Balanceo de ecuaciones nucleares

Qué es una notación nuclear

Antes de sumergirnos en las reacciones nucleares, repasemos la notación atómica estándar, o cómo se muestran los elementos en la Tabla Periódica.

En la Tabla Periódica, cada elemento está representado por un símbolo químico único. Por ejemplo, el hidrógeno tiene el símbolo químico H, mientras que el sodio tiene el símbolo químico Na. La Tabla Periódica ordena los elementos según su número atómico.

Esta disposición de la tabla periódica basada en el número atómico puede verse en la figura 1. Observa que el hidrógeno tiene un número atómico de 1, el helio tiene un número atómico de 2, y así sucesivamente.

Figura 1. La tabla periódica de los elementos

Además del símbolo químico y el número atómico, cada elemento tiene también una masa atómica media.

Ahora bien, la Química Nuclear utiliza una notación especial para describir las partículas nucleares. En lugar de la masa atómica, utilizan el término número másico, que es el número de protones más neutrones (figura 2). El número atómico de la parte inferior, sin embargo, da la carga de la partícula nuclear, pero generalmente también corresponderá al número de protones de un isótopo. Por ejemplo, la notación nuclear del isótopo más radiactivo del uranio es \( ^{235}_{92} \text{U} \), lo que significa que tiene 92 protones y 143 neutrones (235 - 92 = 143 neutrones).

Figura 2. Notación en química nuclear

Desintegración nuclear y reacciones nucleares

La química nuclear se ocupa de lo que ocurre dentro del núcleo de un átomo, que es donde se encuentra la mayor parte de su masa. Pero, ¿qué tiene de especial la química nuclear? Durante las reacciones nucleares, ¡la masa se convierte en grandes cantidades de energía!

Al tratar con ecuaciones nucleares, hay algunas partículas nucleares importantes que presentan notaciones únicas con las que debes estar familiarizado. Se trata del protón, el neutrón, la partícula alfa, la beta, el positrón y la gamma (tabla 1).

Tabla 1. Partículas importantes en la química nuclear

Unapartícula de neutrón ( ^{1}_{0} text{n} \) no tiene carga, pero sí tiene un número de masa de 1. Una partícula de protón ( ^{1}_{1} text{p} \) ) también tiene un número de masa de 1, pero también tiene una carga de + 1.

Lapartícula alfa ( ^{4}_{2}\alpha \) ) es el equivalente a un núcleo de helio (no es lo mismo que un átomo de helio, porque una partícula alfa no tiene electrones, sólo protones y neutrones). Las partículas alfa también tienen una carga de +2.

Las partículasbeta ( \( ^{0}_{-1}\beta \) ) también se conocen como partículas electrónicas. Una partícula β tiene un número másico de 0 y una carga de - 1. Una partícula positrón ( ^{0}_{1}\beta \) ), en cambio, se denomina partícula antielectrón porque tiene el mismo número másico que una partícula electrón, pero con la carga opuesta (+ 1). Cuando un electrón y una posición se encuentran (en otras palabras, cuando la antimateria se encuentra con la materia), se "matan" mutuamente, ¡y liberan mucha energía en el proceso!

Un rayo gam ma ( ^{0}_{0}\gamma \) ) no es una partícula y se denomina fotón de alta energía. Es la energía electromagnética que suele asociarse a la radiación nuclear (¡Recuerda el Espectro Electromagnético y los distintos tipos de radiación EM que existen!)

Cuando tratemos de química nuclear, ten en cuenta que nos centramos en el núcleo (protones y neutrones), ¡así que es mejor "olvidarse" de los electrones y de la nube de electrones cuando tratemos de química nuclear! Otro término importante que hay que conocer son los nucleones. Los nucleones se encuentran en el interior del núcleo y están unidos entre sí por unafuerza nuclear fuerte .

Ahora bien, aunque la mayoría de los núcleos de la naturaleza se consideran estables, los átomos que contienen un núcleo considerado radiactivo serán inestables y emitirán espontáneamente partículas y radiación electromagnética. ¡Aquí es donde entran en juego las reacciones nucleares! Así pues, ¡hablemos de la desintegración nuclear!

• ¡Cualquier elemento después del Pb (plomo) puede considerarse radiactivo!

Ladesintegración nuclear (o desintegración radiactiva) puede producirse por diferentes vías, como la desintegración alfa, la desintegración beta, la desintegración de positrones o la captura de electrones.

Desintegración alfa

La desintegraciónalfa, también llamada emisión alfa, suele ocurrir con los elementos más pesados con un número atómico superior a 82. Durante la desintegración alfa, el resultado neto es una reducción de la masa, emitiéndose una partícula alfa ( \( ^{4}_{2}\alfa \) ) como producto. Por ejemplo, \( ^{210}_{84}\texto {Po}}) sufriría una desintegración alfa entre que tiene un número atómico de 84.

$$ ^{210}_{84} {texto} {Po} a ^{4}_{2} {alfa} {texto} { + }^{206}_{82} {texto} {Po } $$

Desintegración beta

Ladesintegración beta (o emisión beta) se produce cuando la masa del isótopo es superior a la masa indicada en la tabla periódica. Como resultado, se emite una partícula beta. Por ejemplo, en la tabla periódica, el torio (Th) tiene una masa de 232,0. Por tanto, si tenemos un isótopo del torio con una masa de 234, lo más probable es que sufra una desintegración beta.

$$ ^{234}_{90} {texto{Th } a ^{0}_{-1} {texto{ + }^{234}_{91} {texto{Pa } $$

Captura de electrones

La captura deelectrones es básicamente la desintegración beta a la inversa: en lugar de emitir una partícula β, absorbe una partícula β. En otras palabras, la partícula β se encuentra en el lado reactivo de la ecuación. La captura de electrones puede producirse cuando la masa del isótopo es inferior a la masa indicada en la tabla periódica. Por ejemplo, el Aluminio-26 sufriría la captura de electrones porque su masa es menor que la masa del Al en la tabla periódica (26,98).

$$ ^{26}_{13}\text{ Al}+\text{ } a ^{0}_{-1}\beta\text{ }^{26}_{12}\text{ Mg} $$

Emisión de positrones

La emisión de positrones también suele producirse en isótopos que tienen una masa inferior a la de la tabla periódica. En este tipo de desintegración nuclear, se emite una partícula de positrón como producto.

$$ ^{26}_{13} {texto} {{Al} }to ^{0}_{1} {{beta} {texto} + }^{26}_{12} {texto} Mg } $$

Reglas para escribir ecuaciones nucleares

Al escribir ecuaciones nucleares, hay algunas reglas que debemos seguir: anotar siempre el tipo de desintegración nuclear que se produce y la partícula nuclear implicada, y utilizar una tabla periódica para determinar el nuevo núcleo formado tras la reacción nuclear.

Veamos un ejemplo.

Cómo equilibrar ecuaciones nucleares

Ser capaz de equilibrar ecuaciones nucleares es una habilidad esencial para la química nuclear. Utilicemos un ejemplo para entenderlo mejor. La siguiente ecuación nuclear muestra una reacción nuclear que se produce en un isótopo del uranio. Sin embargo, fíjate en que falta una partícula, ¡y tu trabajo consiste en averiguar de qué partícula se trata para equilibrar esta ecuación!

$$ ^{238}_{92}\text{U }to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + ? } $$

Paso 1: Equilibra el número másico en ambos lados de la reacción.

Lo primero que tenemos que hacer es echar un vistazo al número másico en ambos lados de la reacción. En el lado del reactante, tenemos un número másico de 238, mientras que en el lado del producto, tenemos un número másico de 234. Esto significa que, para equilibrar esta reacción, necesitamos una partícula que tenga un número másico de 4. ¿Por qué? Porque 234 + 4 = 238.

$$ ^{238} {{92} {texto{U} }a ^{234} {{90} {texto{Th + } ^{4}_{cuadrado} \text {?} $$

Paso 2: Equilibra el número atómico (carga) en ambos lados de la reacción.

Ahora hacemos lo mismo con el número atómico de la parte inferior. Como el número atómico cambia de 92 en el lado del reactante a 90 en el lado del producto, significa que nuestra partícula nuclear debe tener un número atómico de 2.

$$ ^{238}_{92} {text{U} {text{ }^{234}_{90} {text{Th + } ^{4}_{2} \text {?} $$

Paso 3: Predecir la identidad de la partícula o rayo nuclear que falta.

Ahora que conoces el número másico y la carga de tu partícula, podemos predecir con seguridad que la partícula necesaria para equilibrar esta reacción nuclear ¡es una partícula alfa!

$$ ^{238}_{92}\text{U }to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + } \color{#FA2373} ^{4}_{2} \alfa $$

Práctica de equilibrado de ecuaciones nucleares

La mejor manera de aprender el arte de equilibrar ecuaciones nucleares es mediante la práctica. Así que vamos a resolver algunos problemas similares a los que podrías encontrarte en tu examen de química.

Ahora, ¡espero que te sientas seguro de tu capacidad para equilibrar ecuaciones nucleares!