quimica g.ponce modulo n°2-4°medio

Colegio Alberto Blest Gana Jvenes emprendedores para el siglo XXI Coordinacin Acadmica

______________________________________________________________________________________SUBSECTOR DE APRENDIZAJE: QUIMICA NOMBRE GUIA Y/O MDULO DE APRENDIZAJE N2: FENOMENOS NUCLEARES NIVEL: 4MEDIO PROFESORA: GLORIA PONCE MARMOLEJO OBJETIVOS GUIA Y/O MODULO DE APRENDIZAJE: Explicar modelos atmicos para caracterizar el tomo. Determinar masa atmica promedio. Determinar A y Z en istopos, isbaros e istonos. Equilibrar reacciones nucleares. Identificar la relacin entre estabilidad nuclear y emisin radiactiva. Resolver problemas de tiempo de vida media. Caracterizar los fenmenos de fisin y fusin nuclear. Identificar las ventajas y desventajas del uso de la energa nuclear. Modelos Atmicos en el tiempo La idea de que la materia est constituida por tomos es muy antigua. Ya los griegos, particularmente el filsofo Demcrito de Abdera (460-370 a.C.), discpulo de Leucipo, supusieron que el tomo es la unidad ms pequea de toda la materia. Seguramente te resulta muy difcil aceptar que la materia est hecha de unidades muy pequeas indivisibles, llamadas tomos. Para comenzar a reflexionar sobre este tema, imagina que divides consecutivamente un trozo de metal en pedazos cada vez ms pequeos hasta llegar a un punto en el cual ya no te sea posible proseguir con la subdivisin, porque has encontrado una unidad material indivisible, correspondiente al tomo. Este proceso lo podemos representar as:

En 1808, John Dalton (1766-1844) formul la Teora Atmica de la materia en la que planteaba lo siguiente: Los elementos estn formados por tomos. Todos los tomos de un mismo elemento son iguales entre s y diferentes a los de otro elemento. Los compuestos estn constituidos por tomos de diferentes elementos y la relacin de combinacin es de nmeros enteros sencillos. Una reaccin qumica implica la separacin y reordenamiento de tomos, con la formacin de nuevas sustancias, pero no supone la destruccin ni creacin de tomos. Esta teora es concordante con una ley enunciada por el qumico francs Joseph-Louis Proust (1754-1826), en 1799, quien descubri que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre tienen los mismos elementos y en la misma proporcin en masa. Por ejemplo, el agua contiene 8 gramos de oxgeno por cada gramo de hidrgeno, y esta proporcin O:H = 8:1 se mantiene inalterada en el agua pura, sin importar su lugar de origen. Esto correspondera a lo que Proust anunci como la Ley de Proust o Ley de las proporciones definidas, que establece que todo compuesto tiene una proporcin definida en masas de combinacin. Ejemplo: El Cloruro de cobre I (Cu Cl) contiene un 64,1% de cobre y 35,9% de Cl, independiente de que sea un gramo, 3 toneladas de este compuesto. En cambio, en el cloruro de cobre II (CuCl2) el porcentaje es 47,2% de Cu y 52,8% de Cl. Dalton concluy que los tomos se combinaban para formar los compuestos y siempre que lo hacan era en una proporcin de nmeros enteros sencillos, por ejemplo: cuando se combinan dos elementos qumicos A y B para formar un compuesto AB, y utilizamos una cantidad cualquiera de estos elementos, sobrar una porcin del elemento que est en exceso. Una representacin grfica de esto sera la siguiente:

El elemento que se consume totalmente se denomina reactivo limitante. Posteriormente, John Dalton enunci la Ley de Dalton o Ley de Proporciones Mltiples, que establece que si dos elementos se combinan para formar ms de un1


______________________________________________________________________________________compuesto, al mantener constante la masa de uno de los elementos, las masas de combinacin del otro elemento se encuentran en una relacin de nmeros enteros sencillos.

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______________________________________________________________________________________Ejemplo: El hidrogeno forma dos compuestos con el O, el agua (H20) y el agua oxigenada (H202). En el agua las masas de combinacin del oxgeno y del hidrgeno es 8:1. En el agua oxigenada (H202), la proporcin en masa de combinacin del oxgeno con respecto al hidrgeno es de 16 gramos de oxgeno por cada 1 gramo de hidrgeno (aplicacin de la Ley de Proust). Al analizar los datos, muestra que las masas de oxgeno combinadas con 1 g. de H en los dos compuestos, se encuentran en la razn de 8 a 16, lo cual dentro de los lmites de error experimentan la razn 1:2 ya que: 8 = 1 16 2 Encontramos que al mantener la masa de combinacin del hidrgeno (1 gramo), la masa de oxgeno en el agua (8 g) es la mitad de la masa de oxgeno (16 g) presente en el agua oxigenada, lo que nos explica que en la frmula de los compuestos, el nmero de tomos de hidrgeno es el mismo, y el nmero de tomos de oxgeno es la mitad en el agua que en el agua oxigenada. En el agua las masas de combinacin del oxgeno y del hidrgeno es 8:1. En el agua oxigenada, otro compuesto formado por hidrgeno y oxgeno, la proporcin en masa de combinacin del oxgeno con respecto al hidrgeno es de 16 gramos de oxgeno por cada 1 gramo de hidrgeno (aplicacin de la Ley de Proust). Al analizar los datos encontramos que al mantener la masa de combinacin del hidrgeno (1 gramo), la masa de oxgeno en el agua (8 g) es la mitad de la masa de oxgeno (16 g) presente en el agua oxigenada, lo que nos explica que en la frmula de los compuestos, el nmero de tomos de hidrgeno es el mismo, y el nmero de tomos de oxgeno es la mitad en el agua que en el agua oxigenada. En 1897, Thompson ide una sucesin de experiencias con los rayos catdicos que se observaban en los tubos de descarga. Un tubo de descarga es un tubo de vidrio equipado de dos placas metlicas (uno negativo o ctodo y el otro positivo o nodo) conectados a una batera. Cuando se cierra el circuito se aprecia que se produce el paso de corriente a travs del gas que est encerrado en el tubo, al mismo tiempo que se desprenden "rayos" del ctodo al nodo en lnea recta donde se produce una luminosidad. Al colocar un imn situado en el exterior del tubo, los rayos mostraban una desviacin atrados por este imn. A travs de esta prctica Thompson fue capaz de ilustrar, que como la luz ordinaria no es perturbada por un imn, los rayos cat-dicos correspondan entonces a una propiedad de la materia y no de la luz y postul que los rayos catdicos eran un haz de part-culas negativas a las que llam electrones. Por lo tanto, Thompson fue el descubridor de los electrones y estableci el modelo atmico llamado el budn de pasas(1903). El sugiri que el tomo era una esfera slida de materia cargada positivamente con los electrones incrustados en un nmero igual para que la carga total fuera cero, porque el tomo es elctricamente neutro.

En la misma poca, E. Goldstein utiliz un tubo de descarga con la diferencia que recurri a perforar el ctodo. Al conectar este tubo a la fuente de alto voltaje pudo observar: Nuevamente la liberacin de los rayos catdicos que se dirigen desde el ctodo hacia el nodo. A travs del orificio del ctodo y dirigindose en sentido contrario, observo emisin de rayos luminosos. A estos nuevos rayos se les dio el nombre de rayos canales y posteriormente se les denomin protones. En 1920 Rutherford sugiri la presencia de partculas sin carga elctrica. Lo hizo con el fin de demostrar las masas atmicas de los elementos, ya que el nmero de protones y electrones no eran suficientes para explicar estas masas de la gran mayora de los elementos. Durante mucho tiempo no hubo prueba directa que ratificara la existencia real de los neutrones, sino hasta 1932, ao en el cual algunos cientficos al bombardear Berilio con partculas alfa obtuvieron rayos penetrantes. Estos rayos fueron estudiados por Irene Curie y J. Chadwick, este ltimo demostr que las partculas que formaban estos rayos eran elctricamente neutras y las denomin neutrones.

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______________________________________________________________________________________Rutherford, estudi tambin el poder de penetracin de las partculas alfa (), (partculas similares al ncleo de helio) emitidas de una fuente radiactiva hacia una delgadsima lmina de oro para observar lo que ocurra: Los resultados fueron los siguientes: - La mayora de las partculas atravesaban la lmina sin sufrir ninguna desviacin y sin perder velocidad. Cuando las partculas alfas chocaban contra la pantalla fluorescente se produca un destello de luz. - Algunas partculas eran desviadas, una de un milln, y de estas algunas volvan a invertir su trayectoria hacia la lmina. A travs de esta experiencia el resultado principal de Rutherford, fue demostrar la existencia de un ncleo en el tomo.

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______________________________________________________________________________________Modelo atmico de Rutherford (Modelo planetario) Rutherford plante, que el tomo estaba formado por un ncleo, donde se concentraba toda la masa del tomo y su carga positiva. Los electrones giran alrededor del ncleo a cualquier distancia, as como los planetas giran alrededor del sol. El tomo es neutro porque tiene el mismo nmero de protones en el ncleo y de electrones en torno a l. Sin embargo, el modelo de Rutherford, entr en fuerte contradiccin con la teora electromagntica, firmemente establecida. Segn esta teora toda carga acelerada (y el electrn lo est, ya que al girar alrededor del ncleo tiene una aceleracin centrpeta), debe emitir energa en forma de radiacin electromagntica. En consecuencia, el electrn ira perdiendo energa, con lo que su rbita se acercara cada vez ms hacia el ncleo, precipitndose finalmente sobre l, por lo tanto, este tomo sera inestable. Como ya debes saber, el tomo tiene un ncleo positivo muy pequeo y denso que contiene protones de carga positiva y neutrones de carga nula, mientras que en el exterior, envoltura o corteza, estn los electrones. En sntesis, tenemos: Partculas Smbo subatmicas lo Protones p+ Neutrones Electrones n eUbicacin Ncleo ncleo Masa(kg) 1,6726 10-27 kg 1,675 10-27 kg 9,109 10-31 kg Carga (Coulomb) +1,6 10-19 C 0 C Descubri dor Goldstei n Chadwic k Thompso n

Alrededor del ncleo - 1,6 Corteza o envoltura 10-19 C electrnica Existen dos propiedades nucleares que determinan las partculas subatmicas y corresponde a: 1.- Nmero atmico (Z) corresponde al nmero de protones, que caracteriza la naturaleza qumica del tomo de un determinado elemento. As es como todos los tomos que contienen 1 protn son de Hidrgeno, si en el ncleo hay 2 protones, se trata del Helio y as sucesivamente. Hoy se conocen ms de 110 elementos que se ordenan en el sistema peridico segn el valor de su nmero atmico. Es decir: Z =p La carga elctrica de los electrones tiene la misma magnitud que la de los protones, pero es de signo negativo. Cuando el nmero de protones es igual al de electrones, el tomo es neutro, pero si el tomo ha perdido algunos electrones su carga total ser positiva, y si ha capturado electrones adicionales dicha carga ser negativa. Estas especies cargadas se denominan iones. Los iones positivos se llaman cationes y los negativos aniones. En la siguiente tabla se indican algunos elementos, el nmero atmico, Z, sus iones monoatmicos ms comunes y el nmero de electrones que estos contienen. 2.- Numero msico (A) indica cantidad de protones y neutrones que tiene un tomo. A = protones + neutrones ; A= p + n Representacin de un tomo 200 numero msico 0 carga 82Pb smbolo del elemento

Qu informacin puedo obtener? Este tomo que tiene 82 electrones, 82 protones y 118

neutrones

nmero atmico

Al tener igual cantidad de protones y electrones, este tomo est neutro. Qu sucede si entrega 2 electrones? Se transforma en un catin, queda cargado positivamente, porque tenia 82 cargas positivas (protones) y 82 cargas negativas (electrones) y si entrega 2 electrones, entonces: +82 -80 = +2 y se representa Pb +2. De la misma manera ocurrira si acepta 2 electrones+82 -84 = -2 y se representa Pb -2. Ejercicio 1: Complete segn corresponda Eleme A Z p e n Representacin

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______________________________________________________________________________________nto Cinc 65 30 Zn041 20

o composicin nuclear

Ca+2

Cloro Arsni co 70

17 33

20-3

11

10

12

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______________________________________________________________________________________Ejercicio 2: representa los iones o tomos con smbolos de composicin nuclear a.- el manganeso (Mn) tiene 25 p+ , 35 n y 18 eb.- el silicio (Si) tiene 14 p+ , 14 n y 18 ec.- el potasio (K) tiene 19p+ , 21 n y 18 eMasa atmica promedio Ya hemos visto que la mayora de los elementos se presentan en la naturaleza como una mezcla de istopos. Podemos calcular la masa atmica promedio de un elemento, si sabemos la masa y tambin la abundancia relativa de cada istopo. A = A1 x % + A2 x % +.+ An x % 100 % Ejemplo: El carbono natural es una mezcla de tres istopos, 98,892% de 12C y 1,108% de 13C y una cantidad despreciable de 14C. Por lo tanto, la masa atmica promedio del carbono ser: (0,98892) x (12 uma) + (0,01108) x (13,00335 uma) = 12,011 uma La masa atmica promedio de cada elemento se le conoce como peso atmico. Estos son los valores que se dan en las tablas peridicas. Realiza el siguiente ejercicio 3a Cual es el promedio de la masa atmica del Plomo? Istopo Unidad de masa % de abundancia atmica 204 Pb 203,973 uma 1,480 206 Pb 205,974 uma 23,60 207 Pb 206,9759 uma 22,60 208 Pb 207,9766 uma 52,30 Respuesta: 207,177 uma Ejercicio 3b: Determina masa atmica promedio de los istopos del Hidrgeno: 1 H 99,985 %, 2H 0,0150 % y 3H 0,00013% Respuesta: 1,0001 uma A parte del concepto de istopos debes distinguir los conceptos de isbaro y de istono. Isbaros son tomos de diferentes elementos que tienen en comn su nmero msico, por ejemplo: entre calcio y potasio41 20 41

Ca y 19 K ambos tienen comn el nmero msico (41) tienen diferentes cantidades de p,nye Istonos son tomos de diferentes elementos que tienen en comn la cantidad de neutrones, por ejemplo: entre calcio y potasio40 20

Ca y 18 Ar ambos tienen comn la cantidad de neutrones (20) el nmero msico, tienen diferentes valores de A, p, y e Ejercicio 4: Identifique en los ejemplos dados los conceptos de isbaros, istopos e istonos: a.56 26

38

Fe y

58 28

Ni

24

b

12

Mg y

25

12

Mg107 47

c

23 11

Na y

21

9

F

d

70 35

Br y

70 33

Se

b.- Escribe un isotopo, isbaro e istono de

Ag

Las teoras atmicas, a medida que progresan, describen el tomo con mayor exactitud y hacen predicciones ms exactas sobre sus propiedades, pero tambin se vuelven ms abstractas y matemticamente mucho ms complejas. En 1913, el fsico dans Niels Bohr plante los Postulados de Bohr que le permitieron proponer un modelo atmico para el tomo de hidrgeno. El modelo atmico sealaba la existencia de un ncleo formado por protones y neutrones, donde est concentrada la masa y la carga positiva del tomo. El electrn gira en rbitas circulares alrededor del ncleo, pero con algunas restricciones, como que solamente lo poda hacer en ciertas rbitas, cuya energa se encuentra cuantizada. Hoy sabemos que el modelo de Bohr debi ser modificado para dar origen al modelo mecano-cuntico. Este modelo obtuvo en su poca un xito enorme, porque explicaba el origen de las lneas de los espectros de emisin obtenidos cuando el electrn del tomo de Hidrgeno es excitado y posteriormente irradia energa al volver a un nivel de menor energa. Bohr atribuy la emisin7


______________________________________________________________________________________de luz a la transicin de un electrn desde una rbita de mayor radio a otra de menor radio y de menor energa. Adems, Bohr calcul las frecuencias en las que aparecan las lneas espectrales del hidrgeno y explic relaciones entre dichas frecuencias, que haban sido obtenidas de forma experimental a travs de un espectroscopio El logro principal de Bohr es haber establecido que un tomo tiene energas bien definidas y discretas, es decir, en el lenguaje de la fsica, que las energas atmicas estn cuantizadas y no pueden tener cualquier valor. Este descubrimiento es de gran importancia y se inscribe en la historia de la fsica junto con los aportes de Planck y Einstein, que establecieron que la energa est "cuantizada": se absorbe y emite en forma discontinua, como un pequeo paquete de energa de valores bien definidos, de acuerdo con las caractersticas del sistema que absorbe o emite. Esto es sorprendente, ya que en el mundo macroscpico parece que la energa fuese continua, como lo parece tambin la arena de una playa mirada desde la altura, pero cuando nos acercamos percibimos que est hecha de una infinidad de granos.

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______________________________________________________________________________________Sin embargo, el modelo de Bohr falla en otras predicciones y no puede ser aplicado a tomos ms complejos o a molculas. Es un modelo semiclsico, porque supone la cuantizacin de la energa del tomo, pero describe el movimiento del electrn en forma de una trayectoria circular alrededor del ncleo, tal como la fsica clsica de Newton describe el movimiento de los planetas alrededor del sol y permite calcular la posicin de estos en cualquier instante de tiempo. De la evidencia acumulada del estudio de diversos fenmenos a la escala atmica surgi el convencimiento de que la fsica de Newton no era aplicable a los electrones y a las dems partculas pequeas. A partir de ello se plasm una nueva visin del mundo fsico: la mecnica cuntica. Esta rama de la fsica moderna seala que es imposible describir el movimiento de los electrones segn trayectorias y que solo podemos determinar la probabilidad de encontrar un electrn cualquiera en un lugar del espacio. Este es uno de los principios ms sorprendentes de la nueva mecnica y fue enunciado por el fsico Werner Heisenberg, en su famoso Principio de Incertidumbre de Heisenberg (2) (1927). El fsico austraco Erwin Schrdinger (1926) desarroll una teora del tomo de hidrgeno basndose en las ideas del fsico francs Louis de Broglie, quien postulaba que a las partculas en movimiento se les puede asociar una onda. Schrdinger conoca los trabajos de L. de Broglie y se pregunt: por qu no sera posible describir al electrn mediante una ecuacin similar a la utilizada en la fsica, por ejemplo, en la descripcin de las ondas de una cuerda vibrante o de las ondas de sonido? Schrdinger se empe arduamente en resolver el problema y obtuvo resultados que en parte coincidan con los obtenidos por Bohr, pero adems pudo acceder, mediante clculo, a valores de resultados experimentales que la teora de Bohr no haba podido explicar: haba nacido la mecnica ondulatoria. En forma casi simultnea, tres fsicos, Werner Heisenberg, Max Born y Pascual Jordan, llegaban a los mismos resultados que Schrdinger aplicando al problema del tomo de H otras herramientas matemticas. En la teora de Schrdinger se desarrolla el concepto moderno de orbital, que se deriva del concepto de rbita, y que podra ser definido como una regin del espacio donde es probable encontrar un electrn. Las configuraciones electrnicas especifican cmo se distribuyen los electrones del tomo en sus niveles y subniveles de energa, y ellas nos informan acerca de las propiedades qumicas de los elementos: la dificultad con que captan o ceden electrones, o sea, el tipo de iones que forman, cun fcil es ionizar el tomo, etc.

En la figura se ilustran los orbitales s y p para el tomo de hidrgeno. Debes notar que los orbitales estn representados en un sistema de ejes x, y, z mutuamente perpendiculares, o ejes cartesianos. En el origen de este sistema x=0, y=0, z=0 se sita imaginariamente el ncleo (3). Los niveles de energa (n) se representan con los nmeros 1, 2, 3, 4., donde el nivel de menor energa es el 1. Los subniveles se designan con las letras s, p, d, f... Cada nivel de energa tiene una capacidad limitada de ocupacin por electrones que se calcula con la formula 2n2: La configuracin electrnica, es la distribucin de los electrones en los orbitales de los distintos niveles, se basa en tres principios: Principio de Mnima Energa: las configuraciones electrnicas de los elementos se obtienen por ocupacin sucesiva de los niveles desde el primer nivel de menor energa (1s), de acuerdo al siguiente esquema:

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______________________________________________________________________________________Principio de exclusin de Pauli: en cada orbital puede haber un mximo de dos electrones y deben tener espn diferente. Por otra parte, los subniveles s, p, d y f pueden ser ocupados hasta por un total de 2, 6, 10 y 14 electrones respectivamente, pero cuando los subniveles estn parcialmente llenos, los electrones se distribuyen de manera que presentan el mximo nmero de espines con el mismo valor o, como se dice en el lenguaje comn, sus espines deben ser paralelos. Esto corresponde al Principio de mxima multiplicidad de Hund, que tambin puede enunciarse as: para orbitales de igual energa pero diferente orientacin espacial, primero deben semicompletarse con electrones del mismo espn, para luego completarse con electrones de espn contrario.

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______________________________________________________________________________________A modo de ejemplo, si queremos representar la configuracin electrnica del tomo de nitrgeno, que tiene un total de 7 electrones, se deben asignar dos electrones al subnivel s del nivel 1, esto es, 1s2, con lo que el nivel 1 queda completo. Cmo se ubican los 5 electrones restantes? 1s2 2s2 2p3 (principio de mnima energa) Segn el principio de Exclusin de Pauli cada orbital 2s, 2px, 2py y 2pz puede contener como mximo dos electrones de espn opuesto. Una vez que se ha llenado el orbital 2s se prosigue con los orbitales 2p, que poseen una energa ligeramente superior. Solamente el primer ordenamiento es el que adopta el tomo N en su estado de mnima energa o estado fundamental; los otros ordenamientos tienen mayor energa.de acuerdo al principio de Hund su configuracin ser: 1s 2s 2px 2py 2pz se escribe 1s2 2s2 2px12py12pz1 Existen cuatro formas de escribir la configuracin electrnica: a. Global: en ella se disponen los electrones segn la capacidad de nivel y subniveles. Ej: 1s2 2s2 2p3 b. Global externa o abreviada: se indica en un corchete el gas noble anterior al elemento configurado y, posteriormente, los niveles y sub-niveles que no estn incluidos en ese gas noble y pertenecen al elemento configurado. Este tipo de configuracin es muy til cuando el inters est concentrado en conocer los electrones ms externos o lejanos al ncleo, es decir, los que se ubican en la capa ms externa, llamados electrones de valencia. Ej: [He] 2s2 2p3 c. Por orbital detallada: se indica la ubicacin de los electrones por orbital. Por ej:1s2 2s2 2px12py12pz1 d. Diagrama de orbitales: en ste se simboliza cada orbital por un casillero, utilizando las expresiones y para representar la disposicin del espn de cada electrn. Por ej: 1s 2s 2px 2py 2pz Ejercicio 4: a.- Escribe las configuraciones electrnicas por diagrama de orbitales del B (Z=5) y del O (Z=8). b.- Realice la configuracin electrnica global y abreviada del plomo , nquel y yodo.. c.- Escriba la conf. electrnica por orbital detallada de azufre, potasio y arsnico. Finalmente, resulta muy til representar alrededor de los smbolos de los elementos los electrones externos o de valencia, que son los que determinan sus propiedades qumicas (5). Estas representaciones son llamadas estructuras de Lewis. En la notacin de Lewis para representar un tomo escribimos el smbolo del elemento y lo rodeamos de tantos puntos o cruces como electrones de valencia tenga. Por ejemplo: 2 2 6 1 1 de valencia, en el nivel mas externo 11 Na = 1s 2s2 p 3s Smbolo de Lewis16

Na 6 de valencia, en el nivel mas externo

S = 1s2 2s22p63s23p4

S .. La configuracin del He, 1s2, y la del Ne, 1s2 2s2 2p6, son particularmente estables. Estos elementos son muy poco reactivos y son denominados gases nobles. A ellos se asocian las reglas del dueto y del octeto electrnico. El H forma uniones con otros elementos, completando la configuracin estable del He, mientras que la regla del octeto es aplicable a las molculas e iones formados por los elementos no metlicos del segundo perodo (C al F). Smbolo de Lewis El siguiente esquema representa las estructuras de Lewis de los elementos del primero y segundo perodo (la numeracin del grupo experimenta un salto, ya que a partir del 4 perodo, se intercalan en la tabla peridica 10 elementos, llamados elementos de transicin).

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______________________________________________________________________________________Ejercicio 5: a.-Escribe la estructura de Lewis para los iones N3-, O2- y F-, sabiendo que las configuraciones electrnicas de los tomos son las siguientes: 2 2 1 1 1 7N = 1s 2s 2px 2py 2pz 2 2 2 1 1 8O = 1s 2s 2px 2py 2pz 2 2 2 2 1 9F = 1s 2s 2px 2py 2pz b.- Represente la estructura de Lewis del potasio, silicio , argn y aluminio

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______________________________________________________________________________________Nmeros cunticos La distribucin actual que se hace de los electrones en el tomo es en forma probabilstica y se basa en los resultados proporcionados por la mecnica cuntica la cual se puede expresar de la siguiente forma: Los electrones estn distribuidos en niveles que poseen una determinada cantidad de energa. Cada nivel energtico posee regiones del espacio donde existe una alta probabilidad de encontrar electrones. La distribucin de los electrones en los diferentes niveles energticos o ms especficamente en los diferentes orbitales, est basada en cuatro nmeros que reciben el nombre de nmeros cunticos y en los principios antes mencionados que son, el principio de exclusin de Pauli, mnima energa y de mxima multiplicidad. Los nmeros cunticos se refieren a una propiedad del electrn y estos son: Nmero cuntico principal.......n Nmero cuntico secundario... l Nmero cuntico magntico....ml Nmero cuntico de Spin........ms 1er nmero cuntico o nmero cuntico principal Indica los niveles de energa (n), adems de tomar los valores de 1, 2,3 ,4 etc. tambin se simbolizan con las letras maysculas K, L, M, N, O, P, Q. Cuanto mayor sea este nmero cuntico, ms alejado se encuentra el electrn respecto al ncleo por consiguiente mayor es el volumen del tomo. 2do nmero cuntico o secundario Se designa con la letra ele (l), determina la forma del orbital. Por razones histricas se asocian sus valores a las letras s, p, d, f. l = 0 (orbital s), l = 1 (orbital p), l = 2 (orbital d) y l = 3 (orbital f) 3er nmero cuntico o nmero cuntico magntico Se designa con la letra m, determina la orientacin del orbital. Sus valores estn determinados por l (ele) tomando m los valores desde -l hasta +l Ejemplo: Si l = 1 m = -1, 0, +1 l = 2 m = -2, -1, 0, +1, +2. 4to nmero cuntico, spin (giro) Se designa con la letra s, nos dice el sentido del giro con respecto al eje, este nmero puede tomar slo dos valores -1/2 +1/2 as si el electrn esta desapareado es +1/2 y si el electrn se encuentra apareado es -1/2. Cmo se calculan los nmeros cunticos? Para tal efecto escogemos en la mayora de los casos, el ltimo electrn que se escribe en la configuracin electrnica del elemento. Aunque tambin se puede determinar los nmeros cunticos de cualquier electrn de cualquier nivel energtico. Ejemplo: Para el 13Al, calcular los nmeros cunticos del ltimo electrn Para mayor aclaracin, se acostumbra escribir la configuracin electrnica, usando el gas noble anterior al elemento, es decir, el ms cercano y de menor Z al elemento, esto es 2 3p1 o (px1). El ltimo electrn se encuentra en el nivel 3p1 13Al = [10Ne] 3s Recordemos que todas las configuraciones electrnicas estn escritas de la forma nlx x es el nmero de electrones, n es el nmero cuntico principal l el numero cuntico secundario Por lo tanto, los valores de los nmeros cunticos sern para 3p1: n=3 l=1 l=1 para p m = -1 m puede tomar los valores -1, 0,+1, pero el ltimo electrn se ubica en -1o px s = +1/2 el electrn esta desapareado. Ejercicio 6: Determine los nmeros cunticos del ltimo electrn que esta en la posicin: a.-3d5 b.- 4f8 c.-5s2 d.-4p5 Luego determine el nmero atmico de los estos elementos. Qumica nuclear. Radiactividad13


______________________________________________________________________________________A comienzos del siglo XX los cientficos comprobaron que los tomos son en realidad divisibles, es decir, que tienen una subestructura. As, el modelo atmico nuclear de Rutherford haba sido un acierto. Algunos ncleos de determinados tomos son inestables y se rompen emitiendo espontneamente partculas, radiaciones o ambas a la vez. Al ocurrir esto, hay una transformacin del ncleo, cambia el nmero de protones y neutrones, por lo que se forman ncleos distintos, proceso que se llama radiactividad.

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______________________________________________________________________________________En 1896 Henri Becquerel (1852-1908) observ este fenmeno por primera vez. Descubri que los minerales de uranio (Z = 92) eran capaces de velar una placa fotogrfica en ausencia de luz externa, por lo que concluy que posean la propiedad de emitir radiaciones en forma espontnea. Poco despus de este descubrimiento, la qumica polaca Marie Sklodowska (1867-1934) y su esposo, el fsico francs Pierre Curie (1859-1906), comenzaron una bsqueda sistemtica de otras sustancias que emitieran radiaciones. Comprobaron que todos los minerales de uranio las emitan y adems aislaron otros dos elementos con idnticas propiedades: el polonio (Z = 84) y el radio (Z = 88), a los que llamaron elementos radiactivos. Ejercicio 7: Haga una sntesis de los cientficos y su aporte al concepto del tomo. Emisiones radiactivas: Entre 1896 y 1903, los cientficos descubrieron que no todos los elementos radiactivos emiten las mismas radiaciones. Algunos emiten radiacin ms potente que otros, cada una de las cuales transforma el ncleo de distinta manera. Cuando la radiacin de la muestra de un elemento radiactivo, como el radio (Ra), se somete a la accin de un campo magntico, se comprueba que existen 3 tipos de emisiones

radiactivas. Una parte de la radiacin est formada por partculas alfa (), con carga positiva; por otra parte contiene partculas beta (), con carga negativa; y el resto de la radiacin no se ve afectada por el campo magntico ya que no tiene carga elctrica: rayos gamma (). Las radiaciones , y se emiten a diferentes velocidades y tienen distintas capacidades de ionizar y penetrar la materia. Los ncleos que emiten radiaciones se llaman radioistopos. Partculas alfa: Consiste en un flujo de partculas formadas por 2 protones y 2 neutrones. Una partcula tiene una masa de 4 uma y una carga igual a +2 y es idntica a un ncleo de helio (un tomo de helio sin sus 2 electrones); su smbolo es 42He. Debido a que la masa y el volumen de las partculas alfa son relativamente elevados, estas radiaciones viajan a una velocidad menor que la radiacin beta o gamma y, por lo tanto, tienen un poder de penetracin bajo. Adems, estas chocan fcilmente con las molculas de aire y en cada choque pierden parte de su energa, hasta quedar detenidas o ser absorbidas por algn otro ncleo en su camino. Al mismo tiempo, si las partculas chocan con los electrones perifricos de un tomo, estos pueden ser arrancados por ellas, provocando que el tomo se ionice; en consecuencia, las partculas tienen gran poder ionizante. Partculas beta: Tambin estn constituidos por haces de partculas y se representan como 0-1e. Las partculas son idnticas a los electrones, es decir, partculas de carga -1. Corresponden a partculas 7000 veces ms pequeas que las alfa y viajan a una velocidad cercana a la de la luz, condicin que le permite atravesar la malla de ncleos y electrones de algunas clases de materia, en suma, poseen un poder de penetracin medio. Radiaciones Gamma: Son muy distintas de las radiaciones y . Es una radiacin electromagntica idntica a la de la luz, pero con un contenido energtico muy superior. Estas propiedades hacen de los rayos gamma sutiles agujas, desprovistos de masa, capaces de atravesar la materia y de realizar

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______________________________________________________________________________________amplios recorridos sin encontrar ningn obstculo.

Observaciones: El poder ionizante de las emisiones radiactivas vara en sentido inverso al poder de penetracin. De este modo, las radiaciones poseen una bajsima capacidad para penetrar en la materia, pero un altsimo poder de ionizacin. Se ha calculado que su poder ionizante es 100 veces superior al de la radiacin , y estos, 100 veces superior al de la radiacin .

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______________________________________________________________________________________Elementos radiactivos (naturales y artificiales): As, como existen diferentes molculas, combinaciones estables entre tomos, tambin hay combinaciones de protones y neutrones que son estables, es decir, ncleos estables. Por ejemplo, si juntamos 2 protones y neutrones, obtenemos un ncleo de helio (42He), de gran estabilidad. El elemento helio est formado solo por este tipo de istopo; el cual ha permanecido as por siempre en la naturaleza, desde que se origin. Si tratamos de incorporar un neutrn ms a este ncleo para formar el istopo 52He, se rompe en fracciones de segundo, puesto que es un ncleo inestable. Se ha comprobado que los ncleos estables tienen un nmero igual o casi igual de protones y neutrones, aunque usualmente son ms neutrones que protones y, adems, el nmero total de protones y neutrones es un nmero par. Entonces los ncleos inesta-bles experimentaran un proceso de desintegracin nuclear con el fin de corregir la relacin cuantitativa entre los protones y neutrones. Aplicando este concepto, llamamos elemento radiactivo al que tiene alguna proporcin de tomos con ncleos inestables, es decir, que se van desintegrando en sucesivas etapas, liberando radiaciones, hasta formar ncleos estables. Todos los tomos de los elementos cuyo nmero atmico es superior a 83 son radiactivos. Reacciones nucleares: En las reacciones nucleares, un ncleo inestable, llamado ncleo padre, emite radiaciones en forma espontnea y se convierte en un ncleo ms estable de un elemento diferente, llamado ncleo hijo. Las reacciones nucleares estn determinadas por la proporcin de protones y neutrones de un ncleo y se deben a la transformacin mutua entre las partculas nucleares. En los ncleos de gran masa, que tienen un Z mayor a 83, la fuerza de repulsin entre los protones enlazados en la regin central del tomo, tiende a superar la fuerza que permite que el ncleo se mantenga unido. Esto hace que sean radiactivos y, para estabilizarse, liberan partculas alfa, es decir, partculas formadas por 2 protones y 2 neutrones, transformndose en ncleos de menor tamao. Si un ncleo tiene un exceso de neutrones respecto a los protones, necesita aumentar su cantidad de protones para estabilizarse. Esto lo consigue transformando algunos neutrones en protones, por medio de una liberacin de electrones ( 0-1e), es decir, liberando radiacin beta negativa. Para entenderlo, se postula que un neutrn est formado por un protn y un electrn, combinacin que lo hace una partcula neutra. El ncleo con muchos neutrones fabricar entonces ms protones, transformando sus neutrones en protones, con lo cual alcanzar una relacin numrica correcta entre protones y neutrones. En el caso de los ncleos con exceso de protones, el mecanismo para estabilizar el ncleo consiste en la transformacin de protones en neutrones; as, en tanto que la cantidad de protones disminuye, la de los neutrones aumenta proporcionalmente. Se postula que para que un protn se transforme en un neutrn, se debe desprender de su carga positiva, liberando positrones (0+1e); estas partculas tienen la misma masa de los electrones, pero su carga es positiva. Un haz de positrones corresponde a radiaciones beta positivas. Es necesario no confundir la reaccin qumica con la nuclear. Reacciones qumicas Los tomos se reordenan por la ruptura y formacin de enlaces qumicos En la ruptura y formacin de los enlaces slo participan los electrones Las reacciones van acompaadas por la absorcin o liberacin de cantidades de energa relativamente pequeas. CH4 + 2O2 CO2+ 2 H2O + 200 kcal La temperatura, presin y concentracin de Reacciones nucleares Los elementos o isotopos de un elemento generan otro elemento al cambiar la constitucin del ncleo del tomo En las reacciones pueden participar protones ,electrones, neutrones y otras partculas elementales Las reacciones van acompaadas por la absorcin o liberacin de enormes cantidades de energa7 3 1 4

Li + 1H 2 2He + 23000000 kcal Las velocidades de reaccin generalmente no

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______________________________________________________________________________________los reactantes y catalizadores son factores que determinan la velocidad de reaccin se ven afectadas por la temperatura, la presin o los catalizadores

Ecuaciones nucleares: Los procesos radiactivos se representan por medio de ecuaciones nucleares. Cuando un ncleo se convierte en otro, la masa comprometida en el proceso (la masa de los protones y neutrones) debe ser la misma antes y despus de la desintegracin. Por lo tanto, la suma de los superndices (nmero msico) y de los subndices (nmero atmico) debe ser igual en ambos lados de la ecuacin.

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______________________________________________________________________________________ Desintegracin alfa (Ley de Soddy): Si el ncleo del tomo de un elemento radiactivo emite una partcula alfa, se origina otro nuevo elemento cuya masa atmica ha disminuido en 4 unidades y su nmero atmico disminuye en 2 unidades.

NOTA: Al emitir la partcula alfa el elemento formado se hallar dos lugares a la izquierda del sistema peridico; por haber perdido 2 protones de su ncleo. Un ejemplo peculiar es el decaimiento del uranio-235, que se convierte en torio-231: Otro ejemplo de emisin de una partcula alfa es la del polonio, elemento descubierto por los Curie:

El elemento que se forma despus del decaimiento alfa tiene un nmero atmico menor en dos unidades y un nmero msico menor en cuatro unidades respecto al elemento que lo genera. Desintegracin beta (Ley de Fajans): Los nclidos que se encuentran a la izquierda de la curva de estabilidad, con un exceso de neutrones, se estabilizan mediante la emisin de negatrones, o partculas beta, convirtiendo un neutrn en un protn.

Los negatrones no son sino electrones, despedidos a enormes velocidades fuera de la atraccin del ncleo. De esta forma, uno de los neutrones del radionclido experimenta la

siguiente reaccin: Durante este proceso, el radionclido eleva en una unidad su nmero atmico (pues cuenta con un protn adicional), y mantiene constante su nmero de masa. Dicho de otra manera si el ncleo del tomo de un elemento radiactivo emite una partcula beta, el nuevo elemento originado no experimenta variacin en su masa atmica; pero su nmero atmico aumenta en una unidad. Un ejemplo particular es el torio-231, que se convierte en protactinio-23 1 por emisin beta:

Desintegracin gamma (): Al igual que los electrones excitados de los tomos, que al volver a estados ms estables emiten radiacin electromagntica, los ncleos inestables tambin pueden hacerlo, salvo que en este caso la radiacin es mucho ms energtica y se denomina gamma. El nclido no cambia su nmero atmico ni el de neutrones; simplemente reduce su energa.19


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______________________________________________________________________________________ Desintegracin de un positrn (0+1e): Si el ncleo de un tomo emite un positrn, el nuevo elemento originado no experimenta variacin en su masa atmica, pero su nmero atmico disminuye en una unidad. El nuevo elemento se hallar situado hacia la izquierda del sistema peridico (un casillero menos).

Captura de electrones o captura-K La captura de electrones es un proceso en el cual un nclido atrapa un electrn de su nivel ms interno (capa K, segn la antigua nomenclatura) y convierte al protn en un neutrn:

Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, su nmero atmico disminuye en 1, mientras que su nmero msico permanece inalterado. Ejemplos de este tipo de reaccin nuclear son:

Es necesario considerar cmo se escriben y balancean las ecuaciones nucleares. Para ello se debe sealar los smbolos de los elementos qumicos y adems indicar explcitamente el nmero de protones y neutrones que tiene cada elemento. Al balancear una ecuacin nuclear, se deber cumplir que: 1. El nmero total de protones y neutrones en los productos y en los reactantes sea el mismo (conservacin de la masa). 2. El nmero total de cargas nucleares en los productos y en los reactantes sea el mismo (conservacin de la carga nuclear). Vida media Serie Radiactiva: Alrededor de 80 de los elementos de la tabla peridica son estables, es decir, estn formados a lo menos por un istopo no radiactivo, incapaz de sufrir una desintegracin nuclear; algunos ejemplos son el helio-4, carbono-12 y 13, oxgeno-16 y aproximadamente 260 ncleos ms. Los ncleos radiactivos en cambio, pueden sufrir varias desintegraciones en sucesivas etapas, hasta lograr un ncleo estable. As una serie de reacciones nucleares se llama serie radiactiva, la cual comienza con el ncleo radiactivo y termina con el ncleo estable. Es oportuno aclarar que el decaimiento del ncleo radiactivo, adems, de emitir radiaciones y , stas van acompaadas frecuentemente por radiaciones ; como liberan energa, los procesos de desintegracin nuclear son exergnicos o exotrmicos y comprenden una o ms desintegraciones sucesivas, las necesarias hasta alcanzar un ncleo estable.

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Vida media de los elementos radiactivos: Se ha comprobado que los istopos de los elementos radiactivos presentan distintos grados de inestabilidad en el tiempo debido a que cada istopo experimente una serie radiactiva particular. El caso de la serie radiactiva del uranio-238 consiste en un total de 14 etapas, es decir, 14 desintegraciones nucleares, hasta alcanzar un ncleo estable. Para referirse a la velocidad con que ocurren las desintegraciones nucleares utilizamos el concepto de vida media. Llamamos vida media de un elemento al tiempo que necesita la mitad de los tomos de una determinada muestra en sufrir una desintegracin nuclear. La vida media del Ra-226 es de 1600 aos. El smbolo de vida media es . Tiempo despus de Masa de la muestra Numero de Atomos Fraccin que iniciado el de Ra 226(en de Ra-226 que permanece de la experimento (en gramos) permanece muestra original aos) comienzo 226 6 x 1023 completa 1600 113 3 x 1023 1/2 3200 56,6 1,5 x 1023 1/4 4800 28,25 0,75 x 1023 1/8

Nota: Los valores de vida media de los istopos radiactivos pueden variar desde fracciones de segundo a miles de trillones de aos. El istopo ms inestable conocido es el helio-5, su

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______________________________________________________________________________________vida media es tan solo 2*10-21 segundos. En cambio, los istopos de uranio tienen vidas medias muy largas. La desintegracin de uranio es extremadamente lenta, comparada con la desintegracin de torio. Cada una de estas desintegraciones tiene un periodo de semidesintegracin, llamado tambin semivida, caracterstico para cada elemento. La semivida representa el tiempo necesario para que la mitad de la materia radiactiva se desintegre. Adems, es independiente de la cantidad de sustancia radiactiva presente y est determinada nicamente por el tipo de ncleo radiactivo. Algunos istopos radiactivos tienen semividas muy largas, mientras las de otros son extremadamente cortas. En el caso del carbono: 10 C 20 segundos 6 11 C 20minutos 6 14 C 5730 aos 6 16 C 0,7 segundos 6 Para calcular el tiempo de vida media de algn elemento radiactivo debemos utilizar:

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______________________________________________________________________________________Expresin para calcular la vida de un elemento radiactivo Semivida de los elementos radiactivos naturales en la serie de uranio- 238:

La velocidad de desintegracin se analiza en funcin de su vida media. Dichas desintegraciones son de primer orden.

Representacin grfica del decaimiento radiactivo Cada istopo tiene una vida media caracterstica. La vida media del Sr-90, por ejemplo, es 28,8 aos. Si se tienen 10 g de Sr-90, luego de 115,2 aos quedarn sin desintegrar 0,625 g; para ello deben haber transcurrido cuatro vidas medias. La ecuacin de desintegracin del Sr90 es: Aplicaciones de los istopos radiactivos Los istopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia y en la medicina. En qumica se utilizan para determinar estructuras de compuestos, seguir el curso de una reaccin qumica (determinacin de los pasos que se realizan en la fotosntesis), determinar la edad de ciertos objetos (mediante la tcnica del carbono-14 se logr determinar que los papiros del Mar Muerto tienen aproximadamente entre 1917 y 2000 aos), etc. En medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que inyectado al torrente sanguneo como una solucin salina puede ser monitoreado para rastrear el flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstrucciones en el sistema circulatorio. El yodo-131 se ha utilizado para probar la actividad de la glndula tiroides; otro istopo, el yodo-132, se usa para producir imgenes del cerebro; el cobalto-60, para la destruccin de tumores cancerosos; el arsnico74, para localizar tumores cerebrales; el cobalto-58, para la determinacin del nivel vitamnico B; el cromo-51, para la estimacin de volmenes de lquidos del cuerpo; el fsforo32, para la deteccin de cncer en la piel; el hierro-59, para calcular la rapidez de formacin de glbulos rojos y el oro-198, para el cncer de prstata. Fechado radiactivo Sumado a todo esto, se puede determinar la antigedad de objetos que en alguna poca fueron o formaron parte de organismos vivos, como pueden ser los huesos, utilizando la vida media del istopo radiactivo carbono-14. En la materia viva, la relacin entre el carbono-14 y el carbono-12 (no radiactivo) permanece relativamente constante. El carbono-14 que hay en nuestra atmsfera se origina por la reaccin entre un tomo de nitrgeno y un neutrn que proviene de la atmsfera superior, como lo indica la siguiente reaccin nuclear: El carbono-14 se desintegra y forma una partcula beta, de acuerdo con la siguiente ecuacin nuclear:

Se considera que la relacin entre el carbono-14 y el carbono-12 en el tejido vivo es constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o un animal muere, el contenido de carbono14 disminuye porque ya no se le ingiere ni utiliza. Por tanto, en el tejido muerto la relacin del carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo, siendo as la relacin una medida de la edad de la muestra. De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinar la edad de

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______________________________________________________________________________________diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En estos clculos se emplea la relacin del uranio-238 radiactivo con el plomo-206 no radiactivo, con una vida media de 4,5 x 109 aos. De acuerdo con los resultados de la aplicacin de este mtodo, la edad de las rocas ms antiguas sobre la Tierra parece ser cercana a 4 x 109 aos. Reacciones nucleares artificiales

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______________________________________________________________________________________Fue Ernest Rutherford quien realiz la primera reaccin nuclear artificial, en 1919. Mediante el bombardeo de partculas alfa sobre una muestra de nitrgeno, Rutherford detect un protn aislado; la explicacin fue que la energa cintica de la partcula alfa le permite chocar con un ncleo de nitrgeno y fusionarse con l. As, se forma un ncleo inestable de flor, que decae y elimina un protn:7

N14 + 2He4 (9F18) 8O17 + 1H1

Si se sustituye el nitrgeno-14 por el berilio-9, en la reaccin nuclear se obtiene carbono-12 y un neutrn, tal como lo indica la siguiente ecuacin: 9 4 13 12 + 0n1 4Be + 2He (6C ) 6C Esta es la reaccin que le permiti a James Chadwick comprobar la existencia del neutrn.

Figura 5. Tipos de reacciones nucleares Reacciones de fisin nuclear En la fisin nuclear, un ncleo de nmero msico mayor que 200, al chocar con un neutrn, se divide para formar ncleos ms pequeos de masa intermedia y uno o ms neutrones. Ya que los ncleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energa. La primera reaccin de fisin nuclear estudiada fue la del uranio-235 bombardeado con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las molculas de aire a temperatura ambiente. Como producto de tal bombardeo, se han encontrado ms de 30 elementos distintos. Aunque se puede provocar la fisin de muchos ncleos pesados, nicamente la del uranio-235 es de ocurrencia natural. La del plutonio-239 es artificial y tiene poca importancia prctica.

Esquema de reacciones de fisin La caracterstica ms relevante en la fisin del uranio-235 no es solo la enorme cantidad de energa liberada, sino el hecho de que se producen ms neutrones que los capturados originalmente en el proceso. Esta propiedad hace posible una reaccin nuclear en cadena, que es una secuencia de reacciones de fisin nuclear autosostenidas. Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir la fisin en otros ncleos de uranio-235, que a su vez producirn ms neutrones, y as sucesivamente. En menos de un segundo, la reaccin puede ser incontrolable, pues libera mucho calor hacia los alrededores. La reaccin de fisin es el principio de la primera bomba atmica, manifestacin explosiva que mata por el calor generado y por la radiacin esparcida en una amplia zona. Afortunadamente, la reaccin en cadena ha podido controlarse y ser aprovechada. Un reactor nuclear puede aprovechar la energa liberada durante la fisin y transformarla, por ejemplo, en electricidad. Existen factores econmicos y tecnolgicos a favor y en contra de la nucleoelectricidad. Algunos argumentos en contra son: - El uranio natural contiene un bajo porcentaje de uranio26


______________________________________________________________________________________-235 y es necesario construir plantas de enriquecimiento de este istopo. - El mayor porcentaje en el uranio natural es el istopo uranio -238, que absorbe fcilmente neutrones y produce plutonio (elemento que se utiliza en la fabricacin de bombas atmicas). - Los ncleos productos de la fisin del uranio son sumamente radiactivos, en especial el kriptn-85. - Debido a la cantidad de energa que se desprende en una reaccin nuclear y al poder de penetracin de algunas partculas nucleares, el manejo de los reactores nucleares no es totalmente seguro. Fusin nuclear A diferencia del proceso de fisin nuclear, la fusin nuclear es la combinacin de pequeos ncleos para formar otros mayores. En los elementos livianos, la estabilidad nuclear se incrementa cuando aumenta el nmero msico. Esto sugiere que si dos ncleos ligeros se combinan o se fusionan para formar uno mayor (un ncleo ms estable), se liberar una cantidad apreciable de energa en el proceso. La fusin nuclear ocurre constantemente en el Sol, que est constituido en su mayor parte por hidrgeno y helio. En l la temperatura es cercana a 15 millones de grados Celsius y las reacciones que all ocurren se denominan termonucleares. La fusin nuclear tiene sus ventajas por sobre la fisin nuclear: - Los combustibles son baratos y casi inagotables. - El proceso produce poco desperdicio (pero s algo de contaminacin trmica). - Son procesos seguros en su ejecucin, y si se apagase una mquina de fusin nuclear, se apagara completa e instantneamente y no existira posibilidad de que se fundiese. El problema es que an no se ha construido un reactor de fusin nuclear, debido a que hay que mantener los ncleos juntos a una temperatura apropiada para que ocurra la fusin. A temperaturas de unos 100 millones de grados Celsius, las molculas no pueden existir y todos o la mayor parte de los tomos son despojados de sus electrones. Este estado de la materia, en el que un gas consta de iones positivos y electrones, se denomina plasma.

Ejemplo de reacciones de fusin nuclear Cmo nos afecta la radiacin? Como sabemos, recibimos un bombardeo constante de radiacin de fuentes naturales y artificiales, la llamada radiacin de fondo. Las distintas energas de estas clases de radiacin son importantes para entender sus efectos sobre la materia. Esto significa que las emisiones radiactivas tienen la potencia suficiente para golpear y liberar electrones de los tomos y generar iones cuando chocan con materia neutra, por ejemplo, la materia que compone tu cuerpo. En otros trminos, la radiacin provoca excitacin o ionizacin de la materia. Se produce excitacin cuando la radiacin absorbida excita los electrones constituyentes de los tomos o molculas que conforman la materia y los mueven a estados de mayor energa. Ocurre ionizacin cuando la radiacin arranca un electrn de una molcula o tomo, formndose un ion. A esta radiacin se le llama ionizante. Debido a que tiene una mayor frecuencia y menor longitud de onda, la radiacin ionizante es daina para la salud de los seres vivos. La radiacin gama, los rayos X y la luz UV de alta energa son ionizantes. Casi todos los tejidos vivos contienen al menos 70% de agua en masa. Cuando la radiacin ionizante pasa a travs de un tejido vivo, se eliminan electrones de las molculas de agua, con lo que se forman iones H2O+. A su vez, estos pueden reaccionar con otras molculas de agua para producir iones hidronio H3O+ y un radical libre OH-. El radical libre OH es una molcula inestable y muy reactiva y tiene la capacidad de atacar una multitud de biomolculas circundantes para producir nuevos radicales libres, que a su vez, atacan ms27


______________________________________________________________________________________biomolculas al interior de las clulas, perturbando sus funciones vitales. Este tipo de radiaciones pueden provocar daos en macromolculas como el ADN, los daos pueden ser agudos y casi inmediatos, como quemaduras de la piel, hemorragias, diarreas, infecciones o muerte; pero tambin existen efectos tardos como los cnceres y los efectos en las generaciones siguientes del individuo irradiado. Dosis de radiacin: Los cientficos han fijado normas de exposicin a la radiacin que establecen relaciones entre dosis y la duracin de la exposicin a la radiacin y los efectos biolgicos. Para medir la energa de una cantidad dada de radiacin se utilizan varias unidades. La unidad SI de dosis absorbida es el gray (Gy) que corresponde a la absorcin de 1J (joule) de energa por kilogramo de tejido. El rad es la unidad de uso ms frecuente en medicina, donde 1 Gy = 100 rad. Los efectos de la radiacin varan segn el tipo de radiacin. Para expresar el dao biolgico en trminos de la cantidad real de radiacin absorbida, se utilizan el rem y el sievert (Sv), donde 1 Sv = 100 rem. La radiacin ionizante de fondo proveniente de fuentes naturales representa una dosis de unos 0,003 Sv por ao para cada persona. Es recomendable que la exposicin total a fuentes artificiales de radiacin se limite a 0,005 Sv por ao.

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______________________________________________________________________________________Reactores nucleares: Una de las aplicaciones pacficas de la fisin nuclear es la generacin de electricidad utilizando el calor producido por una reaccin en cadena, controlada en un reactor nuclear. El reactor nuclear es un sistema construido para controlar la energa que se produce en la reaccin en cadena y que impide el aumento indefinido de las fisiones. Consiste bsicamente, en una vasija en cuyo interior se deposita el combustible nuclear, que puede ser U- 235 o plutonio- 239. Los componentes de un reactor son: Un material moderador, usualmente agua, que sirve para desacelerar los neutrones producidos en el proceso de fisin. Barras de control, elaboradas con cadmio o boro, que absorben los neutrones. Sin estas barras de control el calor generado derretira el corazn del reactor, liberando materiales radiactivos al ambiente. Un sistema de enfriamiento que absorbe el calor producido por la fisin nuclear y lo transfiere fuera del corazn del reactor, transportndolo hacia un sistema donde se produce suficiente vapor de agua para hacer funcionar un generador elctrico. Un sistema de blindaje que evita la fuga de radiaciones al exterior del reactor. Llamamos central nuclear al complejo del reactor conectado al sistema de generacin elctrica. La energa obtenida en una central es enorme en comparacin a una termoelctrica (1gr de uranio = 2500 Kg de carbn). Armas nucleares: Sin lugar a dudas, una de las aplicaciones cientficas ms nefastas en la historia de la humanidad ha siso el uso de la fisin nuclear con fines militares y concretamente como armas de exterminio masivo. Recordemos que un kilotn (Kt) equivale a mil toneladas de TNT y que un megatn, es un milln de toneladas de TNT. La bomba, llamada bomba A lanzada en Hiroshima y Nagasaki, tena un poder destructivo equivalente a 12 Kt. En la actualidad se identifican 3 clases principales de armas nucleares. - Bombas A: Se basan en la fisin nuclear y usan como combustible el uranio, plutonio y polonio y mezcla de ellos. Hoy, bombas A estn instaladas en unos cohetes llamados misiles. - Bombas H: Se basan en la fusin nuclear y el combustible es el hidrgeno y el helio. Para hacerla explosionar es necesario someterla a temperaturas de varios millones grados Celsius. Esto se consigue haciendo explotar previamente una bomba A, que genera altas temperaturas haciendo posible la fusin del H y He junto con la liberacin de energa. - Bombas de neutrones: Es un caso modificado de la bomba H. Su funcionamiento se basa en reducir la onda expansiva, pero liberando neutrones que bombardean los alrededores, provocando daos irreparables en las personas, sin destruir el entorno. En el posible escenario de una guerra nuclear se producira el llamado Holocausto nuclear. Se vivira el invierno nuclear que se trasladara a todo el planeta. Y si eso fuera poco, el polvo es suspensin sera radiactivo (formando un manto que impedira el paso de la luz solar, descendera la temperatura ambiental, etc.). Este caera rpidamente en forma de lluvia radiactiva contaminando con dosis letales el planeta. Despus de una explosin nuclear, especies como las cucarachas, moscas y ratas, seran los grandes sobrevivientes, en el corto plazo. Rodeadas de gran cantidad de cadveres su nmero se multiplicara vertiginosamente. Los radioistopos al servicio de la humanidad: En el transcurso de los procesos efectuados en los reactores nucleares se obtienen istopos radiactivos que se emplean en innumerables mbitos. - Mejorar los cultivos de plantas alimenticias - Preservar los alimentos y madera - Esterilizar instrumental mdico - Estudios de contaminacin ambiental - El control de procesos industriales - El estudio de recursos hdricos - Combatir plagas - Diagnstico mdico - Producir radio frmacos - Terapia mdica, etc.

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______________________________________________________________________________________Impacto de la tecnologa nuclear Pruebas nucleares: Las sustancias radiactivas que se producen de una explosin nuclear de experimentacin se incorporan al medio, contaminado el agua, el suelo y el aire. Pruebas de potencia nuclear: El uso de la fisin nuclear para generar electricidad es considerada por muchos una amenaza para el medio ambiente. A pesar de todas las medidas de seguridad dispuestas, ya sea por fugas radiactivas o por el manejo de los desechos radiactivos, como el istopo del Sr-90, los cuales deben ser almacenados en tambores blindados por ciertos periodos, a la espera de que su actividad radiactiva decaiga. Accidentes provocados por errores humanos y mecnicos, tales como lo ocurridos en la central ucraniana de Chernobyl el ao 1986, liberaron grandes cantidades de de gases y polvo radiactivo al medio ambiente, con lo cual queda de manifiesto el potencial peligro de una central nuclear. Usos mdicos de la radiacin El uso de la radiacin en medicina puede ser con propsitos de diagnstico (rayos X o exmenes de medicina nuclear) y para el tratamiento de enfermedades como el cncer, que hacen uso de radioistopos como el cobalto 60. Estas prcticas no constituyen un problema ambiental pero s lo queda despus de su uso (en hospitales y clnicas). El comportamiento qumico de los istopos radiactivos es idntico a l de los istopos estables del mismo elemento, pero son detectados localizando la radiacin que emiten. Por ello, los qumicos pueden usar istopos radiactivos como trazadores en reacciones qumicas no biolgicas y biolgicas. Estos trazadores se introducen en un organismo vivo o en cualquier otro material con el objeto de seguir su trayectoria, a travs de la deteccin de las radiaciones que emite. As es posible conocer los procesos que involucran estos tomos. Los istopos radiactivos se han convertido en herramientas muy tiles para el diagnstico y tratamiento de enfermedades. Por medio de ellos, los mdicos pueden detectar tempranamente muchas enfermedades y tratarlas. El empleo de radiofrmacos que tiene una vida media discreta permite estudiar los rganos y tejidos sin alterarlos. La tcnica consiste en dar el radiofrmaco al paciente en dosis pequeas, ya sea por inyeccin intravenosa, ingestin oral o inhalacin, y, a travs de un dispositivo de deteccin, seguir el recorrido del radiofrmaco hasta que se concentre en un tejido u rgano. La radiacin emitida por el radiofrmaco permite crear una imagen del rgano, la cual es reproducida por medio de un computador y una unidad de video, para as examinar con mayor precisin su funcionamiento y estructura. En la industria, los trazadores radiactivos se introducen en un determinado proceso para detectar fugas de lquidos o gases que se transportan a travs de caeras subterrneas como un oleoducto, descubrir caudales de fluido y si hay filtraciones. Tambin es posible obtener imgenes de piezas con su estructura interna, control de calidad de soldaduras, espesores de planchas metlicas, etc; utilizando radiografas en base a rayos gamma, llamadas gammagrafas. En el estudio del medio ambiente, se utiliza para la deteccin y anlisis de contaminantes. La tcnicas consiste en irradiar una muestra, por ejemplo, de agua o suelo, de tal modo de obtener lo espectros gamma que emite, para procesar la informacin en un computador. As, se pueden identificar los elementos presentes en la muestra y las concentraciones de los mismos. Una serie de estudios de este tipo han permitido detectar problemas de contaminacin causados como los causados por el SO2, en derrames de petrleo, las descargas gaseosas a nivel del suelo, en contaminacin de agua en los cursos naturales y en la produccin de smog en el aire de las ciudades. En la agricultura los radioistopos son utilizados en el estudio de la efectividad de los nutrientes sobre distintos cultivos. Para tal efecto se hace uso de fertilizantes marcados con radioistoipos, los que se ponen en las plantaciones en tiempos y lugares diferentes; as es posible determinar qu cantidad de nutrientes capta una planta y en qu poca del ao se debe aplicar fertilizante para obtener mayor productividad. A partir de mutaciones genticas inducidas por radioistopos, es posible lograr cultivas ms resistentes a las plagas. As mismo, el suministro de altas emisiones de radiacin ionizante a insectos machos que constituyen una plaga ha logrado controlar la poblacin, ya que estos machos irradiados no dejan descendencia. En Chile, se aplica con xito esta tcnica para el control de la mosca de la fruta, lo que ha permitido la expansin de sus exportaciones agrcolas. Otra de las aplicaciones de la radiactividad es la irradiacin de alimentos para almacenarlos y conservarlos. Este proceso consiste en exponer los alimentos a una dosis30


______________________________________________________________________________________prescrita de radiacin ionizante, durante un tiempo determinado en una sala especial. Para ello, las fuentes de radiacin son los rayos gamma, procedentes de radioistopos como el cesio 137 y el cobalto 60, los rayos X y haces de electrones. Con este tratamiento se pueden eliminar los microorganismos causantes de la descomposicin, impedir la reproduccin de insectos y parsitos, impedir los brotes de tubrculos y races comestibles y retrasar la maduracin de la fruta. La radiactividad tambin puede ser utilizada para la datacin de antigedades, por ello esta tcnica es muy til para arquelogos y paleontlogos. El fechado con carbono 14 se utiliza ampliamente para conocer la poca en que estuvieron vivos los fsiles de plantas y animales. Si se calcula la proporcin de C 14/C 12 (no radiactivo) en un objeto que tuvo vida, luego se compara con la proporcin que debi tener en el organismo estaba vivo, se puede saber su edad. Con la tcnica del plomo -210 se han descubierto falsificaciones de cuadros famosos que de otra manera no hubieran sido detectados. Es el caso de algunas obras del pintor holands Jan Vermeer (1632 1675) que fueron pintadas por otro pintor del siglo XX para ser vendidas como autnticas.

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______________________________________________________________________________________Ejercicio 8. a. b. c. d. e. f.9

Completa las reacciones nucleares siguientes:

Be + 4He 12C + ....... + n Y + 128Xe + .......

128

129

Ba + .......

35

Cl + 1n 36S + ....... + Po + ....... 204Pb + 222

208

....... +

Rn 226Ra +

g. Ejercicio 9: Resuelve los problemas: a.- El istopo estable del sodio es del 24Na? Raznalo.23

Na. Qu tipo de radiactividad es lgico esperar del

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Na y

b. Un istopo radiactivo artificial tiene un tiempo de semidesintegracin de 10 das. Si se tiene una muestra de 25 mg de este istopo. Qu cantidad se tena hace ahora un mes?. Qu cantidad se tendr dentro de un mes? Resp: 200 mg y 3,13 mg c. El 222Rn tiene un periodo de semidesintegracin de 3,9 das. Si se dispone inicialmente de una muestra de 10 mg, cuando queda de este istopo despus de 7,8 das? Resp: 2,5 mg d.- El ncleo P 32 se desintegra emitiendo una partcula beta. Escriba la reaccin de desintegracin y determinar razonadamente el nmero msico y el nmero atmico del ncleo resultante. e.- La velocidad de recuento en una muestra radiactiva es de 8.000 cuentas/s en el instante t = 0 s. Al cabo de 10 minutos se detectan slo 1.000 cuentas/s. Cul es el periodo de semidesintegracin? Cul es la constante de desintegracin? Qu velocidad de recuento se detectar despus de un minuto? Resp: 200 s; 3,46.10-3 s-1; 6.498 cuentas/s f.- Sabemos que el periodo de semidesintegracin del 14C es de 5.730 aos y un gramo de carbono actual tiene una actividad de 920 desintegraciones por hora. Una muestra de madera contiene 10 g de carbono y tiene una velocidad de desintegracin del carbono 14 de 100 cuentas/min. Cul es la edad de la muestra? Resp: 3.350 aos Se supone que la edad de un hueso que contiene 15 g de carbono es de 10.000 aos. Cul tendra que ser la velocidad de desintegracin del 14C de este hueso? Nota: Sabemos que la proporcin del istopo 14 del carbono en una muestra de carbono natural es de 1,326.10-12 y que su tiempo de semidesintegracin es de 5.730 aos. Resultado: 4.144 desintegraciones/h Calcula la energa que se desprende en las reacciones siguientes: 1. 2H + 1H -> 3He 2. 2H + 2H -> 3He + n 3. 6Li + n -> 3H + 4He Resultado: 5,49 MeV ; 3,27 MeV ; 4,78 MeV g.-La masa atmica del torio Th es 232 y su nmero atmico es 90. Cuando ste se desintegra emite 6 partculas alfa y 4 partculas beta. Encuentra: 1. La masa atmica y el nmero atmico del ncleo final de la desintegracin del torio. 2. Identifica el istopo final de esta desintegracin. h.--Por desintegracin radiactiva el 239Np emite una partcula beta. El ncleo hijo tambin es radiactivo y da lugar a 235U. 1. Qu partcula se emite simultneamente a la formacin de 235U? 2. Qu ncleo se ha formado en el proceso intermedio?32


______________________________________________________________________________________i.- Cuando se bombardea con partculas alfa el carbono 12 se produce una desintegracin con la emisin de un neutrn. El ncleo formado es inestable y se desintegra emitiendo un positrn. Cul es el ncleo final de esta reaccin, as como su nmero y masa atmica? Resp: 16 N j.- Si bombardeamos con neutrones el flor 19 se forma un nuevo elemento con emisin de una partcula alfa. 1. Cul es este nuevo elemento? 2. Cul es su masa atmica? Resp : N-16 k.- Formula la reaccin nuclear hipottica de conversin de cuatro tomos de helio en uno de oxgeno. 1. Determina si dicho proceso es exotrmico o endotrmico. 2. Calcula la energa equivalente a la variacin de masa que tiene lugar. Resp. exotrmico y 14,43 MeV

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quimica g.ponce modulo n°2-4°medio

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