propusieron una teoría para explicar la propusieron una teoría para explicar la constitución interna de los hadrones: la constitución interna de los hadrones: la teoría de teoría de los quarkslos quarks. Según esta teoría los hadrones están . Según esta teoría los hadrones están compuestos de otras partículas elementales, que compuestos de otras partículas elementales, que denominaron denominaron quarks.quarks.

Los quarks propuestos presentan propiedades Los quarks propuestos presentan propiedades peculiares; en espacial, con relación a la carga peculiares; en espacial, con relación a la carga del protón, tienen carga fraccionaria. Según la del protón, tienen carga fraccionaria. Según la simetría partícula/antipartícula se encontró que a simetría partícula/antipartícula se encontró que a cada quark le correspondía su antiquark. cada quark le correspondía su antiquark.

CARACTERÍSTICAS DE LOS QUARKS

NOMBRE SÍMBOLO MASA CARGA SPIN L B ANTIPARTÍCULA

Up (arriba)

u 3 + 2/3 1/2 0 1/3

Down (abajo)

d 7 - 1/3 1/2 0 1/3

Strange (extraño)

s 120 - 1/3 1/2 0 1/3

Charm (encanto)

c 1200 + 2/3 1/2 0 1/3

Bottom (fondo)

b 4200 - 1/3 1/2 0 1/3

Top (cima)

t 175.000 + 2/3 1/2 0 1/3

DESARROLLO DE LOS MODELOS ATÓMICOS

- MODELO ATÓMICO DE THOMSON (1904)

“ Budín de pasas”.

- MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD O MODELO NUCLEAR DEL ÁTOMO (1911) “Sistema planetario en miniatura”.

TEORÍA CLÁSICA DE LA RADIACIÓNTEORÍA CLÁSICA DE LA RADIACIÓN

En 1900, MaxEn 1900, MaxPlanck predijoPlanck predijocon todo éxitocon todo éxitola forma de lala forma de lacurva. curva.

EECUANTO CUANTO

E = hc / E = hc / E = h E = h

EFECTO FOTOELÉCTRICOEFECTO FOTOELÉCTRICO

h h = p + = p + ½(½(mvmv²²))

h h = h = hoo + + ½(½(mvmv²²))

Energía fotón = Energía de escape + Energía cinética

ESPECTROS ATÓMICOSESPECTROS ATÓMICOS

Cada elemento tiene un espectro de emisión único. Cada elemento tiene un espectro de emisión único. Johannes Rydberg (1890) sintetizó las relaciones Johannes Rydberg (1890) sintetizó las relaciones

espectrales en la siguiente ecuación.espectrales en la siguiente ecuación.

donde: donde: R = constante de Rydberg = 109 678 cm R = constante de Rydberg = 109 678 cm –1–1

Para iones similares al de hidrógeno Para iones similares al de hidrógeno (isoelectrónicos) como el He(isoelectrónicos) como el He+1+1, Li, Li+2+2, Be, Be+3+3 y otras y otras partículas:partículas:

= 1 = R ( 1 - 1 ) ni

2 nf2

= = 11 = RZ = RZ 22 ( ( 1 1 - - 1 1 ) ) nnii

22 n nff22

MODELO ATÓMICO DE BOHRMODELO ATÓMICO DE BOHR

El trabajo de Niels Bohr (1913) fue la primera El trabajo de Niels Bohr (1913) fue la primera

aplicación de la hipótesis cuántica a la aplicación de la hipótesis cuántica a la estructura atómica que tuvo cierto éxito.estructura atómica que tuvo cierto éxito.

1º POSTULADO:1º POSTULADO: ESTABILIDAD DEL ELECTRÓN ESTABILIDAD DEL ELECTRÓN

vv22 = = ZeZe22

mrmrEc = Ec = 11 ZeZe22

2 r2 r

2º POSTULADO: 2º POSTULADO: ÓRBITAS PERMITIDASÓRBITAS PERMITIDAS momento angular = (# entero) momento angular = (# entero) h h 22

m v r = n m v r = n hh 22

r = (0,529 Aº) r = (0,529 Aº) nn22

ZZr = ar = aoo nn22

ZZ

3º POSTULADO: 3º POSTULADO: EMISIÓN Y ABSORCIÓN DE EMISIÓN Y ABSORCIÓN DE ENERGÍA RADIANTEENERGÍA RADIANTE

E = EE = Eff - E - Eii

E = h E = h => => E Eff – E – Eii = h = h

ECUACIÓN EMPÍRICA DE BALMER Y RYDBERGECUACIÓN EMPÍRICA DE BALMER Y RYDBERG

RZ RZ 22 ( ( 1 1 - - 1 1 ) = ) = 1 1 = = nnii

22 n nff22

4º POSTULADO: 4º POSTULADO: NIVELES ESTACIONARIOS DE NIVELES ESTACIONARIOS DE ENERGÍAENERGÍA

EETOTALTOTAL = E = Ecc + E + Epp

EEcc = = Z eZ e22 , E , Epp = - = - Z eZ e22 , E , ETT = - = - Z eZ e22

2r r 2r2r r 2r Reemplazando valores:Reemplazando valores:

EETT = - 13,6 = - 13,6 Z Z 22 eV = - 313,6 eV = - 313,6 Z Z 22 KcalKcal n n 22 n n 22 mol mol => R=> RHH = 2,18 x 10 = 2,18 x 10 – 18– 18 J J

EETT = - R = - RHH Z Z 22

n n 22

El modelo del El modelo del átomo de Bohr átomo de Bohr logra explicar la logra explicar la estabilidad de los estabilidad de los átomos, la energía átomos, la energía de ionización y los de ionización y los espectros de los espectros de los átomos de átomos de hidrógeno o hidrógeno o semejantes ( por semejantes ( por ejemplo , ejemplo , 22He He +1+1 , ,

33Li Li +2+2 y y 44Be Be +3+3 ). ).

MODELO ATÓMICO MODERNOMODELO ATÓMICO MODERNO

DUALIDAD DE LA MATERIADUALIDAD DE LA MATERIA

Luis de Broglie (1924), sugirió que todo Luis de Broglie (1924), sugirió que todo corpúsculo en movimiento va asociada a una corpúsculo en movimiento va asociada a una onda, es decir una perturbación de tipo onda, es decir una perturbación de tipo oscilatorio.oscilatorio.

“ “La materia al igual que la energía, presenta La materia al igual que la energía, presenta un carácter dualístico de onda - partícula”.un carácter dualístico de onda - partícula”.

E = mcE = mc22 ........ 1 ........ 1 PARTÍCULAPARTÍCULA E = hc / E = hc / ........ ........ 2 2 ONDA ONDA 1=2 1=2

vmh.

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISEMBERGHEISEMBERG

Werner Heisemberg (1926): “ Es imposible Werner Heisemberg (1926): “ Es imposible conocer con exactitud y al mismo tiempo, el conocer con exactitud y al mismo tiempo, el momento y la posición del electrón”.momento y la posición del electrón”.

p = mvp = mv

p = m. p = m. vv

p = p = m.vm.vp x h

4

ECUACIÓN DE SCHRODINGERECUACIÓN DE SCHRODINGER Conocida como ecuación de onda, describe el Conocida como ecuación de onda, describe el

comportamiento de un electrón dotándole de comportamiento de un electrón dotándole de la naturaleza ondulatoria y corpuscular la naturaleza ondulatoria y corpuscular simultáneamente.simultáneamente.

Donde:Donde: (psi) : función de onda.(psi) : función de onda. m : masa del electrónm : masa del electrón E : energía totalE : energía total V : energía potencialV : energía potencial

22 : probabilidad de encontrar al electrón en cierta región. : probabilidad de encontrar al electrón en cierta región.

22 + + 22 + + 22 + + 8 8 22mm ( E – V) ( E – V) = 0 = 0 xx2 2 y y22 z z22 h h22

La solución de esta ecuación es :La solución de esta ecuación es :

Dirac - JordanDirac - Jordan completaron la ecuación de completaron la ecuación de Schrodinger incorporando la teoría general Schrodinger incorporando la teoría general de la relatividad de Einsten a la mecánica de la relatividad de Einsten a la mecánica cuántica y es precisamente donde aparece un cuántica y es precisamente donde aparece un cuarto parámetro cuántico denominado “spin” cuarto parámetro cuántico denominado “spin” (ms).(ms).

= f (n, l, m= f (n, l, mll))

= f (n, l, m= f (n, l, mll, m, mss))

NÚMEROS CUÁNTICOSNÚMEROS CUÁNTICOS Describen los estados energéticos del Describen los estados energéticos del

electrón y también proporcionan tres electrón y también proporcionan tres características fundamentales del orbital.características fundamentales del orbital.

Un electrón queda definido por los cuatro Un electrón queda definido por los cuatro números cuánticos: n, l, mnúmeros cuánticos: n, l, ml l y my mss..

NOMBRENOMBRE SIGNIFICADOSIGNIFICADOCARACTERISTICA CARACTERISTICA

FISICAFISICA

VALORES VALORES

PERMITIDOSPERMITIDOS

PRINCIPALPRINCIPAL

( ( nn ) )NIVELNIVEL TAMAÑOTAMAÑO

CUALQUIER

VALOR VALOR ENTEROENTERO

DE MOMENTO

ANGULAR O

SECUNDARIO O AZIMUTAL

( ( ll ) )

SUBNIVELSUBNIVEL FORMAFORMA

CUALQUIER

VALOR ENTERO

ENTRE ENTRE

0 y ( n-1) 0 y ( n-1)

MAGNÉTICOMAGNÉTICO

( ( mmll )) ORBITALORBITAL ORIENTACIÓNORIENTACIÓN

CUALQUIER VALOR ENTERO

ENTRE – l y +lENTRE – l y +l

SPINSPIN

((mmSS))ELECTRÓNELECTRÓN GIRO DEL GIRO DEL

ELECTRÓNELECTRÓNSOLAMENTE SOLAMENTE DOS VALORESDOS VALORES

ORBITALES ATÓMICOSORBITALES ATÓMICOS

Se llama ORBITAL a la representación Se llama ORBITAL a la representación completa de la probabilidad de hallar un completa de la probabilidad de hallar un electrón en diversos puntos de un espacio electrón en diversos puntos de un espacio delimitado.delimitado.

ll NOMBRE DEL ORBITALNOMBRE DEL ORBITAL FORMAFORMA

00

11

22

33

33

55

..

..

..

ss

pp

dd

ff

gg

hh

..

..

..

ESFÉRICAESFÉRICA

2 LÓBULOS2 LÓBULOS

4 LÓBULOS4 LÓBULOS

FORMAS DIFÍCILESFORMAS DIFÍCILES

DE REPRESENTARDE REPRESENTAR

..

..

..

..

ORBITALORBITAL

APAREADO O LLENO O SATURADOAPAREADO O LLENO O SATURADO DESAPAREADO O SEMILLENODESAPAREADO O SEMILLENO __ VACÍO__ VACÍO

REPRESENTACIÓN DE ORBITALESREPRESENTACIÓN DE ORBITALES ORBITAL sORBITAL s

1s1s 2s2s 3s …3s …

ORBITAL pORBITAL p

ORBITAL dORBITAL d

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICACONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

Es la forma en que los electrones se Es la forma en que los electrones se distribuyen entre los diferentes distribuyen entre los diferentes orbitales de un átomo.orbitales de un átomo.

Los orbitales se llenan en orden de Los orbitales se llenan en orden de energía crecienteenergía creciente

PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULIPRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI Wolfgang Pauli (1926)

“En un átomo no puede haber dos electrones que tengan iguales los cuatro números cuánticos”.

Ejemplo:

(a) (b) (c)

2He :

1s2 1s2 1s2

SUSTANCIA PARAMAGNÉTICA SUSTANCIA PARAMAGNÉTICA .- Es aquella .- Es aquella que es atraída por un imán y se les reconoce que es atraída por un imán y se les reconoce porque tienen electrones desapareados.porque tienen electrones desapareados.

SUSTANCIA DIAMAGNÉTICA SUSTANCIA DIAMAGNÉTICA .- Es aquella .- Es aquella que es débilmente repelida o no son atraídas que es débilmente repelida o no son atraídas por un imán, en este caso no tiene por un imán, en este caso no tiene electrones desapareados.electrones desapareados.

MOMENTO MAGNÉTICO ( MOMENTO MAGNÉTICO ( ) )

Es la fuerza con que es atraída una sustancia paramagnética por un campo magnético externo.

La susceptibilidad paramagnética de una sustancia se mide en términos de un momento magnético ( ), que se relaciona con el número de electrones no apareados ( i ).

= i (i +2)

PRINCIPIO DE MÁXIMA MULTIPLICIDAD PRINCIPIO DE MÁXIMA MULTIPLICIDAD (REGLA DE HUND)(REGLA DE HUND)

F. Hund “El orden de llenado en un subnivel es aquel en el que hay el máximo

número de orbitales semillenos. Los elementos de estos orbitales tienen los spines paralelos”

Ejemplo: (a)

6C: ___ ___

1s2 2s2 2px 2py 2pz

(b)

2px 2py 2pz

(c) 2px 2py 2pz

PRINCIPIO DE AUFBAUPRINCIPIO DE AUFBAU “ “Aufbau” palabra alemana que significa Aufbau” palabra alemana que significa

construcción.construcción. “ “Los electrones se distribuyen en orden Los electrones se distribuyen en orden

creciente de la energía relativa (Ecreciente de la energía relativa (ERR) de los ) de los subniveles “.subniveles “.

1s1s22 < 2s < 2s2 2 < 2p < 2p66 < 3s < 3s2 2 <... <...

# de electrones# de electrones nivelnivel 66 66pp33 subnivel (l =1)subnivel (l =1)

EERR = n + l = n + l

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA ESTABLECONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA ESTABLE Sucede cuando un átomo completa ocho Sucede cuando un átomo completa ocho

electrones en su última capaelectrones en su última capa

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA KERNEL CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA KERNEL (Simplificada)(Simplificada)

““Kernel” palabra alemana que significa corazón.Kernel” palabra alemana que significa corazón. Se puede realizar la distribución electrónica Se puede realizar la distribución electrónica

simplificada haciendo uso de la configuración simplificada haciendo uso de la configuración electrónica de un gas noble, más cercano al electrónica de un gas noble, más cercano al elemento.elemento.

Ejemplo:Ejemplo: 1313Al : Al : [Ne][Ne] 3s 3s22 3p 3p11

donde: donde: [Ne][Ne] representa el Kernel de neón. representa el Kernel de neón.

REACCIONES NUCLEARESREACCIONES NUCLEARES

CARACTERÍSTICAS-Sólo intervienen los núcleos -Sólo intervienen los núcleos atómicos.atómicos.-Están involucradas grandes -Están involucradas grandes cantidades de energía.cantidades de energía.-La velocidad de reacción no -La velocidad de reacción no está influenciada por factores está influenciada por factores externos (P, T y catalizadores).externos (P, T y catalizadores).-Los átomos reactantes -Los átomos reactantes pierden su identidad, formando pierden su identidad, formando nuevos núcleos.nuevos núcleos.

Control de la radioactividad en el medio natural durante un estudio de campo.

Contador Geiger moderno

PartículaPartícula S Z S Z AA

NeutrónNeutrón n 0 n 0 11

ProtónProtón p H 1 1 p H 1 1

Partícula beta (electrón)Partícula beta (electrón) β e -1 0 β e -1 0

Positrón (electrón positivo) β e 1 0Positrón (electrón positivo) β e 1 0

Partícula alfa (núcleo de helio) α He 2 4Partícula alfa (núcleo de helio) α He 2 4

Deuterón (núcleo de hidrógeno pesado) H 1 2Deuterón (núcleo de hidrógeno pesado) H 1 2

11

10

11

01

01

01

01

42

42

21

ESTABILIDAD NUCLEARESTABILIDAD NUCLEAR

El factor principal El factor principal para determinar si para determinar si el núcleo es el núcleo es estable es la estable es la relación neutrón a relación neutrón a protón (n : p).protón (n : p).

PRINCIPIOS DE CONSERVACIÓNPRINCIPIOS DE CONSERVACIÓN

-Conservación del número de masa (A)-Conservación del número de masa (A)

-Conservación del número atómico (Z)-Conservación del número atómico (Z)

-Conservación de la masa – energía-Conservación de la masa – energía

-Conservación del momento lineal-Conservación del momento lineal

-Conservación del momento angular-Conservación del momento angular

1n0

U235

92+ Cs

138

55Rb

96

37

1n0

+ + 2

235 + 1 = 138 + 96 + 2x1

1n0

U235

92+ Cs138

55Rb96

37

1n0

+ + 2

92 + 0 = 55 + 37 + 2x0

ECUACIONES NUCLEARESECUACIONES NUCLEARES

Notación normal y abreviada de diversas Notación normal y abreviada de diversas reacciones.reacciones.

N + H N + H C + He C + He , N (p, , N (p, ) C) C

Al + n Al + n Mg + H Mg + H , Al (n, p) Mg, Al (n, p) Mg

..

. .

..

147

11

116

42

2713

10

2712

147

116

11

2713

2712

RADIACTIVIDAD NATURALRADIACTIVIDAD NATURAL

Un núcleo inestable produce una reacción Un núcleo inestable produce una reacción llamada descomposición radiactiva o llamada descomposición radiactiva o desintegración.desintegración.

Un núcleo radiactivo se convierte en otro Un núcleo radiactivo se convierte en otro mediante uno de los procesos siguientes:mediante uno de los procesos siguientes:

-Desintegración -Desintegración ::

XX Y Y + + AZ

42

AZ

42

REACCIONES NUCLEARES

--Desintegración Desintegración --

X X Y Y + e + + e + עע

nn p p + + + + עע

-Desintegración -Desintegración ++

X X Y Y + e + + e + עע

pp n n + + + + עע

AZ

AZ

AZ 1

01

10

AZ 1

11

01

01

01

11

10

AZ

01

--Captura de un Electrón – kCaptura de un Electrón – k

X + X + Y Y עע + +

pp + + n + n + עע

-Desintegración -Desintegración γγ

( X )* ( X )* X X + +

Núcleo excitadoNúcleo excitado Núcleo estable Núcleo estable

AZ 1

11

01

10

AZ

AZ

KAZ

01

RADIACTIVIDAD ARTIFICIALRADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

N + He N + He O O + + p p

Esta reacción demostró por primera vez la Esta reacción demostró por primera vez la posibilidad de convertir un elemento en otro; posibilidad de convertir un elemento en otro; esto es, la posibilidad de la transmutación esto es, la posibilidad de la transmutación nuclear.nuclear.

147

42

11

178

FISIÓN NUCLEARFISIÓN NUCLEAR

Proceso en el cual un núcleo pesado (número de Proceso en el cual un núcleo pesado (número de masa >200) se divide para formar núcleos más masa >200) se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso menos estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energía. libera una gran cantidad de energía.

La reacción de fisión del Uranio-235La reacción de fisión del Uranio-235

FUSIÓN NUCLEARFUSIÓN NUCLEAR

Combinación de pequeños núcleos para formar Combinación de pequeños núcleos para formar otros mayores, está en gran parte exenta del otros mayores, está en gran parte exenta del problema de desperdicios. Ocurre problema de desperdicios. Ocurre constantemente en el sol (constituido en su constantemente en el sol (constituido en su mayoría de hidrógeno y helio).mayoría de hidrógeno y helio).

Fusión nuclear de dos isótopos de Fusión nuclear de dos isótopos de hidrógenohidrógeno                     

H + HH + H HeHe

He +He + He He HeHe + 2 H+ 2 H

HH + H + H HH + +

Como las reacciones de fusión sólo se llevan a Como las reacciones de fusión sólo se llevan a cabo a muy altas temperaturas se les conoce cabo a muy altas temperaturas se les conoce como reacciones termonucleares.como reacciones termonucleares.

11

42

11

11

01

11

21

32

32

32

21

ACELERADORES DE PARTICULASACELERADORES DE PARTICULAS

AceleradorAcelerador PP EECiclotron Lawrence-Livingston Protón 1,2 MeVCiclotron Lawrence-Livingston Protón 1,2 MeVGenerador Cockcroft – Walton ProtónGenerador Cockcroft – Walton Protón 0,5 0,5Betatron KerstBetatron Kerst Electrón 20 Electrón 20Linac Stanford Mark IILinac Stanford Mark II Electrón 35 Electrón 35Acelerador Lineal StanfordAcelerador Lineal Stanford Electrón 20 Electrón 20Sincrotron de ElectronesSincrotron de Electrones Electrón 10 GeV Electrón 10 GeVSincotron de ProtonesSincotron de Protones Protón Protón 500 500

En los aceleradores de partículas más antiguos se usaba un Generador de Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó al desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven , se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).

Imagen aérea del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores más grandes del mundo.

Sala de control del Ciclotrón

Ciclotrón

REACTORES NUCLEARESREACTORES NUCLEARES

-Reactores de Fisión-Reactores de Fisión

Una aplicación pacífica de la fisión nuclear pero Una aplicación pacífica de la fisión nuclear pero que causa gran controversia, es la generación que causa gran controversia, es la generación de electricidad utilizando calor de una reacción de electricidad utilizando calor de una reacción en cadena, controlada en un reactor nuclear.en cadena, controlada en un reactor nuclear.

Centro nuclear de HuarangalCentro nuclear de Huarangal(PERU)(PERU)

Huarangal, Perú, cerca de Lima. En este centro atómico del Instituto Nuclear del Perú (INPE) la construcción más notable es el reactor nuclear RP10.

Esquema del funcionamiento de una central nuclear

-Reactores de Fusión-Reactores de Fusión

No existen. El problema básico es encontrar una No existen. El problema básico es encontrar una forma de mantener los núcleos juntos el tiempo forma de mantener los núcleos juntos el tiempo suficiente, y la temperatura apropiada para que suficiente, y la temperatura apropiada para que ocurra la fusión.ocurra la fusión.

Tokamak JET

BALANCE DE MATERIA – ENERGIABALANCE DE MATERIA – ENERGIADe acuerdo con la relación de equivalencia masa – De acuerdo con la relación de equivalencia masa – energía de Einsten (E = mcenergía de Einsten (E = mc22), se puede calcular la ), se puede calcular la energía liberada de la siguiente forma:energía liberada de la siguiente forma:

E = Energía de los productos – Energía de losE = Energía de los productos – Energía de los reactivosreactivos

m = Masa de los productos – Masa de losm = Masa de los productos – Masa de los reactivosreactivos

E = (E = (m) cm) c22

El cambio de energía calculado a partir del El cambio de energía calculado a partir del defecto de masa de un núcleo se llama energía defecto de masa de un núcleo se llama energía de enlace del núcleo (energía requerida para de enlace del núcleo (energía requerida para descomponer el núcleo en protones y neutrones descomponer el núcleo en protones y neutrones individuales ).individuales ).

Energía de enlace nuclear Energía de enlace nuclear

Energía de enlace nuclear =Energía de enlace nuclear =

por nucleónpor nucleón Número de nucleones Número de nucleones

Energía de enlace por nucleón para el núcleo de fluor-19.Energía de enlace por nucleón para el núcleo de fluor-19.

∆ ∆E = ∆ mcE = ∆ mc2 2

∆ ∆ mm = = (9 x masa p + 10 x masa n ) - masa (9 x masa p + 10 x masa n ) - masa 1919F F

∆ ∆ mm (uma) = (uma) = (9x1,007825 + 10x1,008665 ) – (9x1,007825 + 10x1,008665 ) – 18,9984 18,9984

∆ ∆ mm = 0,1587 uma 1 uma = 1,49 x 10 = 0,1587 uma 1 uma = 1,49 x 10-10 -10 JJ

∆ ∆ EE = 2,37 x 10 = 2,37 x 10-11-11J c = J c = 3 x 103 x 1088 m/s m/s

energía de enlace por nucleón =

energía de enlace

número de nucleones

= 2,37 x 10-11 J

19 nucleones= 1,25 x 10-12 J

El núcleo más estable es el hierro-56 al que corresponde una energía de enlace de 8,8 MeV/nucleón. Las mayores energías de enlace por nucleón se presentan para números másicos comprendidos entre 40 y 100 aproximadamente.

PELIGROS DE LA RADIACIÓNPELIGROS DE LA RADIACIÓN

Forman radicales libres.Forman radicales libres. Así la formación de un Así la formación de un único radical libre puede iniciar un gran número único radical libre puede iniciar un gran número de reacciones químicas, que finalmente pueden de reacciones químicas, que finalmente pueden interrumpir las funciones normales de las interrumpir las funciones normales de las células.células.

Partículas PeligrosasPartículas Peligrosas.- Rayos .- Rayos , , , X,; poseen , X,; poseen energía, muy superiores a las energías de energía, muy superiores a las energías de enlace ordinarias y a las de ionización.enlace ordinarias y a las de ionización.

EFECTOS BIOLÓGICOSEFECTOS BIOLÓGICOS

-Daño somático-Daño somático.-.- Afecta al organismo en sí y le provoca Afecta al organismo en sí y le provoca enfermedad o muerte.enfermedad o muerte.

-Daño genético-Daño genético.-.- Afecta a la descendencia porque daña Afecta a la descendencia porque daña los genes y los cromosomas, el material reproductor del los genes y los cromosomas, el material reproductor del organismo.organismo.

UNIDADES DE MEDIDA DE LA RADIACIONUNIDADES DE MEDIDA DE LA RADIACION

-Curie (Ci)-Curie (Ci)

- Rad - Rad (Dosis de radiación absorbida)(Dosis de radiación absorbida)

-Número de REMS-Número de REMS(Equivalente ROENTGEN (Equivalente ROENTGEN para el hombre)para el hombre)

RBE (Eficacia biológica radiactiva)RBE (Eficacia biológica radiactiva)RBE (rayos RBE (rayos ) = 10) = 10RBE (rayos RBE (rayos ) = RBE ( rayos ) = 1) = RBE ( rayos ) = 1

Rad = Rad = 1x 10 1x 10-2-2 J/kg de material J/kg de material irradiadoirradiado

Curie (Ci) = 3,7 x 10Curie (Ci) = 3,7 x 101010 desintegraciones nucleares por desintegraciones nucleares por segundosegundo

Número de REMS = Número de REMS = (Número de Rad) (RBE)(Número de Rad) (RBE)

Dosis (REM)Dosis (REM) EfectoEfecto

0 a 250 a 25 Efectos clínicos no detectablesEfectos clínicos no detectables

25 a 5025 a 50Ligeros, disminución de glóbulos Ligeros, disminución de glóbulos blancosblancos

100 a 200100 a 200 Naúseas, marcada disminución Naúseas, marcada disminución de glóbulos blancosde glóbulos blancos

500500 MuerteMuerte

Dosímetros

APLICACIONESAPLICACIONES

-Agricultura-Agricultura.- .- Radiación gama del Co 6O u Radiación gama del Co 6O u otras fuentes para desarrollar granos resistentes otras fuentes para desarrollar granos resistentes a las enfermedades, o altamente productivos.a las enfermedades, o altamente productivos.

-Trazadores isotópicos-Trazadores isotópicos.-.- Los compuestos que Los compuestos que contienen un radionúclido se dice que son contienen un radionúclido se dice que son trazadores o señaladores.trazadores o señaladores.

Determinación del mecanismo mediante el cual el Determinación del mecanismo mediante el cual el COCO22 se fija en forma de carbohidrato (C se fija en forma de carbohidrato (C66 H H12 12 OO66) )

durante la fotosíntesis.durante la fotosíntesis.

48h48hעע

6 CO6 CO2 2 + 6 + 6 HH22OO C C66 H H1212 O O66 + 6 + 6 OO22

18

Celdas de Producción de

Radioisótopos

-Control de Plagas-Control de Plagas.-.- Para controlar y en Para controlar y en algunas zonas eliminar el gusano algunas zonas eliminar el gusano barrenador.barrenador.

-Diagnóstico-Diagnóstico.-.- Diagnóstico médico. Diagnóstico médico.Eficiencia cardiaca, función tiroidea, etc.Eficiencia cardiaca, función tiroidea, etc.

-Radioterapia y Quimioterapia-Radioterapia y Quimioterapia.-.- Se Se emplea el radio en el tratamiento del emplea el radio en el tratamiento del cáncer.cáncer.

-Fechado-Fechado.-.- Se basa en la velocidad de Se basa en la velocidad de decaimiento del C14.decaimiento del C14.Cinética del Decaimiento Radiactivo:Cinética del Decaimiento Radiactivo:

K = cte de velocidad de 1er ordenK = cte de velocidad de 1er ordenN= # de núcleos radiactivos presentes en elN= # de núcleos radiactivos presentes en el

tiempo ttiempo t

Velocidad de decaimiento = Velocidad de decaimiento = KNKN

en el tiempo ten el tiempo t

Probabilidad de desintegración = - Probabilidad de desintegración = - dNdN

NN

K = K = -1-1 dNdN = cte de desinteg = cte de desinteg

NN dt dt

ActividadActividad = - dN desinteg/seg= - dN desinteg/seg

dtdtActividadActividad = KN = KN

desinteg/segdesinteg/seg

Si existen No núcleos en el tiempo t = oSi existen No núcleos en el tiempo t = o

dNdN = = - k dt - k dt

NN

N

No

t

t 0

ln ln N N = - = - ktktNoNo

N = No eN = No e-kt-kt

A = Ao eA = Ao e-kt-kt

Actividad = KN Actividad = KN

Vida media : t Vida media : t ½½

Tiempo requerido para que la Tiempo requerido para que la concentración de uno de los concentración de uno de los reactivos disminuya a la mitad de su valor reactivos disminuya a la mitad de su valor inicial.inicial.

Cuando t = tCuando t = t½½ ,, N = N = 11 No No

22

en en N = No eN = No e-kt-kt

11 No = No e No = No e-kt-kt , , 11 = e = e-k t-k t½½

2 22 2

-ln 2 = -kt-ln 2 = -kt½½

t t ½½ = =

lln2n2 kk

t t ½½ = =

0,6930,693 kk