Fusión nuclear

Sol

+ +

Cuatronúcleos dehidrógeno(protones)

Dos partículas beta

(electrones)

UnNúcleo de

helio

He e2 H4 4

2

0

1-

1

1 + Energía

Conservación de la masa… la masa se convierte en energía

Hidrógeno (H2) H = 1.008 uHelio (He) He = 4.004 u

FUSIÓNFUSIÓN

  2 H2             1 He + ENERGÍA

1.008 ux 44.0032 u = 4.004 u + 0.028 u

Esta relación fue descubierta por Albert EinsteinE = mcE = mc22

Energy= (masa) (velocidad de la luz)2

Fusión nuclear

ray Gamma He H H 32

11

21

H2 He He He 11

42

32

32

Fusión nuclear

Neutrino e H H H 01

21

11

11

(Positrón)

Fusión fría

• ¿Fraude?

• Los experimentos deben repetirse y

ser válidos Stanley Pons y

Martin Fleischman

Reactor Tokamak

• Reactor de fusión• 10.000.000

o Centígrado• En ruso significa

“anillo torroidial” (en forma de anillo)

• Campo magnético contiene plasma

centralsolenoide

imán

Campo de Poloidallimán

Campo de Torroidalimán

Fisión vs. Fusión

Fusiona pequeños átomos2H2 He

NingúnDesperdicioRadiactivo

TemperaturasMuy altas

~5.000.000 oC(SOL)

Divide átomos grandes

U-235

Desperdicio

Radiactivo (vida media larga)

CentralesNucleares

Similar Diferente

CreanGrandes cantidades

de la energíaE = mc2

Transmutaciónde elementos

ocurre

Cambian Núcleo

de Átomos

Fusión

Diferente

Tópico Tópico

Fisión

Estructura atómica

• ÁTOMOSÁTOMOS– Difieren por el número de protones

• IONESIONES– Difieren por el número de electrones

• ISÓTOPOSISÓTOPOS– Difieren por el número de neutrones

carbón vs. oxígeno6 protones 8 protones

C C4+     C4

6 e-          2 e-         e 106 p+ 6 p+          6 p+

C-12 vs. C-14

6 e-                     e 66 p+ 6 p+

6 n0                          8 n0

Defecto de masaDefecto de masaDefecto de masaDefecto de masa

Diferencia entre la masa del átomo y la masa de sus partículas individuas.

4.00260 u 4.03298 u

Cortesía Christy Johannesson www.nisd.net/communicationsarts/pages/chem

Energía de enlace Energía de enlace nuclearnuclear

Energía de enlace Energía de enlace nuclearnuclear

La energía liberada cuando se forma un núcleo de los nucleones.

Alta energía de enlace = núcleo estable.

E = mc2E: energía (J)m: defecto de masa (kg)c: velocidad de la luz

(3.00×108 m/s)

Cortesía Christy Johannesson www.nisd.net/communicationsarts/pages/chem

Energía de enlace nuclear

U-238

10x108

9x108

8x108

7x108

6x108

5x108

4x108

3x108

2x108

1x108

Fe-56

B-10

Li-6

H-2

He-4

00 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Número másico

Ene

rgía

de

enla

ce p

or n

ucle

ón(k

J/m

ol)

Los núclidos inestables son radiactivos y experimentan decaimiento radiactivo.

Defecto de masa y estabilidad nuclear

2 protones: (2 x 1.007276 u) = 2.014552 u

2 neutrones: (2 x 1.008665 u) = 2.017330 u

2 electrones: (2 x 0.0005486 u) = 0.001097 u

Masa combinada total: 4.032979 u

La masa atómica de un átomo de He es 4.002602 u.Ésta es 0.030368 u menos que la masa combinada.

Esta diferencia entre la masa de un átomo y la suma de las masas de sus protones, neuronas, y electrones se llama el defecto de masa.

= 4.002602 u

Energía de enlace nuclear¿Qué causa la pérdida de masa?

Según la ecuación de Einstein E = mc2

Convierte el defecto de masa en las unidades de energía

0.030368 u1.6605 x 10-27  kg

1 u = 5.0426 x 10-29  kg

El equivalente de energía ahora puede ser calculado

E = m c2

E = (5.0426 x 10-29  kg) (3.00 x 108 m/s)2

E = (4.54 x 10-12  kg m2/s2) = 4.54 x 10-12  J

Ésta es la ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR, la energía liberada cuando un núcleo se forma de los nucleones.

Energía de enlace por nucleón

1) calcula el defecto de masa

3) E = mc2

4) Divide la energía de enlace por el número de nucleones

protones: u 1.007276

neutrones: u 1.008665

electrones: 0.0005486 u

2) Convierte u kg

1 u______ u1.6605 x 10-27 kg

= _____ kg

velocidad de la luz (c) 3.00 x108 m/s

Li7

3

Li - 7

número atómico(# de protones)

número másico(# de protones

+ neutrones)

La energía de la fusiónLa reacción de fusión libera una cantidad enorme de energía relativa ala masa de los núcleos que se juntan en la reacción. Una cantidad tan enormede energía se libera porque alguna de la masa de los núcleos originales se convierte en la energía. Se puede calcular la cantidad de energía liberada por esta conversiónpor usar la ecuación de la relatividad de Einstein E = mc2.  Imagina que, en un cierto punto en el futuro, la fusión nuclear controlada se hace posible. Eres un científico que experimenta con la fusión y quieres determinar en julios la producción de la energía producida por la fusión de un mol de deuterio (H-2) con un mol del tritio (H-3), según las indicaciones del la siguiente ecuación:

n He H H 10

42

31

21

n He H H 10

42

31

21

Primero, debes calcular la masa que es “perdida” en la reacción de fusión. Las masas atómicas de los reactantes y de los productos son como lo siguente:  deuterio (2.01345 u), tritio (3.01550 u), helio-4 (u 4.00150), y un neutrón (1.00867 u).

2.01345 u 3.01550 u 4.00150 u 1.00867 u

5.01017 u5.02895 u

defecto de masa: 

5.02895 u 5.01017 u

-0.01878 u

Según la ecuación de Einstein E = mc2

Convierte el defecto de masa en las unidades de energía

0.01878 u1.6605 x 10-27 kg

1 u = 3.1184 x 10-29 kg

El equivalente de energía ahora puede ser calculado

E = m c2

E = (3.1184 x 10-29 kg) (3.00 x 108 m/s)2

E = (2.81 x 10-12 kg m2/s2) = 2.81 x 10-12  J

Ésta es la ENERGÍA DE ENLACE NUCLEAR, para la formación de un sólo átomo del helio de un átomo del deuterio y del tritio.

n He H H 10

42

31

21

defecto de masa = 0.01878 u

Por lo tanto, un mol de helio formó por la fusión de un mol de deuterio y un mol de hidrógeno sería 6.02 x 1023 veces de energía mayor.

2.81 x 10-12  J

6.02 x 1023

1.69 x 1012  J de la energía liberada por mol del helio formado

La combustión de un mol del propano (C3H8), que tiene una masa de 44 g, libera 2.043 x 106 J. ¿ Cómo compara a la energía liberada por la fusión del deuterio y del tritio, que calculaste?

C3H8  + O2             H2O + CO2   + 2.043 x 106 J (desequilibrada)

44 g

1.690.000.000.000 J2.043.000 J

4 g He44 g C3H8

La fusión produce ~1.000.000 x más energía/mol

x

1.690.000.000.000 J

Lise Meitner y Otto Hahn

Átomos para la paz

• Eisenhower- Demuestra que la ciencia nuclear no es

malvada- Tiene buenas aplicaciones, también.

• Irradiación de alimentos• Tratamiento contra el cáncer• Tomografía computarizada o por emisión de

positrones • Destruyen las bacterias del ÁNTRAX

Bombardeo de Japón en WW II

    Radiología

© de los derechos reservados Pearson 2007 Benjamin Cummings. Todos los derechos reservados.

Película fotográfica expuesta y revelada

Película fotográfica cerradaen recipiente resistente a la luz

Radiografías

Radiografía torácica que demuestra la escoliosis corrigida con una barra de acero

Radioisótopos

• Isótopos radiactivos• Muchas aplicaciones

– Diagnósticos médicos– Composición óptima de fertilizantes

– Estudios de la abrasión en motores y neumáticos

Se inyecta el radioisótopo en el torrente sanguíneo paraobservar la circulación.

Isótopos de tres elementos comunes

Elemento Símbolo Abundancia

Fraccionaria

Masa Atómica Promedi

a

Carbono

Clorina

Silicio Si

Si

Si

28

29

30

27.977

28.976

29.974

92.21%

  4.70%

  3.09%

12

 613

 6

3517

3717

2814

2914

3014

12.01

35.45

28.09

1.11%13.00313C

99.89%12 (exactamente)12C

Masa (u)

75.53%

24.47%36.96637Cl

34.96935Cl

Número

másico

JR de LeMay, Beall, Robblee, Brower, conexiones de la química a nuestro mundo de cambio, 1996, página 110

Radiactividad y energía nuclearPrueba de la práctica

1. ¿Cuál de lo siguiente no es un ejemplo del proceso radiactivo espontáneo?a. decaimiento alfab. decaimiento betac. producción del positrónd. autoionizacióne. captura de electrón

2. Si un núcleo captura un electrón, describe cómo el número atómico cambiará.a. Aumentará por unob. Disminuirá por unoc. No cambiará porque el electrón tiene una masa tan pequeña d. Aumentará por dose. Disminuirá por dos

147

0-1

146

número másico

número atómico

N C+

Radiactividad y energía nuclear

3. El polonio es un elemento naturalmente radiactivo que decae con la pérdida de unapartícula alfa. 

a. Rn-214b. Pb-206c. At-206d. Hg-208e. ninguno de éstos

4. Torio-234 experimenta la producción de la partícula beta. ¿Cuál es el otro producto?

¿Po He +?21084

42

a.    PAb.    CAc.    Thd.    The. ninguno de éstos

23491

23489

23390

23391

Po + Rn21084

42

21486

+ Pb del Po21084

42

20682

absorción alfa

emisión alfa

Th + PA23490

0-1

23491

¿Cuál es el segundo producto de este decaimiento?

+

n

Radiactividad y energía nuclear

5. El elemento curio (Z = 242, A = 96) puede ser producido por el bombardeo de un ion positivo-cuando una partícula alfa choca con ¿ cuál de los núcleos siguientes? Recuerde que un neutrón es también un producto de este bombardeo.

a.    Cfb.    PUc.    d.    Ue.    PU

24998

24194

24195

23992

23994

6. Cuando N es bombardeado por (y absorbe) un protón, un nuevo núclido esproducido más una partícula alfa. ¿El núclido producido es ____?

147

23994

42

24296

10

147

11

116

42

CmPU + +2+

N p C + C-11

Radiactividad y energía nuclear

7. Cuando el núcleo del uranio-235 se choca con un neutrón, los núcleos del cesio-144 y de estroncio-90 se producen con algunos neutrones y electrones.

8. Cuando el núcleo del paladio-106 se choca con una partícula alfa, un protón es producido junto con un nuevo elemento. ¿Cuál es el nuevo elemento?

a. 2b. 3c. 4d. 5e. 6

a. 1b. 2c. 3d. 4e. 5

a. cadmio-112b. cadmio-109c. plata-108d. plata-109e. ninguno de éstos

U + Cs + Sr de n + 2 n + 23592

10

14455

9038

10

0-1

Pd + p + AG10646

42

11

10947

b) ¿Se producen cuántos electrones?a) ¿Se producen cuántos neutrones?

Radiactividad y energía nuclear

9. El estroncio-90 de una caída radiactiva es una amenaza de la salud porque, como _______,se incorpora en el hueso.

a. yodob. cesioc. hierrod. calcioe. uranio

10. La fusión nuclear utiliza núclidos pesados tales como U como combustible. Verdad/falso23592

El estroncio (Sr) y el calcio (Ca) sonmetales de tierra alcalina. El estroncio es químicamente más reactivo que el calcio.

FALSO,La fisión nuclear parte núclidos pesados tal como U-235 para el combustible en reactores nucleares.La fusión nuclear junta núclidos ligeros tal como H-1 en He-4 (en el sol).

Problemas del libro de textoQuímica moderna

Capítulo 22Página 704 #1-4 Revisión de la secciónPágina 712 #1-5 Revisión de la secciónPágina 715 #1-4      Página 719 #1-4Final del capítulo #25-47 (página 723-724)

25.  La masa de un átomo de Ne-20 es 19.99244 u. Calcula su defecto de masa.

26.  La masa de Li-7 es 7.01600 u. Calcula su defecto de masa.

27.  Calcula la energía de enlace nuclear de un átomo de litio-6. La masa atómica medida de litio-6 es 6.015 u.