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• Angela

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Tema 5 QUÍMICA NUCLEAR

QUÍMICA NUCLEAR 5

LAS REACCIONES NUCLEARES: En las reacciones químicas ordinarias, los átomos y moléculas interaccionan logrando un reordenamiento de sus nus electrónicas, generando nuevas sustancias; en estas reacciones los núcleos atómicos no sufren ninguna modificación en su estructura. Las reacciones nucleares en cambio, son aquéllas donde se origina rompimiento de los núcleos atómicos, generándose productos de reacción que son elementos diferentes a los que reaccionaron. Algunas reacciones nucleares ocurren espontáneamente, como en la reactividad, donde se verifica la desintegración de núcleos individuales a una velocidad que no es alterada por factores como presión y temperatura. La mayoría de reacciones nucleares conocidas, sin embargo, son el resultado de la interacción de dos núcleos atómicos o del impacto de una partícula subatómica contra un núcleo, en este caso si son alteradas por las variaciones de energía. El estudio de las reacciones nucleares se inicia en 1919, a partir de los experimentos realizados por Ernest Rutherford, quien logra la primera transmutación artificial, al bombardear nitrógeno con partículas alfa, comprobando que se producían protones y oxígeno de acuerdo a la reacción: 14 7

5.1

N



4 2

 

17 8

O 

1 1

p

RADIACTIVIDAD: Es un fenómeno que se produce cuando, debido a la inestabilidad del núcleo, este se fracciona produciendo nuevos núcleos, emisión de partículas y emisión de energía. Otra definición es que indica el resultado del decaimiento o desintegración de núcleos inestables; es decir, por la emisión de radiaciones (partículas y/o energía) a partir de núcleos inestables o inestabilizados. La radiactividad, se manifiesta de dos formas: Radiactividad natural: Descubierta en forma casual por Henry Becquerel en 1896, es la desintegración en forma espontánea de los núcleos, emitiendo partículas, nuevos núcleos y energía. Características de las emisiones radiactivas:    

Ionizan el medio que los rodea. Producen brillo en pantallas fluorescentes, como el ZnS. Presentan un poder de penetración característico. Presentan tres tipos de emisiones llamadas: radiaciones alfa, beta y gamma.

1 Colegio Peruano Colegio Colegio Chino Peruano Peruano “DiezChino de Chino “Diez “Diez dede Octubre” Octubre” Octubre”

Quinto Año de Secundaria

DESVIACIÓN DE LAS EMISIONES RADIACTIVAS, BAJO LA ACCIÓN DE UN CAMPO ELÉCTRICO.

2

Quinto Año de Secundaria

CARTACTERÍSTICAS DE LAS RADIACIONES RADIACIÓN NATURALEZA PODER DE PENETRACIÓN MASA CARGA RELATIVA VELOCIDAD DE SALIDA DEL NÚCLEO PODER IONIZANTE

RADIACIÓN ALFA () Corpuscular Son núcleos de helio (heliones) o partículas alfa. Muy baja

RADIACIÓN BETA () Corpuscular Son electrones

4, 0026 u.m.a.

1 u.m.a. 1836

0

+2

1

0

V = 20 000 km/s

V = 270 000 km/s

c = 300 000 km/s

Alta

Baja

Muy baja

Baja

RADIACIÓN GAMMA () No corpuscular Radiación electromagnética Alta

EFECTOS BIOLÓGICOS DE LA RADIACIÓN

RADIACIÓN

ALFA ()

BETA ()

GAMMA ()

EFECTOS BIOLÓGICOS Por su bajo poder de penetración y corto alcance (recorren sólo 4 a 5 cm en el aire), no dañan a la materia viva. Cuando se ingiere elementos radiactivos (uranio, radio, radón, etc) en los alimentos o al respirar el aire contaminado, se acumula generando células cancerosas, posee alto poder ionizante. Produce mayor daño sobre la superficie de la materia viva (debido a su mayor poder de penetración), causando quemaduras sobre la piel y ojos como los rayos ultravioleta del sol. Producen cáncer a la piel (exposición prolongada). Llega a los órganos internos por ingestión. Por su elevado poder de penetración, causan mucho daño a la materia viva. Produce quemaduras internas, esterilización y mutación de genes (mutaciones genéticas). Se utiliza para destruir células cancerosas. Por ejemplo, el (Co-60) por el método de baños de cobalto.

5.2

NUCLEIDO: Es un tipo de átomo caracterizado por un definido número de protones y neutrones. Se conocen unos 1600 nucleidos.

5.3

ECUACIONES NUCLEARES: Las reglas que se enumeran a continuación, resumen la forma correcta de escribir e interpretar una ecuación nuclear, la cual expresa simplificadamente lo que ocurre en una reacción nuclear.  Cada nucleído tendrá un superíndice que es su número másico y un subíndice que es su número atómico.

3

Quinto Año de Secundaria

1 1

 Un protón libre se representa como

1 1

H o

p , ya que es el núcleo del isótopo más

ligero del hidrógeno.  Un neutrón libre se representa como  Un electrón libre se designa como

1 0

0 1

n

e o

 , ya que las partículas beta menos (-) son

0 1

electrones de alta velocidad.  Al positrón o partículas beta más (+) se le designa: 4 2

 Una partícula alfa se designa como:

 o

4 2

0 1

0 1

e o



He

 La radiación gamma () tiene número másico cero y carga cero.



 El neutrino se representa por



0

0

0

 El Deuterón se representa por  El Tritión se representa por

0

1

1

H

H

2

3

o t

o d

 La ecuación nuclear debe estar balanceada, tal que la suma de superíndices tanto como subíndices debe ser igual en ambos miembros. Ejemplos: 238 92

U 

238 90

Th 

4 2

212 83

He

Bi 

212 84

Po 

0 1

e

En los procesos nucleares donde se da el inicio con partículas ligeras y se logra la expulsión de otras partículas ligeras productos, se pueden representar de dos formas: X+

a

====>

Y

+

b

ó

X(a,b)Y

Donde: X =Nucleído inicial Y = Nucleído final

a = Partícula de bombardeo b = Partícula producto

Ejemplos:

5.4

9 4

Be



4 2

He 

14 7

N



1 1

H 

55 25

Mn



2 1

12 6 11 6

H 

C 

C  55 26

n

Be 9 (  , n ) C 12

He

N 14 ( p ,  ) C 11

1 0 4 2

Fe  2 01 n

Mn 55 ( d , 2n ) Fe 55

PRINCIPALES FORMAS DE DESINTEGRACIÓN NUCLEAR: Desintegración alfa: Cuando el radionucleído emite una partícula alfa, el número atómico disminuye en 2 unidades y el número de masa se reduce en 4 unidades. A Z

X 

A4 Z 2

226 88

Ra 

222 86

Y 

4 2



Ejemplo:

Rn 

4 2



Desintegración beta: El radionucleído puede emitir partículas beta negativas o negatones y beta positivas o positrones, en ambos casos la masa de la partícula emitida - o + posee una unidad fundamental de carga + o – y su masa es igual a la de los electrones.

4

Quinto Año de Secundaria

 p   

n



p

 n  



Ejemplos: 114 49

In



114 50

Sr  



40 21

Sc



40 20

Ca  



Emisión gamma: La radiación gamma se presenta en la mayoría de los casos en combinación con una desintegración alfa, beta, debido a que luego de uno de los procesos, el núcleo hijo quedó en un estado excitado y fugazmente pasará a su estado fundamental con emisión de rayos gamma. Al ocurrir emisión gamma no habrá variación de Z ni de A. 5.5

LA FISIÓN NUCLEAR La fisión nuclear es un proceso que ocurre sólo en núcleos muy pesados, consiste en la división o fragmentación de un núcleo en dos o a veces en más partes, por cada núcleo fisionado se libera una energía del orden de 200 MeV. Otto Hans y Fritz Strassman, fueron los primeros en descubrir el fenómeno de fisión en el año 1939, para tal efecto bombardearon U 235 con neutrones neutros, obteniendo como productos Ba 144 y Kr 89, según la ecuación: 235 92

U



1 0

n 

144 56

Ba 

89 36

Kr

 3 01n

Para una pequeña masa de material fisionado, la energía liberada es enorme.

5.6

LA FUSIÓN NUCLEAR Es aquella reacción nuclear donde a partir de núcleos ligeros se obtienen núcleos pesados y un desprendimiento correspondiente de energía. Para que ocurra la fusión, es necesario que la energía cinética de los componentes de la reacción química sean suficientemente altas para poder vencer las fuerzas electrostáticas de repulsión, para lo cual se hace necesario elevadas temperaturas, del orden de 10 7 ºC. La reacción de libera mayor aquélla donde genera un

fusión conocida, que cantidad de energía es de cuatro protones se núcleo de helio.

5

Quinto Año de Secundaria

5.7

VIDA MEDIA O PERÍODO DE SEMIDESINTEGRACIÓN Se refiere al tempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos radiactivos contenidos en una muestra radiactiva.

Radionúclido Tc – 99 Tl – 201 I – 131 P – 32 Co – 60 C – 14 K – 40 U – 238 5.8

Vida media ( t ½) 6 horas 74 horas 8 días 14, 3 días 5, 27 días 5730 años 1, 3 x 10 9 años 4, 5 x 10 9 años

Aplicaciones Tratamiento de cáncer, imágenes de tejidos. Tratamiento del corazón, imágenes del corazón. Tratamiento de afecciones a la tiroides. Tratamiento de osteoporosis. Tratamiento de cáncer. Determinación de antigüedad de fósiles. Determinación de fechado de rocas. Determinación de la edad de la tierra.

USOS Y APLICACIONES DE LOS RADIOISÓTOPOS En la agricultura se mejora las cosechas obteniéndose variedades de especies por mutaciones genéticas. En este caso es útil la radiación gamma, también se pueden preservar los alimentos con radiaciones  o  (provenientes del Co – 60 y Cs – 137). En el control de plagas, la radiación gamma se usa para esterilizar el macho de la mosca gusanera, evitándose, de esta forma, el uso descontrolado de insecticidas y plaguicidas (por se contaminantes). El diagnóstico médico también se desarrolla gracias a la actividad de los radioisótopos, estos deben tener un tiempo de vida medio muy corto y ser emisores de radiación gamma. Por ejemplo: Se puede determinar la deficiencia de funcionamiento de la glándula tiroides (I- 131); se detecta si el tejido cardíaco ha muerto después de un ataque al corazón y la sangre fluye libremente por los conductores coronarios (Tl – 201), se localizan tumores cerebrales (As – 74); se obtienen imágenes y detectan males del hígado, pulmón, páncreas, etc, a través de gammagrafías (Tc – 99). En radioterapia, los radioisótopos cumplen un papel muy importante ya que son usadas para el tratamiento de más de una enfermedad.

TEST Nº 5 1.

Completar las siguientes reacciones nucleares:

6

Quinto Año de Secundaria C 14 ======> 23 Na ======> 11 222 4 ======> 86 Ra 2 He

I. II. III.

6

A) +2  4 , B) -1  0 , C) -1  0 ;

0 ; 0 ; +1  4 ; +2 

Po 206 218 84 Po 210 84 Po

-1

82

N 14 20 + 10 Ne +

+ ................. .................  + ...............

7

D) +1  0 ; E) -1  0 ;

4 3 1 H +2

; 84 Po 218 ; 84 Po 218

2.

Por emisión de partículas alfa y beta el Uranio–238 (Z=92) se transforma en Protactinio–218 (Z=91). ¿Cuántas partículas  y  en total se emitió el Uranio?. A) 6 partículas  y 8 partículas  D) 9 partículas  y 5 partículas  B) 5 partículas  y 9 partículas  E) 10 partículas  y 8 partículas  C) 8 partículas  y 6 partículas 

3.

En la ecuación nuclear mostrada. ¿Cuál es el núcleo padre? 210 + 2n =====> Z X A + 2 + 83 Bi A) 82 Pb 207 B) 79 Au 204 C) 80 Hg 200

4.



D) 81 Tl 204 E) 81 Tl 205

Abreviar la reacción nuclear siguiente : 120 +  ====> 53 I

54

Xe 122

+ 122 54

A)

120 53

I ( ; T )

122 54

Xe

D)

120 53

I ( ; D )

B)

120 53

I ( ;  -)

122 54

Xe

E)

120 53

I ( ; n + )

C)

120 53

I ( ;  + )

122 54

................. Xe

122 54

Xe

Xe

5.

Escoja la radiación con menor velocidad: A) Rayos  D) Rayos X B) Rayos  E) Rayos Catódicos C) Rayos 

6.

Dada las afirmaciones: Mientras que la fisión nuclear está asociada a la bomba atómica; la fusión nuclear lo está a la bomba de Hidrógeno. La fisión nuclear deja más “basura radiactiva” que la fusión nuclear La bomba de Hidrógeno es más energética que la bomba atómica. En la fusión nuclear (reacción termonuclear) se juntan núcleos ligeros para generar núcleos pesados. ¿Cuántas son falsas? A) 0 D) 4 B) 1 E) 5 C) 2

7.

El Radón Rn–222 (Z=86) sufre un decaimiento “ ”. ¿Cuál es el núcleo hijo? A)

206 82 Pb

D)

235 92 U

B)

234 90 Th

E)

218 84 Po

C)

238 92 U

8.

El Americio Am – 246 ( Z = 95 ) sufre 3 decaimientos  y 2 decaimientos beta negativos con emisión de radiación gamma.¿ Cuál es el núclido hijo ? A) 90 Th 233 D) 92 U 235 234 B) 91 Pa E) 100 Fm 253 242 C) 94 Pu

9.

El Mendelevio Md –260 ( Z = 101 ) se transforma en Einstenio Es – 240 (Z =99) ; al emitir “ x” partículas alfa y “y” partículas beta . Calcular el valor de “ x + y ”

7

Quinto Año de Secundaria A) 9 B) 10 C) 11 10.

D) 12 E) 13

Considere las siguientes reacciones nucleares y diga en cuál de ellas se emite mayor cantidad de neutrones. I)

27 13

Al

252 98

II )

Cf

246 96

III )

+

2

+

Cm

5

+

6

30

He 4

=====> 15 P

B 10 C

12

+

.............

=====>

257 103

Lr +

.............

=====>

254 102

No +

.............

A) I B) II C) III 11.

D) I y II E) II y III

Considere las siguientes reacciones nucleares. I)

35 16

S

+

2

He 4

====>

X

38

II ) X ( ; m ) 17 Cl Luego identifique la partícula “m” A) Beta negativa B) Protón C) Deuterón 12.

13.

¿En cuál de las reacciones nucleares se libera una partícula beta ? A) 92 U 238 =====> 90 Th 234 + ............ +  1 B) 4 1 H =====> 2 He 4 + ............ + Energía C)

7 3

D)

235 92 U

E)

234 90 Th

Li

+

4 2

+

1 0n

He

9 4

======>

137 52

A)

208 82 Pb

+

……….

Te +

234 91 Pa

B) C)

214 83 Bi

97 40

+

+

Zr

210 83 Bi

D)

210 82 Pb

;

215 85 At

208 82 Pb

;

221 85 At

E)

208 82 Pb

;

219 85 At

210 82 Pb

;

218 85 At

La reacción nuclear : ...........

242

=====>

E

+

0

n1 ; es :

A)

239 94 Pu

(;)

236 91 Pa

D)

239 94 Pu

(;p)

245 96 Cm

B)

239 94 Pu

(;n)

240 90 Th

E)

239 94 Pu

(,n)

242 96 Cm

C)

239 94 Pu

(,)

242 96 Cm

En la reacción nuclear: +

2

He 4

+

2

–1

0

======>

el núclido hijo respecto a “E” es su : A) Isótopo B) Isóbaro C) Isócoro Identifique el núcleo padre : 1 ..................... + 1 H

..........

+ Energía

D) Isótono E) Isomático

======>

39

8

……….

es................ y el que sufre una emisión

es ...................

;

+

+

............

220 85 At

27 13 E

16.

Be

El núcleo padre sufre decaimiento - y se transforma en

239 94 Pu

15.

======>

=========>

alfa transformándose en

14.

D) Alfa E) Neutrón

Y 87

+

2

He 4

Quinto Año de Secundaria A) 20 Sr 88 B) 41 Nb 93 C) 41 Nb 90 17.

Simplifique la reacción nuclear : 239 94 Pu

18.

D) 38 Sr 90 E) 40 Zr 90

+

A)

239 94 Pu

B) C)

2

He 4

(,T)

243 97 Bk

239 94 Pu

(;D)

243 97 Bk

239 94 Pu

(,)

243 97 Bk

243 97 Bk

=====>

+

D)

( ; n )

243 97 Bk

E)

239 94 Pu

(,)

243 97 Bk

Identifique la(s) especie(s) que falta(n). 239 I. + .......... ======> 94 Pu 238 II. + 15 n ======> 92 U 252 III. + ……… ======> 98 Cf A)  ; 5  ;

11 6

B)  ; 7  ;

10 5B

C) n ; n

14 7N

;

C

...............

239 94 Pu

Cm 242 253 + 99 Es 257 Lr 103

+ n ............... + 5n

96

D) n ; 6 ; E) 5  ; 6n ;

12 6

C

14 6

C

19.

Cuando un núcleo se bombardea simultáneamente con una partícula alfa y dos partículas beta, se obtiene: A) Un isótono D) Un núcleo con mayor Z B) Un isóbaro E) Un núcleo con menor Z C) Un isótopo

20.

En la reacción nuclear: 253 96 Cm

+

251 95 Am

............ ======>

+

..................

El posible par (partícula bombardeada, partícula emitida) es : A) ( n ;  ) D) (  ; D ) B) ( D ;  ) E) ( D ; T ) C) ( n ;  ) 21.

Dadas las afirmaciones: ( ) En la fusión se usan núcleos ligeros especialmente de Hidrógeno y Litio ( ) En el sol y en las estrellas se producen fisión nuclear ( ) La bomba de Hidrógeno es hasta 1 000 veces más poderosa que la bomba atómica. ( ) Para que se logre liberar la energía de una bomba de Hidrógeno, previamente se hace explosión de una bomba atómica. ¿Cuántas son verdaderas? A) 0 D) 3 B) 1 E) 4 C) 2

22.

Identifique una ecuación nuclear correcta:

23.

A)

197 79

B)

14 7

C)

52 24

Au ( n , )

N(p;n)

204 81 Tl

12 6C

Cr ( n , p )

52 23

D)

127 53

E)

75 33

I(d;)

131 54 Xe

As ( p , d )

V

¿Qué masa de uranio libera 18x1020 erg de energía? A) 1 g D) 4 g B) 2 g E) 5 g C) 3 g

9

80 35

Br

Quinto Año de Secundaria

24.

¿En cuántas reacciones nucleares está involucrada una partícula  - ? 41 14 I. + ............. ======> 20 Ca 7 N 17 16 II. ======> + ................. 7 N 7 N 33 29 III. ======> + ................. 16 S 14 Si 218 218 IV. ======> + ............... 83 At 84 Po 210 210 V. Pb ======> Bi + ............... 82 83 A) 0 B) 1 C) 2

25.

D) 3 E) 4

Señala la partícula que no es corpuscular: A) Alfa D) Positrón B) Beta E) Neutrón C) Gamma

10

+ +

 