- En primer lugar, veremos la definición de química nuclear y los fundamentos de las reacciones nucleares.
- A continuación, conoceremos las ecuaciones nucleares y los tipos de desintegración nuclear que se observan en la química nuclear.
- Después, veremos algunos ejemplos relacionados con la química nuclear.
- Por último, hablaremos de algunas aplicaciones de la química nuclear.
Química nuclear: definición
Empecemos por la definición de química nuclear. La química nuclear es la química que se ocupa de la radiactividad, las reacciones nucleares y las propiedades nucleares.
La químicanuclear es un subcampo de la química que estudia los cambios que se producen en el núcleo de los elementos.
Lasreacciones nucleares son reacciones en las que interviene el núcleo de un átomo. Como el núcleo está formado por nucleones, que son protones y neutrones, tendemos a ignorar los electrones, ya que no forman parte del núcleo.
Cuando se trata de química nuclear, el átomo se denomina nucleido.
Un nucleido es una instancia particular de un átomo de un núcleo atómico, por ejemplo, \(^{16}_{8}\text{O}\), es un núcleo particular de oxígeno.
Ahora bien, hay dos formas de representar los nucleidos: la notación atómica y la notación de masa. En la notación atómica, el número de arriba es el número másico, mientras que el número de abajo es el número atómico. En la notación másica, el nombre del elemento va seguido del número másico. Por ejemplo, la notación atómica de un isótopo del radio que contiene 140 neutrones se escribe \( ^{228}_{88}\text{Ra} \), mientras que su notación másica es radio-228,
- Número másico → número de protones más el número de neutrones del núcleo.
- Número atómico → número de protones en el núcleo.
Figura 1. Notación atómica del isótopo radiactivo del radio, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
Losisótopos son átomos de un mismo elemento que contienen el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones en su núcleo. Para saber más sobre los radioisótopos, ¡consulta" Isótopos radiactivos "!
Historia de la química nuclear
Sumerjámonos ahora en la historia de la química nuclear y conozcamos a tres químicos diferentes que fueron importantes en el descubrimiento de la radiactividad.
En primer lugar, tenemos a Wilhelm Röntgen, físico alemán. Röntgen estaba interesado en comprender cómo funcionaba un tubo de Crookes. El tubo de Crookes era un dispositivo creado en 1870 por un científico británico llamado William Crookes. Consistía en un cilindro de cristal sellado, sin oxígeno en su interior y con dos electrodos (un ánodo y un cátodo). Cuando había una diferencia de voltaje elevada entre ambos electrodos, aparecía un resplandor verde/amarillo detrás del ánodo, como si esta luz se emitiera desde el cátodo. Los físicos llamaron a esta luz invisible "rayos catódicos".
Sin embargo, en 1895, Röntgen descubrió que el tubo de Crookes emitía otra radiación desconocida, además de los rayos catódicos. ¡Resulta que acababa de descubrir los rayos X!
Entonces, en 1896, entra en escena Henri Becquerel . Becquerel utilizó los recién descubiertos rayos X para hacer algunos experimentos y, por accidente, ¡se topó con el descubrimiento de unas sales de uranio fosforescentes que emitían radiación espontáneamente! Becquerel acababa de descubrir un nuevo fenómeno: ¡la radiactividad!
Marie Curie también fue pionera de la radiactividad. En 1898, junto con su marido Pierre Curie, Marie Curie descubrió los elementos polonio y radio. Marie fue también quien acuñó el término radiactividad.
Se denominaradiactividad a la Desintegración espontánea (desintegración) del núcleo de un isótopo inestable.
Ecuaciones de la química nuclear
Las ecuaciones nucleares de la química nuclear implican partículas especiales llamadas partículas nucleares, y la implicación de cada una de estas partículas nucleares depende del tipo de desintegración nuclear que se produzca en el núcleo de un isótopo inestable .
Los isótopos inestables (isótopos radiactivos) son los que tienen un núcleo inestable que puede sufrir espontáneamente una desintegración radiactiva para formar un isótopo estable (isótopo hijo).
Ladesintegración nuclear (también conocida como desintegración radiactiva) es la Desintegración (descomposición) espontánea de un núcleo inestable que conduce a la formación de un núcleo estable (isótopo estable). En este proceso, parte de la masa se convierte en energía.
Lo más importante es que, en la desintegración nuclear, un isótopo radiactivo con un núcleo inestable (también conocido como isótopo padre) sufre una descomposición espontánea de su núcleo para formar un isótopo hijo ¡con un núcleo estable!
Un isótopo hijo (o nucleido hijo) es un isótopo estable formado a partir de la desintegración radiactiva del isótopo padre que contiene un núcleo inestable.
Hay seis partículas nucleares asociadas a las ecuaciones nucleares. Son la partícula neutrón, la partícula protón, la partícula beta, la partícula alfa y la partícula positrón.
- La partícula protón tiene el símbolo \( ^{1}_{1} \text{p} \) y una carga de +1.
- La partícula neutrón no tiene carga y tiene el símbolo \(^{1}_{0} \text{n} \).
- La partícula beta (o partícula electrón) tiene una carga de -1 y el símbolo \(^{0}_{-1}\beta \) o \(^{0}_{-1} text{e} \).
- La partícula positrón es lo contrario de la partícula beta, tenía el símbolo \(^{0}_{1}\beta \) y una carga +1.
- La partícula alfa tiene el símbolo \( ^{4}_{2}alfa \) y una carga de +2.
Cuando se produce una desintegración nuclear, estas partículas nucleares se emiten o se absorben. Exploremos ahora los distintostipos de desintegración radiactiva y las partículas nucleares implicadas.
Desintegración Beta
Ladesintegración beta es probablemente el tipo más común de desintegración nuclear que se observa en las reacciones nucleares. En la desintegración beta, se emite una partícula alfa (^{4}_{2}\alfa \)), mientras que el isótopo estable pierde un neutrón y gana un protón.
La desintegraciónbeta (β) es una desintegración radiactiva que tiende a producirse en isótopos radiactivos con una masa superior a la que aparece en la Tabla Periódica para ese elemento.
Por ejemplo, supongamos que tienes un isótopo radiactivo del carbono, el carbono-14. La notación atómica del carbono-14 es \( ^{14}_6\text {C} \), lo que significa que tiene un número atómico de 6 y un número másico de 14.
Ahora bien, si buscas el Carbono en tu Tabla Periódica, verás que la masa del carbono en la Tabla Periódica es 12. Como el número másico del carbono-14 es mayor (14) que ese número másico en la Tabla Periódica, el carbono-14 sufrirá una desintegración beta.
$$ ^{14}_{6}\text{C }\longrightarrow \text{ }^{0}_{-1}\text{e + }^{14}_{7}\text{N} $$
Captura de electrones y emisión de positrones
La captura deelectrones es básicamente lo contrario de lo que acabamos de ver en la desintegración beta. Durante la captura de electrones, se absorbe una partícula beta en lugar de emitirse.
La captura de electrones es una desintegración radiactiva que tiende a producirse en isótopos radiactivos con una masa menor que la masa que aparece en la tabla periódica para ese elemento.
Durante lacaptura de electrones, un electrón de la capa interna de un átomo es atraído hacia el núcleo, donde se combina con un protón, formando un neutrón y un neutrino. El neutrino es expulsado del núcleo del átomo. La siguiente ecuación nuclear muestra la captura del electrón en el 196Pb.
$$ ^{196}_{82}\text{Pb + } ^{0}_{-1}\text{e }\longrightarrow ^{196}_{81}\text{Tl + } \nu_{e} $$
¡Resolvamos un problema!
¿Qué tipo de desintegración nuclear sufrirá con mayor probabilidad el isótopo ^{26}_{13} \text{Al}?
Lo primero que tenemos que hacer es buscar el Aluminio (Al) en la tabla periódica y comparar sus masas. En la tabla periódica, el Aluminio (Al) tiene una masa de 29,982. Por tanto, como la masa del isótopo es menor que la masa en la tabla periódica, lo más probable es que ^{26} \text{Al} \ ¡sufra una captura de electrones!
$$ ^{26}_{13}\text{ Al}+\text{ } ^{0}_{-1}beta hasta ^{26}_{12}{texto{ Mg} $$
La emisión de positrones es un tipo de desintegración nuclear que puede producirse en isótopos de masa inferior a la de la tabla periódica. En este caso, se emite una partícula de positrón, lo que hace que el isótopo gane un neutrón y pierda un protón.
A continuación se muestran las ecuaciones nucleares para la emisión de positrones en \( ^{26} \text{Al} \):
$$ ^{26}_{13}\text{ Al }\to ^{0}_{1}beta{text{ + }^{26}_{12}\text{ Mg } $$
Desintegración alfa
El cuarto tipo de desintegración nuclear se llama desintegración alfa .
La desintegración alfa(α ) es una desintegración radiactiva que tiende a producirse en isótopos radiactivos con un número atómico superior a 82.
En este caso, se emite una partícula alfa (^{4}_{2}\alfa)), y el isótopo resultante perderá dos protones y dos neutrones (¡el equivalente a un núcleo de helio!).
$$ ^{238}_{92}\text{U }a ^{234}_{90}\text{Th + } ^{4}_{2} \alfa $$
¿Te interesa aprender a equilibrar reacciones nucleares? ¡Echa un vistazo a "Equilibrarecuaciones nucleares"!
Ejemplos de química nuclear
Ahora que sabemos lo que abarca la química nuclear y los distintos tipos de desintegración nuclear que pueden producirse, veamos algunos ejemplos.
El plutonio-239 es un isótopo radiactivo del elemento plutonio, y se utiliza en la generación de armas nucleares. Dado que el \( ^{239}_{94} \text {Pu}\) tiene un número atómico mayor que 82 (94 > 82), su modo de desintegración esperado es la desintegración alfa.
$$ ^{239} {94} {text{Pu} }a ^text{ }^{235} {92} {text{U + } ^{4}_{2} \alfa $$
Otro ejemplo de isótopo radiactivo importante en química nuclear es el Flúor-18. Este isótopo es importante en la tomografía por emisión de positrones (PET), un tipo de diagnóstico por imagen utilizado para ver las funciones metabólicas de tejidos y órganos. El flúor-18 sufre emisión de positrones.
$$ ^{18}_{9}\text{ F }\text { } ^{0}_{1}beta{texto}{ + }^{18}_{8}{texto}{O} $$
Aplicaciones de la química nuclear
Para terminar, hablemos de explorar las aplicaciones de la química nuclear. La química nuclear tiene aplicaciones médicas muy importantes, ya que algunos isótopos radiactivos pueden utilizarse para la obtención de imágenes, y también en el proceso de diagnóstico y tratamiento del cáncer. El samario-153, por ejemplo, es un radioisótopo utilizado en el tratamiento del cáncer de huesos.
La siguiente figura muestra algunos isótopos comunes utilizados en el diagnóstico y tratamiento de determinadas enfermedades.
Ahora, ¡espero que te sientas preparado para sumergirte de lleno en la química nuclear!
Química nuclear - Puntos clave
- Laquímica nuclear es un subcampo de la química que estudia los cambios que se producen en el núcleo atómico de los elementos.
- Ladesintegración nuclear (también conocida como desintegración radiactiva) es la desintegración (descomposición) espontánea de un núcleo inestable que conduce a la formación de un núcleo estable (isótopo estable). En este proceso, parte de la masa se convierte en energía.
- Los tipos de desintegración nuclear son la desintegración alfa, la desintegración beta, la emisión de positrones y lacaptura de electrones.
Referencias
- House, J. E., y Kathleen Ann House. (2016a). Química Inorgánica Descriptiva. Amsterdam ; Boston ; Heidelberg ; London ; New York ; Oxford ; Paris ; San Diego ; Singapore ; Sydney ; Tokyo Elsevier.
- Moore, J. T., & Langley, R. (2021a). McGraw Hill : Química AP, 2022. Mcgraw-Hill Educación.
- Timberlake, K. C., & Orgill, M. (2019). Química general, orgánica y biológica : estructuras de la vida. Pearson.
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Química : la ciencia central (14ª ed.). Pearson.
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