Química nuclear. Electrónica de los átomos y la fisión y fusión del núcleo., Guías, Proyectos, Investigaciones de Química

¡Descarga Química nuclear. Electrónica de los átomos y la fisión y fusión del núcleo. y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Química solo en Docsity! 1 Química Nuclear Contenidos Pag. 1. La naturaleza del núcleo 1 2 Radiactividad 2 2.1 Emisión Alfa 4 2.2 Emisión Beta Positiva 5 3. Fisión y Fusión Nuclear 6 4. Problemas 7 5. Respuestas a los problemas 12 En las reacciones químicas ordinarias sólo intervienen los electrones de los átomos. Los núcleos mantienen sus identidades y sólo son importantes en la medida en que influyan sobre los electrones determinando propiedades tales como energía de ionización, afinidades electrónicas, etc. Sin embargo, la naturaleza del núcleo es un tema importante para los químicos porque la materia también sufre transformaciones en las cuales intervienen directamente los núcleos y porque el estudio de dichas transformaciones ha ampliado considerablemente nuestro conocimiento acerca de la naturaleza de la materia. 1 La naturaleza del núcleo Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones, partículas que en conjunto reciben el nombre de nucleones. En un núcleo atómico, el número de protones, igual al número de electrones del átomo y se denomina número atómico (Z), el número total de nucleones es el número de masa (A). En consecuencia, el número de neutrones es simplemente A - Z. Los isótopos de un elemento son aquellos átomos que tienen el mismo número atómico pero diferentes números de masas, es decir, diferentes números de neutrones. Por lo tanto, el número atómico identifica a un elemento dado, y el número de masa al isótopo de ese elemento. Cuando es necesario especificar un isótopo particular de un elemento dado, el número de masa se coloca como un superíndice y el número atómico como un subíndice, ambos a la izquierda del símbolo que representa al elemento: XA Z . Por ejemplo, los dos isótopos naturales del litio son 3 6 Li y 3 7 Li . La unidad de masa nuclear es la unidad de masa atómica (uma), la cual se define como exactamente igual a 1/12 de la masa del átomo 6 12 C . En esta escala, el neutrón tiene una masa de 1,0086650 uma, mientras que la masa de un átomo de hidrógeno, protón más electrón, es de 1,0078250 uma y la del protón es de 1,0072765 uma. La unidad de energía más utilizada en trabajo nuclear es el electrón-voltio (eV), que es la energía de un electrón cuando atraviesa una diferencia de potencial de 1 V, y es igual a la carga electrónica e en coulombios multiplicada por 1 V. Pero en el sistema SI de unidades, coulomb
voltio = joule, luego 2 1 eV = (1,60210×10−19 C)(1 V) = 1,60210×10−19 J Eu= 2,0447× 10− 11 J 1,6021× 10− 19 J eV− 1= 1,2763× 108 eV= 127 , 63 MeV Para referencias futuras, los factores de conversión importantes son 11024 mol kJ 1049241MeV 47931g 1066061uma 1 −−− ×=⇒×= ,,, Se ha observado que los núcleos con un número par de protones y de neutrones son particularmente estables. En la Figura 1 se muestra la distribución de los núcleos estables conocidos. La mayoría de los núcleos estables contienen un número par de protones y un número par de electrones. Por otra parte, para cada número atómico impar nunca existen más de dos núcleos estables, mientras que para cada número atómico par existen hasta diez núcleos estables. Los dos elementos con Z < 83 que nunca se han encontrado en la naturaleza son 43Tc y 61Pm, y ambos tienen números atómicos impares. Estas observaciones sugieren que hay un apareamiento independiente de protones y neutrones que afecta a la estabilidad nuclear. La existencia de estas relaciones ha sugerido un modelo de capas para el núcleo y un esquema de niveles de energía análogo al utilizado para los electrones en los átomos, y esta idea ha permitido hacer ciertas predicciones acertadas de varias propiedades nucleares. A Protones Neutrones Número de núcleos par par par 157 par impar impar 5 impar impar par 50 impar par impar 52 Figura 1 Frecuencia de ocurrencia de los núcleos estables. 2 Radiactividad Algunos núcleos, a pesar de ser inestables, existen en la naturaleza, mientras que otros se obtienen sintéticamente. Los núcleos inestables sufren espontáneamente ciertos cambios, conocidos con el nombre de desintegración radiactiva, mediante los cuales se transforman en núcleos más estables. Los núcleos más estables tienen números de masa cercanos a 60, por lo que la fisión (división) de un núcleo muy pesado en dos núcleos de masa próxima a 60 es un proceso que libera energía y que, por lo tanto, debería ser espontánea. Sin embargo, la fisión espontánea es bastante rara, y la mayoría de los núcleos radiactivos se desintegran espontáneamente por medio de ciertos procesos que tienden a transformarlos en núcleos más estables. Podemos entender el fundamento de los diferentes procesos de desintegración radiactiva considerando la Figura 2 en la cual se ha representado el número de neutrones contra el número de protones para todos los núcleos estables. Los núcleos que están fuera de la región de estabilidad de la Figura 2 son inestables porque o tienen un exceso de neutrones (están a la izquierda) o tiene un exceso de protones (están a la derecha). En cualquier caso, existen mecanismos de desintegración radiactiva que permiten reducir estos excesos. Estos mecanismos son los siguientes. 5 Po210 84 → HePb 4 2 206 82 +* ( 5a) *Pb206 82 → γ+Pb206 82 ( 5b) Los rayos
emitidos por un núcleo específico tienen un valor o conjunto de valores de energía definido, por lo que se piensa que corresponden a transiciones entre niveles discretos de energía dentro del núcleo. En consecuencia, un espectro de emisión
es análogo al espectro de líneas que resulta de las transiciones de electrones entre los niveles de energía en un átomo excitado. 2.2 Emisión Beta Positiva La emisión beta positiva consiste en la producción de una partícula β+ o positrón, quien no es más que un electrón positivo el cual se representa como 1 0 e . Por consiguiente, un positrón tiene la misma masa que un electrón pero carga opuesta. Los positrones se originan por la conversión de un protón nuclear en un neutrón y, por lo tanto, la emisión de positrones es otro mecanismo para aumentar la relación neutrón:protón. La emisión de un positrón aumenta en uno el número de neutrones y, a la vez, reduce en uno el número de protones. Como ejemplo de este tipo de desintegración radiactiva tenemos: O15 8 → e0 1 15 7 N + (0,88) → (1,14) (7) Mg23 12 → e0 1 23 11Na+ (0,92) → (1,09) (8) K38 19 → e0 1 38 18 Ar+ (1,00) → (1,11) (9) I122 53 → e0 1 122 52Te+ (1,30) → (1,35) (10) El cálculo de la energía liberada en este tipo de proceso requiere un poco más de cuidado que en los casos anteriores. Tomando como ejemplo el proceso (7), tenemos que diferencia de masa = núcleo de O15 8 - (núcleo de e0 1 15 7 N + ) = (núcleo de O15 8 + 8 e0 1− ) - (núcleo de ee 0 1 0 1- 15 7 8 N ++ ) = átomo O15 8 - (átomo ee 0 1 0 1- 15 7 N ++ ) = átomo O15 8 - (átomo e0 1- 15 7 2 N + ) = 15,00308 - (15,00011 + 2 x 5,4858x10−4) = 0,00187 uma E = 1,74 MeV 6 Por lo tanto, para la emisión espontánea de un positrón es necesario que la masa del núcleo padre exceda a la masa del núcleo hijo en por lo menos 0,00110 uma, la masa de dos electrones. 3. Fisión y Fusión Nuclear En las reacciones de fisión nuclear un núcleo pesado se divide en núcleos de elementos más ligeros con emisión de neutrones. Los núcleos pesados tienen relaciones neutrón: protón mucho mayores que los núcleos de masa intermedia (Figura 2). Los neutrones liberados durante los procesos de fisión hacen descender las relaciones neutrón: protón de los núcleos producidos. Sin embargo, generalmente estos últimos todavía son inestables, por lo que posteriormente continúa el ajuste de la relación neutrón: protón, casi siempre mediante emisión beta. Las dos reacciones posibles para la fisión del 92 235 U inducida por neutrones lentos son n1 0 235 92 U + → n1 0 140 56 93 36 3 Ba Kr ++ (11) n1 0 235 92 U + → n1 0 144 54 90 38 2 Xe Sr ++ (12) Estas fisiones producen núcleos más estables que el 92 235 U por lo que liberan energía. Una fisión típica de un núcleo de 92 235 U libera aproximadamente 200 MeV. La fisión de cada núcleo 92 235 U es inducida por un solo neutrón (reacciones (11) y (12)) pero produce varios neutrones. Si cada neutrón producido induce, a su vez, la fisión de otro núcleo 92 235 U , se producirá una reacción en cadena. Este es el principio de la bomba atómica y de los reactores nucleares. Ahora bien, en una pequeña cantidad de 92 235 U que se fisiona, muchos de los neutrones producidos se pierden por la superficie de la masa antes de que puedan inducir nuevas fisiones. Sin embargo, si el tamaño de la masa fisionable excede un cierto valor, la masa crítica, los neutrones son capturados antes de que puedan abandonar la masa y resulta la reacción explosiva en cadena. Una bomba atómica se hace explotar juntando dos partes de material fisionable, cada una de masa subcrítica, en una masa supercrítica. La reacción se inicia mediante un neutrón. Los neutrones lentos, además de inducir la fisión del 92 235 U , también inducen la fisión de otros núcleos como 92 233 U y 94 239 Pu . Tanto el 92 235 U como el 94 239 Pu son los núcleos utilizados comúnmente como combustibles nucleares. La fisión controlada del combustible en un reactor nuclear sirve como fuente de energía y como fuente de neutrones y de radiación γ. En un reactor nuclear, los cilindros que contienen por lo menos la masa crítica del combustible están rodeados por un moderador que sirve para frenar los neutrones producidos por las fisiones, aumentando así la probabilidad de su captura. El factor de producción de neutrones debe mantenerse cercano a 1. Si desciende por debajo de este valor la reacción en cadena se detendrá (se apagará el reactor), y si aumenta demasiado por encima de este valor la reacción se 7 puede hacer incontrolablemente explosiva. Para mantener el factor cercano a 1, se inserta dentro del reactor barras de control de cadmio, acero al boro u otros materiales. n1 0 113 48 Cd + → γ+ Cd114 48 (13) n1 0 10 5 B + → γ+ B11 5 (14) Los núcleos producidos, 48 114 Cd y 5 11 B , no son radiactivos. La fusión nuclear es un proceso en el cual se fusionan núcleos muy ligeros para formar núcleos más pesados. La curva de la Figura 1 indica que tales procesos deben liberar más energía que los procesos de fisión. La bomba de hidrógeno se basa en la fusión nuclear. Las reacciones de fusión tienen elevadas energías de activación y, por lo tanto, requieren una elevada temperatura para iniciarse, por lo que generalmente se utiliza una bomba de fisión para generar dichas temperaturas. Se cree que la energía solar proviene de la conversión de hidrógeno en helio mediante la fusión nuclear. Se ha postulado las siguientes reacciones: H H 1 1 1 1 + → e0 1 2 1 H + (15) H H 2 1 1 1 + → γ+ He3 2 (16) He He 3 2 3 2 + → H2 He 1 1 4 2 + (17) Problemas R O N N M M A S I C O T V H U R A N I O Z X I S O P O T O S I G Z Z H M A A B E T A F B B X X J M Y C U R I O N O R T U E N K A S M J J R R V O P S F I T F U S I O N M V L O X R T A T O M I C A N Z X M Y I J Q P A A L S R A D O N R E G I E G Sopa de letras 10 d) Los isótopos 23 y 24 del sodio se diferencian en el número de protones que poseen. 7. ¿Cuál de los siguientes átomos contiene exactamente 15 protones? a) 32P b) 32S c) 15O d) 15N 8. ¿Cuál de las siguientes especies tiene el mismo número de neutrones que de protones? a) 47Cr b) 60Co3+ c) 24Mg2+ d) 35Cl– 9. Un isótopo del elemento K tiene número de masa 39 y número atómico 19. El número de electrones, protones y neutrones, respectivamente, para este isótopo es: a) 19, 20, 19 b) 19, 39, 20 c) 19, 19, 39 d) 19, 19, 20 e) 20, 19, 19 10. Se las siguientes afirmaciones: 1) Isótopos son átomos de un mismo elemento con diferente número de electrones. 2) La masa atómica relativa de un elemento viene dada por su número total de electrones. 3) Aproximadamente, la masa atómica relativa de un elemento es la suma de la masa de protones más la masa de los electrones. 4) Aproximadamente, la masa atómica relativa de un elemento es la suma de protones más los neutrones. Señale cuál de las propuestas siguientes es correcta: a) Sólo la 1 y 2 son falsas. b) 1 y 4 son ciertas. c) Sólo la 4 es cierta. d) Ninguna es cierta. 11. Al hablar de isótopos nos estaremos refiriendo a: a) Átomos de la misma masa atómica. b) Átomos con distinto número de electrones. c) Átomos con el mismo número atómico pero con distinto número de neutrones. d) Átomos con el mismo número másico pero con distinto número de protones. 12. Por definición, el número de masa o "número másico" de un átomo indica: a) La suma de electrones más protones presentes en el átomo. b) La suma de neutrones más protones presentes en el átomo. c) El número de neutrones presentes en el átomo. d) El número de protones presentes en el átomo. 11 13. El número de neutrones del núcleo de un átomo de 238 92U es: a) 92 b) 330 c) 238 d) 146 14. El número de neutrones en el núcleo de un elemento de número atómico 51 y de número másico 122 es: a) 51 b) 173 c) 71 d) 173 15. ¿Cuántos electrones, neutrones y protones tiene el ion 146Nd3+ (Z = 60)? a) 57,86, 60 b) 60, 86, 57 c) 57, 73, 73 d) 70, 73, 70 16. Indique la proposición correcta: a) La reacción nSiHeMg 1 0 27 14 4 2 24 12 +→+ es una reacción de fusión. b) La reacción nZrnU 1 0 97 40 1 0 235 92 2+→+ es una reacción de bombardeo. c) La reacción nRbnRb 1 0 84 37 1 0 85 37 2+→+ es una reacción de fisión. d) La reacción nHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 +→+ es una reacción de fusión. e) El C14 6 muestra la misma actividad nuclear que el C14 6 . 17. La energía asociada con la emisión de una partícula del 238U, correspondiente a la siguiente reacción HeThU 4 2 234 90 238 92 +→ es: a) 4,2 MeV b) 2 MeV c) 18,4 MeV d) 1,7 MeV e) 6,5 MeV Datos. Masas atómicas (u): 0508,238238 92 =U ; 0437,234234 90 =Th ; 0026,44 2 =He . 18102,9979 −⋅⋅ sm=c ; MeV= 12106,24141J ⋅ ; g= 24101,661u −⋅ . 18. ¿Cuál de los siguientes tipos de emisiones nucleares conducen a una disminución de la carga nuclear? A) Emisión alfa. B) Emisión beta. C) Emisión de positrones. D) Captura de electrones. a) A y B b) B y D c) A y C d) A, C y D 12 e) Solamente D 19. ¿Cuál de los siguientes pares de núclidos son isóbaros a) As81 33 y Se81 34 b) Se82 34 y Se85 34 c) Rb81 37 y Sr88 38 d) Br85 35 y Kr82 36 e) Sr84 38 y Y85 39 20. Si el 238U experimenta emisión α, ¿cuál es el otro núclido que se produce? a) 234Th b) 234U c) 234Pa d) 236Np (Datos. Z (Th) = 90, Z (U) = 92, Z (Pa) = 91, Z (Np) = 93) 21. Madame Curie debe su fama a que, entre otras cosas: a) Descubrió la radiactividad. b) Descubrió el polonio. c) Calculó, de forma exacta, la carga del electrón. d) Verificó experimentalmente el segundo postulado de Bohr. 22. ¿Cuál de las siguientes reacciones nucleares se produce por emisión de un positrón? a) MgAl 26 12 26 13 → b) SeAs 75 34 75 33 → c) PbPo 206 82 214 84 → d) NeF 20 10 19 9 → e) NiNi 64 28 58 28 → Respuestas a los Problemas de Química Nuclear P R P R 1 c 12 b 2 b 13 d 3 d 14 c 4 c 15 a 5 b 16 d 6 a 17 a 7 a 18 d 8 c 19 a 9 d 20 a