Todo se Transforma - Quimica 3º año C.B.

Transformaciones nucleares
y sus aplicaciones
Capítulo 5
Hemos estudiado diferentes cambios o transformaciones que puede
experimentar la materia.
En el siguiente cuadro se comparan las diferencias entre los procesos
físicos y químicos en relación a los procesos nucleares.
TRANSFORMACIONES FÍSICAS
TRANSFORMACIONES QUÍMICAS
TRANSFORMACIONES NUCLEARES
Las sustancias que intervienen no se modifican, son las mismas, cambia solamente
su aspecto (forma, volumen, estado, etc.).
Las sustancias iniciales se modifican
obteniéndose sustancias nuevas al final
de la reacción.
Las sustancias cambian.
Los elementos se conservan.
Los elementos se conservan.
Los elementos cambian (excepto en las
emisiones gamma)
El número de átomos de cada elemento
es igual antes y después del cambio.
El número de átomos de cada elemento
es igual antes y después del cambio.
El número de átomos de cada elemento
varía (excepto en las emisiones gamma).
La masa se conserva.
La masa se conserva.
La masa no se conserva.
Ej.: Cuando se producen deshielos en las
montañas, el agua en estado sólido se
transforma en agua en estado líquido.
Las moléculas que forman el hielo y el
agua líquida son iguales.
Si se considera una muestra de hielo los
elementos constituyentes son el hidrógeno y el oxígeno; éstos también son los
elementos que componen el agua líquida.
Ej.: Si el agua líquida se descompone
por acción de la corriente eléctrica se
producen dos sustancias: dihidrógeno y
dioxígeno.
Los elementos constituyentes del agua
(O y H) son los mismos que forman el
gas dioxígeno y el gas dihidrógeno, dos
sustancias diferentes entre sí y respecto
del agua.
Ej.: Al emitir partículas alfa (α) se produce
la transformación de uranio (U) en otro
elemento, torio (Th), por lo tanto se forma
una sustancia diferente.
En este proceso de desintegración la
masa perdida se transforma en gran
cantidad de energía que se libera.
H2O (s)
fusión
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H2O (l)
2 H2O (l)
electrólisis
2 H2(g) + O2(g)
235
U
92
desintegración
231
Th
90
+
4
α
2
Transformaciones nucleares y sus aplicaciones. • Capítulo 5
167
Radiactividad natural y artificial
Las transformaciones nucleares se producen en forma natural o provocadas por el hombre.
Radionucleidos naturales
Fig. 1. Imagen artística del Big- Bang.
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Sintetizar significa producir, obtener, elaborar, crear,
formar.
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Transuránicos o también llamados transuránidos son los
elementos ubicados en la Tabla
Periódica después del uranio
cuyo Z es 92.
La teoría más aceptada acerca de la formación del Universo sostiene
que entre 12.000 y 15.000 millones de años antes del momento actual,
en un instante determinado, se produjo una enorme explosión llamada
Big-Bang (fig.1).
En el largo proceso de formación del Universo fueron apareciendo
los radionucleidos.
Otros radionucleidos se generan continuamente por bombardeo de
rayos cósmicos sobre núcleos estables.
Por ejemplo, por acción de los rayos cósmicos el nitrógeno atmosférico se transforma en C-14 que resulta un isótopo natural y radiactivo
de este elemento. La emisión radiactiva del C-14 se emplea para determinar la edad de los fósiles (método de datación con C-14).
Radionucleidos artificiales
Desde principios del siglo XX se han ido creando radionucleidos artificiales, intencionalmente en algunos casos, o como productos no esperados de otras acciones.
Se llaman transmutaciones nucleares a aquellos procesos que producen la transformación de un núcleo en otro diferente.
Ejemplos:
• los elementos llamados transuránicos (Z > 92), no son naturales,
fueron sintetizados en el laboratorio.
Por ejemplo, al bombardear uranio-238 con neutrones se obtiene
un nuevo elemento, neptunio- 239.
238
U
92
+
1
239
n
0
Np
93
0
+
-1
e
• el cobalto-60 se obtiene bombardeando con neutrones al cobalto-59 (isótopo natural). El Co–60 es un emisor gamma que se utiliza en medicina (radioterapia) y en la industria.
59
27
Co
+
Capítulo 5 • Transformaciones nucleares y sus aplicaciones.
1
0
n
60
27
Co
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También a principios del siglo XX el hombre aprendió, además de
sintetizar radionucleidos, a extraer la energía acumulada en los núcleos
atómicos (energía nuclear) y transformarla para su utilización con diferentes fines.
Estudiaremos dos tipos de transformaciones nucleares, por la importancia de ellas como fuentes energéticas:
• Fisión nuclear
• Fusión nuclear
Fig. 3. Las centrales nucleares están
equipadas con reactores donde se produce la fisión nuclear.
Fisión Nuclear
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La fisión nuclear consiste en la división de núcleos “pesados” (que
poseen excesiva cantidad de protones y neutrones).
Para lograr fisiones, se bombardean por ejemplo, núcleos de uranio-235 (“combustible” nuclear) con neutrones. Al impactar adecuadamente un neutrón en un núcleo de uranio, éste se divide en dos núcleos
más pequeños, liberando neutrones y gran cantidad de energía (fig. 2).
fisión ???
Fisión significa rotura,
división.
Fig. 2. Representación de una fisión nuclear.
Si los neutrones liberados impactan contra otros núcleos de uranio-235 éstos también se fisionan produciendo más neutrones y más
energía. Así la reacción puede repetirse y multiplicarse.
Este fenómeno se conoce como reacción en cadena. Puede ser controlada mediante moderadores en un reactor nuclear (fig. 3) o incontrolada como sucede con las armas nucleares (fig. 4).
En los reactores nucleares se producen y controlan fisiones nucleares
que liberan energía, la que es transformada en energía eléctrica.
Algunos países emplean la fisión como fuente energética desde hace
medio siglo. Si bien las centrales nucleares cuentan con importantes
sistemas de seguridad, durante estas cinco décadas han ocurrido algunos incidentes y accidentes. Quizás uno de los más conocidos fue el de
Chernobyl en 1986.
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Fig. 4. Las armas nucleares provocan
desastres de tal magnitud que sus consecuencias perduran por varias generaciones.
Transformaciones nucleares y sus aplicaciones. • Capítulo 5
169
La siguiente ecuación representa un ejemplo de reacción de fisión
nuclear:
Isótopos del hidrógeno.
Protio (principal) 11 H
Deuterio (o H pesado) 21 H
Tritio (o H radiactivo) 31 H
1
235
n +
0
93
U
92
Kr +
36
140
1
Ba + 3 0 n
56
+ energía
Esta ecuación indica que cuando un neutrón bombardea un núcleo de
uranio- 235 lo fisiona formándose dos núcleos más pequeños (kriptón93, bario- 140) y 3 neutrones, liberándose además energía.
Deuterio
Tritio
Fusión Nuclear
Helio
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Los núcleos formados son radionucleidos muy contaminantes. Una
desventaja de este proceso radica justamente en los desechos radiactivos que se producen y que deben ser descartados cuidando que no contaminen el medio ambiente ya que su actividad puede perdurar durante
miles de años.
Neutrón
La fusión nuclear se produce cuando núcleos pequeños se unen a
elevadísima temperatura liberando gran cantidad de energía (fig. 5).
Fig. 5. Representación de una fusión
nuclear. En este ejemplo el deuterio y el
tritio se fusionan formando helio y un
neutrón además de liberar energía.
La siguiente ecuación representa un ejemplo de reacción de fusión
nuclear:
2
1
H +
3
1
H
4
2
He +
1
0
n + energía
La energía solar resulta de la fusión de núcleos de hidrógeno, obteniéndose He (fig. 6).
Se ha estudiado este proceso tratando de reproducir la fusión que
ocurre naturalmente en el Sol y demás estrellas para obtener energía
“limpia” ya que los núcleos obtenidos de He no son radiactivos.
Sin embargo, una desventaja que aún hoy lo vuelve inaplicable, es la
elevada temperatura que se necesita para lograr la unión de los núcleos.
Solo se ha alcanzado esta temperatura recurriendo previamente a una
fisión nuclear, por lo tanto esta dependencia no resulta conveniente.
El Tokomak, fue diseñado como reactor de fusión nuclear pero los
intentos han fracasado y la investigación continúa.
Fig. 6. Fusión en el Sol. Las estrellas
mueren cuando su “combustible” se agota. Una estrella alcanza su mayor tamaño cuando todo su hidrógeno central se
ha transformado en helio y para seguir
brillando la temperatura del centro debe
aumentar lo suficiente como para provocar la fusión de estos núcleos de helio.
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Capítulo 5 • Transformaciones nucleares y sus aplicaciones.
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Aplicaciones de la radiactividad
Las reacciones nucleares provocadas por el hombre (artificiales) han
sido utilizadas principalmente para:
• obtener energía, tanto con fines bélicos como para cubrir las necesidades energéticas en las diversas actividades humanas (fig. 7 y 8)
• producir radionucleidos con múltiples aplicaciones, como trazadores o como fuente de radiaciones en medicina, el agro, la industria y diferentes investigaciones.
Fig. 7. Submarino nuclear.
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Mencionaremos algunos ejemplos importantes del uso de radioisótopos pero las aplicaciones son muy variadas.
La irradiación con cobalto-60 se utiliza para conservar alimentos, esterilizar medicamentos y diferentes materiales (fig. 9 y 10).
El tratamiento de los efluentes cloacales con energía ionizante garantiza la eliminación total de agentes patógenos. Luego pueden ser utilizados como abono orgánico natural o como relleno sanitario.
Uno de los radioisótopos producidos en la fisión del uranio es el
molibdeno-99 que por decaimiento genera tecnecio-99. Este isótopo es
ampliamente usado en medicina nuclear porque permite la realización
de diagnósticos por imágenes y estudio de diferentes procesos metabólicos. Para estos estudios también se utilizan como trazadores el Tl-201,
el I-131 y el F-18.
Fig. 8. Torres de refrigeración en central
nuclear expulsando vapor de agua.
La incorporación de trazadores en los fertilizantes permite conocer
la cantidad óptima que debe usarse y el mejor lugar de aplicación para
que no sea barrido por la lluvia y la erosión. En general se logra utilizando al fósforo -32 como trazador.
Las fugas tanto de agua como de gas u otros fluidos pueden detectarse utilizando trazadores que se inyectan en las cañerías permitiendo el
seguimiento de los mismos con un detector de radiación.
La erradicación de plagas también se puede realizar con radiación
esterilizando al macho de la especie para que no pueda reproducirse.
Fig. 9. Pictograma que se utiliza para
indicar que un alimento ha sido tratado
mediante radiación.
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Fig. 10. Alimentos irradiados.
Transformaciones nucleares y sus aplicaciones. • Capítulo 5
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Actividades
Aplicaciones y problemas
1) Explica las diferencias entre las transformaciones físicas, químicas
y nucleares. Ejemplifica.
2) La radiactividad artificial tiene múltiples aplicaciones. Menciona
algunos ejemplos (fig.1).
3) ¿Cuáles son las ventajas de la fusión con respecto a la fisión nuclear?
Investiga y reflexiona
Fig. 1. Ejercicio 2. Misil nuclear.
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4) El carbono-14 se utiliza para la datación de fósiles. Investiga:
a) ¿cómo se produce naturalmente este isótopo?
b) ¿en qué consiste el método de datación?
Fig. 2. Ejercicio 5.
Fig. 3. Ejercicio 6. Albert Einstein. (14
de marzo de 1879, 18 de abril de 1955).
5) NOTICIA. Planta de irradiación de alimentos en nuestro país.
A partir del 2009 el LATU dispone de un equipo irradiador por rayos gamma (EMI-9), para la realización de las pruebas que demanda la industria, según los requerimientos de calidad del comercio.
Investiga
a) ¿Que significa la sigla LATU?
b) ¿Por qué se llama “pasteurización en frío” a este tratamiento de
los alimentos?
c) ¿Qué enfermedades se evitan con estas prácticas de esterilización?
d)¿Qué beneficios tiene la irradiación de pescado, cítricos y otros
alimentos perecederos?
e) ¿Cuál es la importancia económica para el país?
f) ¿Qué pictograma indica que un alimento ha sido irradiado?
6)
Investiga sobre Einstein (fig. 3)
a) Su biografía.
b) El significado de su ecuación E=mc2.
c) La relación con el armamento nuclear.
d)La teoría de la relatividad.
e) Otros trabajos y aportes científicos.
7) Busca información sobre experimentos realizados con bombas nucleares y sus consecuencias tanto para el medio ambiente como
para el hombre.
8) El Correo Español conmemoró el Año Mundial de la Física con la
emisión de un sello. Investiga
a) ¿Qué representa la simbología de este sello?
b) ¿Por qué se eligió el año 2005 para esta conmemoración?
Fig. 4. Ejercicio 8.
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Capítulo 5 • Transformaciones nucleares y sus aplicaciones.
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Ampliando el horizonte...
CUDIM: un gran avance científico
en nuestro país
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El Centro Uruguayo de Imagenología Molecular (CUDIM) tendrá como cometidos el desarrollo de la investigación, capacitación de profesionales y aplicaciones de
radioisótopos en ciencias de la salud, en especial para:
- diagnóstico- exámenes clínicos a pacientes con
cobertura de salud pública y privada fundamentalmente en las áreas de oncología y neurología.
- capacitación- a fin de promover el perfeccionamiento docente, profesional y técnico.
- investigación clínica y biomédica- evolución
del impacto del ciclotrón-PET en diversas patologías y en la evaluación de nuevas drogas en investigación y desarrollo.
Un ciclotrón es un acelerador de partículas que permitirá producir los radioisótopos necesarios para estos
estudios médicos, principalmente 18F, 11C y 15O
La tomografía por emisión de positrones, PET (Positron Emission Tomography), es una técnica no invasiva de diagnóstico e investigación por imagen capaz de
medir la actividad metabólica de los diferentes tejidos
del cuerpo humano, especialmente del sistema nervioso central. Permite también detectar problemas cardíacos, enfermedad de Alzheimer, diferentes tipos de cáncer y además realizar un seguimiento de la evolución y
respuesta a los tratamientos indicados en cada caso. El
trazador más utilizado en oncología es un análogo de
la glucosa marcado con flúor: FDG
información extraída y adaptada de www.cudim.org
Observa la secuencia de fotos e investiga
•
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¿En qué lugar de Montevideo se construyó el CUDIM?
¿Cuándo comenzaron las obras? ¿Cuándo se inauguró?
¿Qué investigaciones futuras se piensa realizar en este centro?
¿Qué compuesto quimico se representa con FDG?
Transformaciones nucleares y sus aplicaciones. • Capítulo 5
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