Química nuclear Capítulo 23 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.  Permission required for reproduction or display.

X Número atómico (Z) = número de protones en el núcleo Número de masa (A) = número de protones + número de neutrones = número atómico (Z) + número de neutrones Número de masa X A Z Símbolo del elemento Número atómico 1p 1 1H o protón 1n neutrón 0e -1 0b o electrón 0e +1 0b o positrón 4He 2 4a o partícula a A 1 1 4 Z 1 -1 +1 2 23.1

Balanceo de las ecuaciones nucleares Conservar el número de masa (A). La suma de protones más los neutrones en los productos debe igualar la suma de protones más neutrones en los reactivos. 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 235 + 1 = 138 + 96 + 2x1 Conservar el número atómico(Z) o carga nuclear. La suma de cargas nucleares en los productos debe igualar la suma de cargas nucleares en los reactivos. 1n U 235 92 + Cs 138 55 Rb 96 37 + 2 92 + 0 = 55 + 37 + 2x0 23.1

212Po desintegra por la emisión alfa 212Po desintegra por la emisión alfa. Escriba la ecuación nuclear balanceada para el Desintegración de 212Po. 4He 2 4a o partícula alfa - 212Po 4He + AX 84 2 Z 212 = 4 + A A = 208 84 = 2 + Z Z = 82 212Po 4He + 208Pb 84 2 82 23.1

Tabla 23.1 Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares Reacciones químicas Reacciones nucleares 1. Los átomos se organizan por la ruptura y formación de enlaces químicos. 2. Sólo los electrones de los orbitales atómicos o moleculares participan en la ruptura y formación de enlaces. 3. Las reacciones se acompañan por la absorción o liberación de cantidades de energía relativamente pequeñas. 4. Las velocidades de reacción se ven afectadas por la temperatura, presión, concentración y catalizadores. 1. Los elementos (o los isótopos de los mismos elementos) se convierten entre sí. 2. Pueden participar protones, neutrones, electrones y otras partículas elementales. 3. Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de cantidades enormes de energía 4. Las velocidades de reacción, por lo general, no se ven afectadas por la temperatura, la presión o los catalizadores. 23.1

Estabilidad nuclear y desintegración rdiactiva Desintegración beta 14C 14N + 0b + n 6 7 -1 Disminuye # de neutrones por 1 40K 40Ca + 0b + n 19 20 -1 Aumenta # de protones por 1 1n 1p + 0b + n 1 -1 Desintegración del positrón 11C 11B + 0b + n 6 5 +1 Aumenta # de neutrones por 1 38K 38Ar + 0b + n 19 18 +1 Disminuye # de protones por 1 1p 1n + 0b + n 1 +1 n y n tienen A = 0 y Z = 0 23.2

Estabilidad nuclear y desintegración radiactiva Desintegración de captura del electrón 37Ar + 0e 37Cl + n 18 17 -1 Aumenta # de neutrones por 1 55Fe + 0e 55Mn + n 26 25 -1 Disminuye # de protones por 1 1p + 0e 1n + n 1 -1 Desintegración alfa Disminuye # de neutrones por 2 212Po 4He + 208Pb 84 2 82 Disminuye # de protones por 2 Fisión espontánea 252Cf 2125In + 21n 98 49 23.2

X Y n/p demasiado grande Desintegración beta n/p demasiado pequeño Cinturón de estabilidad X Número de neutrones Neutrone/protones = 1 Y n/p demasiado pequeño Desintegración de positrón o captura de eléctrón Número de protones 23.2

Número de isótopos estables Estabilidad nuclear Ciertos números de neutrones y protones son extra estables n o p = 2, 8, 20, 50, 82 y 126 Como los números extra estables de electrones en los gases nobles (e- = 2, 10, 18, 36, 54 y 86) Los núcleos con números pares de protones y neutrones son más estable que aquellos con números impares de neutrones y protones Todos los isótopos de los elementos con números atómicos superiores a 83 son radiactivos Todos los isótopos de Tc y Pm son radiactivos Tabla 23.2 Número de isótopos estables con números par e impar de proteínas y neutrones Protones Neutrones Número de isótopos estables Impar Par Impar Par 23.2

BE = 9 x (p masa) + 10 x (n masa) – 19F masa Energía de unión nuclear (BE) es la energía requerida para romper un núcleo en sus protones y neutrones BE + 19F 91p + 101n 9 1 E = mc2 BE = 9 x (p masa) + 10 x (n masa) – 19F masa BE (uma) = 9 x 1.007825 + 10 x 1.008665 – 18.9984 BE = 0.1587 uma 1 uma = 1.49 x 10-10 J BE = 2.37 x 10-11J energía de unión número de nucleones energía de unión por nucleón = = 2.37 x 10-11 J 19 nucleones = 1.25 x 10-12 J 23.2

Energía de unión nuclear por nucleón contra número de masa Energía de unión nuclear por nucleón (J) Número de masa energía de unión nuclear nucleón estabilidad nuclear 23.2

Cinética de la desintegración radiactiva Tabla 23.3 La serie de decaimiento del uranio años Cinética de la desintegración radiactiva días N hijo velocidad = - DN Dt velocidad = lN años años DN Dt = lN - años días N = N0exp(-lt) lnN = lnN0 - lt N = el números de átomos en tiempo t N0 = el números de átomos en tiempo t = 0 l es la constante de desintegración años ln2 = t½ l días días 23.3

Cinética de la desintegración radiactiva [N] = [N]0exp(-lt) ln[N] = ln[N]0 - lt [N] ln [N] 23.3

Datación de carbono radiactivo 14N + 1n 14C + 1H 7 1 6 14C 14N + 0b + n 6 7 -1 t½ = 5730 años Datación del Uranio-238 238U 206Pb + 8 4a + 6 0b 92 -1 82 2 t½ = 4.51 x 109 años 238U t1 - 238U 206Pb 2 4.51 x 109 yr 23.3

Transmutación nuclear Voltaje alterno Campo magnético 14N + 4a 17O + 1p 7 2 8 1 27Al + 4a 30P + 1n 13 2 15 14N + 1p 11C + 4a 7 1 6 2 Blanco Des Acelerador ciclotrónico de partículas 23.4

Tabla 23.4 Los elementos transuránicos Transmutación nuclear Tabla 23.4 Los elementos transuránicos Número atómico Nombre Símbolo Preparación Neptunio Plutonio Americio Curio Berkelio Californio Einstenio Fermio Mendelevio Nobelio Lawrencio Rutherfordio Dubnio Seaborgio Bohrio Hassio Meitnerio 23.4

Fisión nuclear 235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energy 92 54 38 Energía = [masa235U + masa n – (masa 90Sr + masa 143Xe + 3 x masa n )] x c2 Energía = 3.3 x 10-11J por 235U = 2.0 x 1013 J por mol 235U Combustión de1 ton de carbón = 5 x 107 J 23.5

Fisión nuclear Reacción de fisión representativa 235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energía 92 54 38 Cantidades relativas de los productos de fisión Número de masa 23.5

Fisión nuclear Reacción nuclear en cadena es una secuencia autosuficiente de reacciones de fisión nuclear. La masa mínima de material fisionable requerida para generar una reacción nuclear en cadena autosuficiente es la masa crítica. No crítica Crítica 23.5

Fisión nuclear Diagrama esquemático de un reactor de fisión nuclear Blindaje Vapor Hacia la turbina de vapor Diagrama esquemático de un reactor de fisión nuclear Blindaje Agua Bomba Barra de control Combustibles de uranio 23.5

Producción anual de residuos Fisión nuclear Producción anual de residuos 35,000 tons SO2 4.5 x 106 tons CO2 70 ft3 residuos vitrificados 3.5 x 106 ft3 ceniza carbón encendido planta de potencia 1,000 MW planta nuclear de potencia 1,000 MW 23.5

Tiempo de almacenamiento de combustible consumido (en años) Fisión nuclear Riesgos de las radiactividades en combustible consumido comparado con la mena de uranio Riesgos relativos mena Tiempo de almacenamiento de combustible consumido (en años) 23.5 De: “Science, Society and America’s Nuclear Waste,” DOE/RW-0361 TG

Tokamak confinador magnético de plasma Fusión nuclear Reacción de fusión Energía liberada 2H + 2H 3H + 1H 1 6.3 x 10-13 J 2H + 3H 4He + 1n 1 2 2.8 x 10-12 J 3.6 x 10-12 J 6Li + 2H 2 4He 3 1 2 Tokamak confinador magnético de plasma 23.6 Imán Plasma

Radioisótopos en Medicina 1 de cada tres pacientes fuera del hospital sufrirán un procedimiento de la medicina nuclear 24Na, t½ = 14.8 hr, emisor b, rastreador de flujo sanguíneo 131I, t½ = 14.8 hr, emisor b, actividad de la glándula tiroidea, 123I, t½ = 13.3 hr, rayo emisor de g, imágenes del cerebro, 18F, t½ = 1.8 hr, emisor b +, tomografía de emisión de positrón, 99mTc, t½ = 6 hr, rayo emisor de g, agente de imágenes, Imágenes del cerebro con un compuesto marcado con yodp-123 23.6

Contador Geiger-Müller Ánodo Cátodo Aislante Ventana Gas argón Amplificador y contador Alto voltaje 23.6

Efectos biológicos de la radiación dósis de radiación absorbida (rad) 1 rad = 1 x 10-5 J/g de material roentgen equivalent for man (rem) (equivalente roentgen para el hombre) 1 rem = 1 rad x Q Quality Factor Factor de calidad Tabla 23.6 Dosis promedio de radiación anual de los estadounidenses rayo- g = 1 Fuente Dosis(mrem/año)* b = 1 Rayos cósmicos Fondo y alrededores Cuerpo humano† Rayos X de uso clínico y dental Viajes aéreos Pruebas bélicas fallidas Desechos nucleares Total a = 20 *mrem =1 millirem = 1x10-3 rem. † La radioactividad en el cuerpo proviene de los alimentos y del aire. 23.6