Estructura de la materia Temas de Química y su enseñanza III Dr. Víctor Manuel Ugalde Saldívar

El origen de los elementos Sesión # 2 El origen de los elementos

Estructura de la materia El origen de los planetas y las características de elementos que constituyen nuestro planeta

DESARROLLO DE LOS SISTEMAS PLANETARIOS

ORIGEN Los sistemas planetarios se formaron a partir del hidrógeno y helio iniciales producidos en la Gran Explosión o Big Bang que dio origen al Universo y son en su totalidad sistemas de segunda generación (o posterior), formados a partir de los restos de estrellas de generaciones anteriores en las que se generaron mediante nucleosíntesis elementos pesados que más tarde se dispersaron en el espacio por explosiones estelares.

El origen de los planetas (Texto para condensar) Cerca de una estrella joven, el material más ligero del disco (fundamentalmente hidrógeno y helio gaseosos) sale despedido debido al calor de la estrella. El material que queda está compuesto por miles de millones de pequeños granos de polvo que colisionan y se agrupan formando partículas mayores. Cuando la estrella empieza a brillar (convirtiendo hidrógeno en helio por fusión nuclear en su interior), las partículas de materia pueden tener unos cuantos milímetros de tamaño, y se empiezan a concentrar en un disco más fino alrededor de la estrella. El proceso de acreción —la acumulación de partículas que se van quedando ‘pegadas’— avanza hasta que los granos de polvo originales se han convertido en pedazos de roca de aproximadamente 1 km de anchura, similares a los numerosos asteroides que orbitan en la actualidad en torno al Sol entre las órbitas de Marte y Júpiter Cuando los pedazos de roca alcanzan este tamaño, empiezan a atraerse entre sí por gravedad de forma significativa, lo que los reúne en grupos que orbitan juntos alrededor de la estrella, chocando ocasionalmente entre sí. La gravedad agrupa más y más los pedazos, y los trozos más grandes (los que ejercen una mayor atracción gravitatoria) atraen cada vez más material, y crecen convirtiéndose en planetas y lunas.

Estructura de la materia Elementos e isótopos

¿Qué identifica en cada una de las siguientes imágenes?

La primera es Dalton, quién propuso la teoría de que cada molécula está compuesta por un número definido de átomos. Postuló que todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí y diferentes de los átomos de cualquier otro elemento.

La segunda imagen, fue obtenida con un microscopio electrónico de barrido (efecto túnel), pueden verse los átomos individuales dispuestos de forma uniforme en la superficie de un cristal de germanio. Si se colocaran uno junto a otro sobre una línea, 100 millones de estos átomos apenas cubrirían 1 centímetro.

Las diferencias La diferencia entre ambas imágenes, obedece a la posibilidad que tenemos como seres humanos de utilizar el sentido de la vista para la descripción de lo que nos rodea. Cuando los objetos que observamos tienen un tamaño conveniente (observables a simple vista), la descripción puede se muy precisa. Cuando los objetos salen del umbral de lo perceptible por el ojo humano, la descripción es imprecisa y requerimos de herramientas y modelos para apoyar nuestra observación. Los modelos, se vuelven necesarios para comprender nuestra realidad.

Isótopos del hidrógeno Un electrón y un protón Un electrón, un protón y un neutrón Un electrón, un protón y dos neutrón

Definición Conclusión, los isótopos son núcleos del mismo elemento (mismo número atómico o número de protones), pero con diferente un número de neutrones.

¿Cómo los puedo diferenciar?

Espectrómetro de masas

Espectrómetro de masas El espectrómetro de masas es un instrumento que ioniza moléculas o átomos, los acelera (incrementa su velocidad) y dependiendo de su cantidad de movimiento (momentum=masa x velocidad), separa a las partículas aceleradas, determinando de este modo la masa exacta que tiene.

Núclido Símbolo Masa atómica (uma) % abundancia Neutrón 1.00867 Protón 1.00728 Electrón 0.000549 Hidrógeno-1 1.007825 99.985 Hidrógeno-2 2.0140 0.015 Helio-3 3.01605 0.00013 Helio-4 4.0026 100 Litio-6 6.01512 7.42 Litio-7 7.01600 92.58

Núclido Símbolo Masa atómica (uma) % abundancia Berilio-9 9.01218 100 Boro-10 10.0129 19.78 Boro-11 11.0931 80.22 Carbono-12 12.0000 98.89 Carbono-13 13.00335 1.11 Nitrógeno-14 14.00307 99.63 Nitrógeno-15 15.00011 0.37 Oxígeno-16 15.99491 99.759 Oxígeno-17 16.99914 0.037 Oxígeno-18 17.99916 0.204

¿Qué es el uma?

Unidad de masa atómica (uma) Todas la masas atómicas son referidas a la masa del C-12. La masa atómica del 12C son 12 uma. Si una uma es la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. ¿Cuánto vale una uma en Kg? Recuerde que un mol de 12C tiene 6.023x1023 átomos y su masa molar son 12 g mol-1

¿Cuál es la masa atómica promedio del oxígeno en uma? Ejercicio ¿Cuál es la masa atómica promedio del oxígeno en uma?

MASA ATÓMICA PROMEDIO Isótopos más abundantes del oxígeno Símbolo Masa (uma) % abundancia Oxígeno-16 15.99491 99.759 Oxígeno-17 16.99914 0.037 Oxígeno-18 17.99916 0.204 Si logramos contar 100,000 átomos de oxígeno 99,759 serían de oxígeno-16 37 serían de oxígeno-17 204 serían de oxígeno-18

CÁLCULOS

Definiciones La tabla periódica de los elementos, contiene la información de las masas atómicas promedio de los elementos, de acuerdo con su abundancia natural. La abundancia natural es la fracción porcentual de los diferentes isótopos que conforman en nuestro planeta a cada elemento.

Estructura de la materia El núcleo atómico

EJERCICIO NOMBRE MOLIBDENO Símbolo Mo Período 5 Grupo 6 Masa atómica (g) 95,94 Número atómico 42 Número de oxidación 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 Estado de agregación Sólido Estructura electrónica 2 - 8 - 18 - 13 -  1 Electronegatividad 1,8 Energía de 1º ionización (eV) 7,099 Isótopos (abundancia %) 92 (15,86) 94  (9,12) 95  (15,70) 96 (16,50) 97 (9,45) 98  (23,75) 100   (9,62)

Ejercicio Determinar la masa promedio del molibdeno, considerando la abundancia natural de sus isótopos. Explicar la diferencia en masa que se obtiene, con respecto a la masa atómica que se encuentra en la tabla periódica.

Isótopos (abundancia %) RECORDAR ES VIVIR Núclido Símbolo Masa atómica (uma) Neutrón 1.00867 Protón 1.00728 Electrón 0.000549 NOMBRE MOLIBDENO Símbolo Mo Masa atómica (g) 95,94 Número atómico 42 Isótopos (abundancia %) 92 (15,86) 94  (9,12) 95  (15,70) 96 (16,50) 97 (9,45) 98  (23,75) 100   (9,62)

REACCIONES NUCLEARES DECAIMIENTO RADIACTIVO TRANSMUTACIÓN NUCLEAR Bombardeo de un núcleo con otro núcleo, neutrones o protones para formar un núcleo diferente Emisión de radiación para ganar estabilidad

REGLAS El número de nucleones (protones más neutrones) en los productos y en los reactivos tiene que ser el mismo (conservación del número de masa). El número total de protones en los productos y en los reactivos tiene que ser igual (conservación del número atómico).

REFLEXIÓN Núclido Símbolo Masa atómica (uma) % abundancia Neutrón 1.00867 Protón 1.00728 Electrón 0.000549 suma 2.016509 Hidrógeno-1 1.007825 99.985 Hidrógeno-2 2.0140 0.015 mH-2 - m suma = 0.002509 uma

¿Qué pasó entonces? mH-2 - m suma = 0.002509 uma bendito Einstein E = mc2 ENERGÍA DE AMARRE La formación de 1 mol de deuterio libera Como para hervir 100,000 kg de agua

Penetración (relativa) Radiación, propiedades Tipo de radiación Propiedad a b g positrón Carga 2+ 1- 1+ Masa (g) 6.64x10-24 9.11x10-28 - Penetración (relativa) 1 100 10,000 ~50 Naturaleza e Fotones E↑ Un positrón es muy similar en masa a un electrón pero con carga positiva.

Positrones y electrones

ESTABILIDAD DE NÚCLEOS Protones Neutrones # Núcleos estables impar 5 par 50 53 157

NÚCLEOS ESTABLES Representación gráfica del número de neutrones en función del número de protones

REACCIONES NUCLEARES Contador Geiger (detección indirecta de partículas  a partir de neutrones)

REACCIONES NUCLEARES http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono El carbono-14 (14C) es un radioisótopo del carbono descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. Tiene una vida media de 5715 años y, debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, se emplea de forma extensiva en la datación de especímenes orgánicos.

REACCIONES NUCLEARES http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123. Allí la radiación destruye a las células cancerosas sin afectar al resto del cuerpo.

REACCIONES NUCLEARES http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html Actualmente se usa el cobalto-60 para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que emite el radio y es más barato que este. En medicina se usa el tratamiento con cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con base en la capacidad que tienen los rayos gamma para destruir tejidos cancerosos. .

REACCIONES NUCLEARES Bomba atómica Reactores nucleares Para controlar una reacción en cadena de uranio-235, se emplea cadmio-113. Este isótopo absorbe los neutrones que emite el uranio.

EJERCICIOS

Isótopos usados en medicina http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/isotopos.html ISÓTOPO APLICACIONES 60Co Es un emisor de rayos gamma; estos rayos se usan para destruir células cancerígenas. El haz de rayos gamma se dirige al centro del tumor para que no dañe a tejidos sanos. 131I El paciente ingiere el I; este isótopo se usa para tratar el cáncer de tiroides. La glándula tiroidea absorbe el yodo, pero emite demasiada radiaciones beta y gamma. 123I Es una fuente intensa de rayos gamma que no emite partículas beta dañinas; muy eficaz para obtener imágenes de la glándulas tiroideas. 99Tc Emisor de rayos gamma; se inyecta en el paciente y este isótopo se concentra en los huesos, de ahí que sea usado en radiodiagnóstico de huesos

Aplicaciones de los isótopos radiactivos http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html Para el estudio de los desórdenes cerebrales se utiliza una tomografía de emisión de positrones conocida como PET. Se le administra al paciente una dosis de glucosa (C6H12O6) que contenga una pequeña cantidad de carbono-11 (11C), que es radiactivo y emite positrones, luego se hace un barrido del cerebro para detectar los positrones emitidos por la glucosa radiactiva “marcada”. Se establecen las diferencias entre la glucosa inyectada y metabolizada por los cerebros normales y los anormales. Por ejemplo, con la técnica PET se ha encontrado que el cerebro de un esquizofrénico metaboliza alrededor de un 20 % de la glucosa que metaboliza un individuo normal.

Algunos radioisótopos utilizados en medicina http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html Arsénico-74 Cobre-64 Radio-226 Astato-211 Estroncio-90 Radón-222 Bismuto-206 Europio-152 Sodio-24 Boro-10 Arsénico-35 Tantalio-182 Boro-11 Hierro-55 Tecnecio-99 Bromo-82 Fierro-59 Tulio-170 Carbono-14 Fósforo-32 Xenón-133 Cerio-144 Itrio-90 Yodo-131 Cesio-137 Litio-6 Yodo-132 Cromo-51 Litio-7 Oro-198 Cobalto-60 Nitrógeno-15  

Exploraciones diagnósticas del Servicio de Medicina Nuclear Gammagrafía (estática y/o dinámica).- Se emplea para la valoración funcional de determinados órganos como el riñón, corazón, pulmón, hígado y aparato digestivo. Tomografía de fotón único (SPECT).- Se emplea para obtener una información más precisa de órganos como el corazón, la columna vertebral, la pelvis y sobre todo los estudios de cerebro. Tomografía por emisión de positrones (PET).-Es empleada para diagnóstico de malignidad de tumores , como el nódulo pulmonar, páncreas, cerebro o de difícil diagnóstico como determinados casos de cáncer de mama, la búsqueda de primarios desconocidos o de segundos primarios. Densitometrías.- Es una prueba diagnóstica que mide el grado de mineralización del hueso y que se aplica tanto en el diagnóstico precoz de la osteoporosis, además permite determinar el componente graso y magro de un ser humano, parámetros muy útiles en el estudio de los pacientes con obesidad.

TALIO Hay que tener en cuenta que a diario se practican millones de pruebas que requieren el uso de material radiactivo. La vida media del talio es de unas 73 horas, aunque se ha comprobado que, incluso, 30 días después puede hacer saltar los detectores, unos dispositivos cada vez más sofisticados y sensibles debido a las nuevas y más estrictas medidas de seguridad que se han impuesto en todo el planeta a raíz de los ataques terroristas que se han sucedido en los últimos tiempos.

Remontando el tiempo: la datación El gas carbónico presente en la atmósfera contiene carbono 12 estable y una proporción muy reducida de carbono 14 radioactivo, de 5730 años de vida media, formado continuamente por la radiación cósmica. Pintura rupestre de la gruta Cosquer, de 27.000 años.

Fisión nuclear

Diseño del reactor de fisión asistida por acelerador Myrrha (2014) REACTORES Diseño del reactor de fisión asistida por acelerador Myrrha (2014)

Francia, La Haga o Marcoule http://www.ccr.jussieu.fr/radioactivite/espanol/indispensable.htm 75 % de la electricidad es producida con uranio

Fusión nuclear La fusión de todos los núcleos de un kilogramo de una mezcla de deuterio y de tritio produciría tanta energía como la combustión de 10.000 toneladas de carbón.

El futuro La fusión termonuclear controlada es un reto tan importante para la humanidad que ha sido objeto del único programa de investigación que reúne a todos los países que han alcanzado un alto nivel de desarrollo científico y técnico: el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Un dispositivo supraconductor "Tore supra", construido en Cadarache (CEA) en el marco del programa EURATOM, estudia la fusión controlada por confinamiento magnético. El confinamiento inercial consiste en contener la fusión mediante el empuje de partículas o de rayos láser proyectados contra una partìcula de combustible, que provocan su ignición instantánea. El confinamiento magnético consiste en contener el material a fusionar en un campo magnético mientras se le hace alcanzar la temperatura y presión necesarias. El hidrógeno a estas temperaturas alcanza el estado de plasma.