11.1: Reacciones nucleares

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Objetivos de aprendizaje

Describir la estructura nuclear en términos de protones, neutrones y electrones
Identificar una reacción nuclear
Identificar las características clave que separan las reacciones nucleares y químicas

La química nuclear es el estudio de reacciones que implican cambios en la estructura nuclear. El capítulo sobre átomos, moléculas e iones introdujo la idea básica de la estructura nuclear, que el núcleo de un átomo está compuesto por protones y, con la excepción de\(\ce{^1_1H}\), neutrones. Recordemos que el número de protones en el núcleo se llama el número atómico (\(Z\)) del elemento, y la suma del número de protones y el número de neutrones es el número de masa (\(A\)). Los átomos con el mismo número atómico pero diferentes números másicos son isótopos del mismo elemento. Cuando nos referimos a un solo tipo de núcleo, a menudo usamos el término nucleido y lo identificamos por la notación:

\[\ce{^{A}_{Z}X} \label{Eq1}\]

donde

\(X\)es el símbolo del elemento,
\(A\)es el número de masa, y
\(Z\)es el número atómico.

A menudo, un nucleido es referenciado por el nombre del elemento seguido de un guión y el número de masa. Por ejemplo,\(\ce{^{14}_6C}\) se llama “carbono-14". El elemento en este ejemplo, representado por el símbolo C, es carbono. Su número atómico, 6, es el subíndice inferior izquierdo del símbolo y es el número de protones en el átomo. El número de masa, el superíndice a la parte superior izquierda del símbolo, es la suma del número de protones y neutrones en el núcleo de este isótopo en particular. En este caso, el número de masa es 14, lo que significa que el número de neutrones en el átomo es 14 − 6 = 8 (es decir, el número de masa del átomo menos el número de protones en el núcleo es igual al número de neutrones). Ocasionalmente, el número atómico se omite en esta notación porque el símbolo del elemento mismo transmite su número atómico característico. Los dos isótopos de hidrógeno, ² H y ³ H, reciben sus propios nombres: deuterio (D) y tritio (T), respectivamente. Otra forma de expresar un isótopo en particular es enumerar el número de masa después del nombre del elemento, como carbono-12 o hidrógeno-3.

Las reacciones nucleares son muy diferentes de las reacciones químicas. En las reacciones químicas, los átomos se vuelven más estables al participar en una transferencia de electrones o al compartir electrones con otros átomos. En las reacciones nucleares, es el núcleo del átomo el que gana estabilidad al sufrir algún cambio de algún tipo. Las energías que se liberan en las reacciones nucleares son muchos órdenes de magnitud mayores que las energías involucradas en las reacciones químicas. A diferencia de las reacciones químicas, las reacciones nucleares no se ven notablemente afectadas por los cambios en las condiciones ambientales, como la temperatura o la presión.

Como discutirán las siguientes Secciones, existen tres formas principales de emisiones radiactivas. La primera se llama partícula alfa, que se simboliza con la letra griega α. Una partícula alfa está compuesta por dos protones y dos neutrones, por lo que es lo mismo que un núcleo de helio. (A menudo usamos\(\ce{^{4}_{2}He}\) para representar una partícula alfa). Tiene una carga 2+. Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, el número atómico del átomo original disminuye en dos (debido a la pérdida de dos protones), y su número de masa disminuye en cuatro (debido a la pérdida de cuatro partículas nucleares). Podemos representar la emisión de una partícula alfa con una ecuación nuclear, por ejemplo, la emisión de partículas alfa de uranio-235 es la siguiente:

\[\ce{^{235}_{92}U \rightarrow \,_2^4He + \, _{90}^{231}Th} \label{Eq2}\]

Los químicos a menudo usan los nombres isótopo padre e isótopo hijo para representar el átomo original y el producto que no sea la partícula alfa. En el ejemplo anterior,\(\ce{^{235}_{92}U}\) es el isótopo padre, y\(\ce{^{231}_{90}Th}\) es el isótopo hijo. Cuando un elemento se transforma en otro de esta manera, sufre desintegración radiactiva.

Principales diferencias entre reacciones nucleares y químicas

Las reacciones nucleares implican un cambio en el núcleo de un átomo, generalmente produciendo un elemento diferente. Las reacciones químicas, por otro lado, implican sólo un reordenamiento de electrones y no implican cambios en los núcleos.
Los diferentes isótopos de un elemento normalmente se comportan de manera similar en reacciones químicas. La química nuclear de diferentes isótopos varía mucho entre sí.
Las tasas de reacciones químicas están influenciadas por la temperatura y los catalizadores. Las tasas de reacciones nucleares no se ven afectadas por tales factores.
Las reacciones nucleares son independientes de la forma química del elemento.
Los cambios energéticos que acompañan a las reacciones nucleares son mucho mayores. Esta energía proviene de la destrucción de la masa.
En una reacción nuclear, la masa no se conserva estrictamente. Parte de la masa se convierte en energía.

Colaboradores y Atribuciones

CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.