QUÌMICA NUCLEARAl comenzar el estudio de la química nuclear es necesario tener en cuenta ciertas ideas :

En primer lugar recordar que en el núcleo residen dos tipos de partículas subatómicas el protón y el neutrón que son llamadas nucleones.

Todos los átomos de un elemento determinado tienen el mismo número de protones, este número se conoce como número atómico.

Sin embargo los átomos de un mismo elemento pueden tener número diferente de neutrones, por lo tanto diferente masa y se conocen como isótopos. Por ejemplo existen en la naturaleza 3 isótopos del uranio que tienen masas atómicas de 234, 235 y 238. Isótopos diferentes tienen abundancias diferentes. En el caso del uranio el 99,3% es U-238; el 0,7% es de U-235 y sólo trazas de U-234. Las propiedades nucleares dependen de la cantidad de nucleones o sea de protones y neutrones, en cambio las propiedades químicas no las afecta el número de nucleones.

Radiactividad: Se llama radiactividad a la emisión espontánea de partículas y radiaciones electromagnéticas que sufren algunos núcleos inestables para estabilizarse. Los isótopos radiactivos se conocen como radioisótopos.

Las emisiones pueden ser : Emisiones α , formadas por partículas con carga +2 y masa 4. Se representan

como 42 α ó 4

2 He . Este tipo de radiación es muy poco penetrante, se pueden detener con una hoja de papel o simplemente a 10 cm de la muestra. Pero son muy ionizantes por lo que es peligrosa su ingestión.Por ejemplo : 238

92U → 42 α + 234

90 Th Emisiones β , se trata de emisión de un electrón, pero no un electrón de la

perisferia sino que proviene de la desintegración de un neutrón del núcleo y deja como resultado el aumento de una unidad en los protones. La radiación producida es más penetrante que la alfa, se necesitan unos milímetros de material liviano como aluminio, madera o plexiglás.Por ejemplo : 234

90 Th → 0-1 e + 234

91 Pa

Emisión de un positrón (también llamada β+) se trata de la emisión de una partícula igual a un electrón pero con carga positiva que proviene de la descomposición de un protón del núcleo que queda como positrón y neutrón.Por ejemplo : 11

6C → 0+1 e + 11

5 B

Emisión γ se trata de energía electromagnética solamente sin emisión de partículas. Es la más peligrosa, solo se puede detener con unos cuantos cm de material pesado como plomo o cemento. Acompaña las emisiones α y β .

Captura electrónica : Este es el único tipo de reacción nuclear en la que intervienen electrones de la perisferia. Se produce la captura de un electrón de los del nivel más interno que rodean al núcleo.Por ejemplo :

8137 Rb + 0

-1 e → 8136 Kr

La captura de un electrón transforma un protón en neutrón.

RECORDAR

Partícula Símbolo neutrón 1

0 n

protón 11 p

electrón 0-1 e

Partícula α 42 α ó 4

2 He Partícula β 0

-1 e ó 0-1 β

positrón 01 e ó β+

Estabilidad nuclear: No hay una regla sencilla para determinar si un núcleo en particular será radiactivo y cómo se desintegrará. Pero se pueden tener en cuenta algunas observaciones empíricas que ayudan a hacer predicciones.

Todos los núcleos de Z > 84 son inestables Los núcleos con 2, 8, 20, 28, 50 u 82 protones o con 2, 8, 20, 28, 50, 82 o

126 neutrones, forman capas nucleares cerradas. Los núcleos con capa cerrada son más estables que los que no la tienen. Estos números se llaman números mágicos.

Los núcleos con número par de ambos protones y neutrones, generalmente son más estables que los que tienen un número impar de nucleones.

La estabilidad de un núcleo tiene cierta correlación con el cociente entre el número de neutrones y protones. Aparentemente los neutrones ayudan a mantener la estabilidad del núcleo debido a la presencia de partículas de intercambio llamadas piones entre protones y neutrones. A medida que aumenta la cantidad de protones se necesitan más cantidad de neutrones para mantener la estabilidad. Los átomos más chicos, con menor cantidad de protones tienen una cantidad de neutrones igual a la de protones o sea una relación de 1. Cuando aumenta la cantidad de protones la relación se hace cercana a 1,5 en lo que se llama el cinturón de estabilidad.

Serie radiactiva: Algunos núcleos, como el uranio-238, no pueden estabilizarse por una emisión sencilla. En consecuencia sufre una serie de emisiones sucesivas. Estas emisiones sucesivas continúan hasta que se forma un núcleo estable, el plomo-206.Una serie de desintegraciones sucesivas que comienzan con un núcleo inestable y terminan con uno estable se conoce como serie radiactiva. En l naturaleza existen tres de estas series, la del uranio-238 al plomo-206; la del uranio-235 y termina con plomo-207; y otra que empieza con torio-232 y termina con plomo-208.

Radiactividad artificial: Se trata de reacciones nucleares inducidas artificialmente, realizando el “bombardeo” de núcleos con partículas, que pueden ser neutrones, partículas alfa o protones. Tales reacciones han permitido la síntesis de cientos de isótopos en el laboratorio. Se llaman transmutaciones nucleares. Estas conversiones se representan en el orden: el núcleo que es el blanco, la partícula con la que se bombardea, la partícula expulsada y el núcleo producido. Por ejemplo:

2713Al + 1

0 n → 2411Na + 4

2 α se puede expresar como 27Al (n, α) 24 Na

En general, es más común el bombardeo con neutrones porque son partículas neutras eléctricamente, en cambio los protones y partículas alfa son cargadas positivamente y para hacerlas chocar contra un núcleo (que es positivo) es necesario acelerarlas en un acelerador de partículas que le da la energía suficiente para chocar y romper el núcleo.

Cinética en las reacciones: Todas las reacciones nucleares son de orden 1 y por lo tanto cumplen con la ecuación cinética correspondiente: L A = L Ao - K.t donde A es la cantidad de nucleido final Ao es la cantidad de nucleido inicial K es la constante de rapidez t es el tiempo

Para este tipo de reacciones el tiempo que demora la cantidad inicial en reducirse a la mitad se llama tiempo medio o vida media o tiempo de semidesintegración y se calcula como L2/K o lo que es igual 0,693/K.

FISION NUCLEAR: Es un tipo de reacción nuclear donde se produce la ruptura de núcleos grandes por medio del bombardeo con neutrones y se forman núcleos más chicos y a su vez más neutrones. Debido a la formación de los neutrones la reacción se produce en cadena. Esta reacción en cadena es controlada por unas barras de cadmio o de boro que absorben los neutrones. Otra forma de controlar la reacción en cadena es usando una cantidad de masa mínima llamada masa subcrítica. Es el tipo de reacción que se utiliza en los reactores nucleares para la producción de energía eléctrica. Tiene el inconveniente de que se forman cantidad de isótopos radiactivos (más de 200 de 35 elementos diferentes) de difícil eliminación.

FUSION NUCLEAR: Las reacciones de este tipo son las responsables de la energía del sol. Se produce la fusión de núcleos pequeños para producir núcleos más grandes. Se trata de isótopos del hidrógeno que se unen para formar helio. La fusión es atractiva como fuente de energía debido a la disponibilidad de isótopos ligeros y porque los productos de la fusión no son radiactivos. A pesar de ello, actualmente no se usa la fusión para generar energía. El problema es que se necesitan elevadas temperaturas para compensar la repulsión entre los núcleos y darle suficiente energía. La menor temperatura requerida para llevar a cabo una fusión es de 40.000.000 K. Las reacciones de fusión se conocen como reacciones termonucleares.