Resumenes de quimica inorganica descriptiva 06 - elementos radiactivos

Introducción a la
Química Inorgánica Descriptiva
6: Elementos radiactivos

Nucleido: especie atómica caracterizada
por la constitución de su núcleo
Nucleidos
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• 339 naturales
• > 3000 producidos en reacciones nucleares
Nucleidos
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• 339 naturales
Isótopos: conjunto de nucleidos de igual
nº de protones
Nucleidos
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• 339 naturales
nº de protones
Nucleidos
E
Z
A
(A = Z + N)
E–A
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Estas son dos formas de
representar a los nucleidos. A es el
número de masa, igual a la suma
de protones (Z) y neutrones (N)

• 339 naturales
nº de protones
Nucleidos
C
6
11
C–11
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Por ejemplo, el carbono-
11 se puede simbolizar
de estos dos modos

Especialmente estables:
• “Número mágico” de protones o de neutrones (2, 8, 20, 50, 82, 126)
Estabilidad de nucleidos
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La estabilidad de los nucleidos está
relacionada con el número de
protones y neutrones que posean

• Número par de protones y/o de neutrones:
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par-par > par-impar  impar-par > impar-impar
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Morgan Phoenix / wikimedia.org
Escala de radioactividad de los elementos
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Escala de radioactividad de los elementos (los azules
no lo son; los violeta son los más radiactivos)

Radioactividad natural
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• Elementos radioactivos en la naturaleza
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• Rayos gamma procedentes de rayos cósmicos
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380 μSv/año
p, α
1 TeV
µ, γ, n

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H. Becquerel
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La radioactividad la
descubrió Becquerel
estudiando la posible
luminiscencia de sales
de uranio (la imagen es
una película fotográfica
que recogió
radiaciones)

H. Becquerel P. Curie y M. Skłodowska
Nobel de Física 1903
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Posteriormente desarrollaron los estudios
Marie y Pierre Curie. Los tres
compartieron el Nobel de Física de 1903

Radioactividad artificial
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Nobel de Química 1935
Irène y Frédéric Joliot-Curie
La hija de estos
y su esposo
descubrieron
más tarde la
radiactividad
artificial (es
decir, provocada
por distintos
procedimientos)

PROPIEDADES
Radio
• Propiedades química semejantes al bario, pero muy radiactivo
Maria S. Skłodowska
Pierre Curie
Irène Joliot-Curie
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Marie Curie y su hija
visitaron España en 1919.
Pierre Curie había
muerto en 1906

Ève Curie
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La otra hija de Marie
Curie, Ève, se dedicó al
periodismo, las artes y
el humanitarismo. Decía
que era la única de la
familia que no tenía
premio Nobel

Ève Curie
M. y P. Curie
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…ya que su padre tenía
uno; su madre dos…

Ève Curie Irène J.- Curie
M. y P. Curie
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…otro su
hermana…

M. y P. Curie
Frédéric J.- Curie
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…otro su
cuñado…

M. y P. Curie
Henry R. Labouisse Frédéric J.- Curie
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…y otro su
marido

• Transmutación o alteraciones de los núcleos
• Participan diversas partículas subatómicas
• Entran en juego enormes cantidades de energía
• La v de reacción no se afecta (en general) por T, p, catalizadores…
Reacciones nucleares
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Principios de conservación de las reacciones nucleares
R1 R2
Z Z
A A
+ 
+ … P1 P2
Z Z
A A
+ + …
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Dada esta reacción
general…

A(reactivos) = A(productos)
Z(reactivos) = Z(productos)
R1 R2
Z Z
A A
+ 
+ … P1 P2
Z Z
A A
+ + …
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…debe cumplirse
esto

4
2 0
-1 0
1 0
0 1
1p 1
0n
A(reactivos) = A(productos)
Z(reactivos) = Z(productos)
R1 R2
Z Z
A A
+ 
+ … P1 P2
Z Z
A A
+ + …
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Para completar adecuadamente muchas reacciones nucleares hay que saber
escribir adecuadamente, con sus valores de A y Z correctos, estas especies

Tipos de reacciones nucleares
EMISIÓN (DESINTEGRACIÓN)
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EMISIÓN
• Partículas 
• Partículas –
• Partículas +
• Rayos 
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


EMISIÓN
• Partículas 
• Rayos 
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


EMISIÓN
• Partículas 
• Rayos 
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Las partículas se
deflectan en un
campo eléctrico o
magnético según
su carga

EMISIÓN
• Partículas 
• Rayos 
CAPTURA
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EMISIÓN
• Partículas 
• Rayos 
CAPTURA
BOMBARDEO
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EMISIÓN
• Partículas 
• Rayos 
CAPTURA
BOMBARDEO
FISIÓN
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EMISIÓN
• Partículas 
• Rayos 
CAPTURA
BOMBARDEO
FISIÓN
FUSIÓN
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Emisión de partículas 
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• Partícula : núcleo de helio (He2+, 4
2, 4
2 He)
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2, 4
2 He)
• Su energía inicial es muy alta (entre 5 y 9 MeV) pero la pierden
rápidamente porque la invierten en ionizar el medio
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2, 4
2 He)
• Penetran cms en el aire y mms en materiales más densos
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2, 4
2 He)
• Penetran cms en el aire y mms en materiales más densos
241
95Am  237
93Np + 4
2
α
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Emisión de partículas –
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• Partícula – (negatón, 0
-1 ): electrón muy energético (10-2 y 1 MeV)
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• Núcleos con exceso de neutrones pueden convertir neutrones en
protones: 1
0n  1
1p + 0
-1 (+ νe)
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protones: 1
0n  1
1p + 0
-1 (+ νe)
• Mucho más penetrantes que las partículas 
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protones: 1
0n  1
1p + 0
-1 (+ νe)
• C-14 es un emisor de partículas –
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protones: 1
0n  1
1p + 0
-1 (+ νe)
• C-14 es un emisor de partículas –
3
1H  3
2He + 0
-1
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Emisión de positrones +
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• Son “electrones positivos”
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• Núcleos con exceso de protones pueden convertir protones en
neutrones : 1
1p  1
0n + 0
1 (+ νe)
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neutrones : 1
1p  1
0n + 0
1 (+ νe)
• El 22Na y el 65Zn son emisores de positrones
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neutrones : 1
1p  1
0n + 0
1 (+ νe)
• El 22Na y el 65Zn son emisores de positrones
11
6C  11
5B + 0
1
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Captura electrónica
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• Núcleos con exceso de protones pueden capturar un electrón propio
(K): 1
1p + 0
-1  1
0n (+ νe)
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(K): 1
1p + 0
-1  1
0n (+ νe)
Luis Álvarez
48V (1937)
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La primera captura
electrónica la observó el
físico norteamericano Luis
Álvarez, de origen español

(K): 1
1p + 0
-1  1
0n (+ νe)
7
4Be + 0
-1  7
3Li
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Radiación 
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Radiación 
• Rayos : mucho más penetrantes que las partículas -
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Radiación 
• Los núcleos que se descomponen produciendo rayos  suelen emitir
también partículas – y 
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Radiación 
• Ej.: 198Au  198Hg* (+ -)  198Hg + 0
0
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Radiación 
• Ej.: 198Au  198Hg* (+ -)  198Hg + 0
0
3
2He*  3
2He + 0
0
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Capacidad de penetración
@operador nuclear
Las partículas α
puede detenerlas
una hoja de papel;
las β, una plancha
metálica de poco
espesor, pero los
rayos γ solo se
frenan con capas
gruesas de
hormigón y/o
plomo

Grado
penetración
Velocidad Ejemplo
 Bajo 10 % c 226
88Ra  222
86Rn + 
– Moderado < 90 % c 3
1H  3
2He + –
 Alto c 60
27Co*  60
27Co + 
+ Moderado < 90 % c 22
11Na  22
10Ne + +
p Moderado/alto 10 % c 53
27Co  52
26Fe + p
n Muy alto < 10 % c 137
53Ra  136
53Rn + n
Capacidad de penetración
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Estabilidad
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Cada “pixel” es uno de
los más de 3000
nucleidos conocidos
De estas formas se desintegran los
nucleidos radiactivos (los señalados
en negro no se desintegran)
Cada línea
contiene
todos los
isótopos de
un elemento;
por ejemplo,
estos son los
del estaño
(Pb, Z = 82)

Emisores gamma
Bario-133
Cadmio-109
Cobalto-57
Cobalto-60
Europio-152
Manganeso-54
Sodio-22
Zinc-65
Tecnecio-99m
Emisores beta
Estroncio-90
Talio-204
Carbono-14
Tritio
Emisores alfa
Polonio-210
Uranio-238
Emisores de múltiples radiaciones
Cesio-137
Americio-241
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238U
Se conocen
muchos procesos
completos de
desintegración.
Este es el del
uranio-238, que
acaba en plomo-
206 (estable)
(Se indican también
los periodos de
semidesintegración;
uranio (y = años; d =
días))

Bombardeo
Seguimos con los tipos
de reacciones nucleares

Bombardeo
• Se hace impactar una partícula subatómica contra un núcleo
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Bombardeo
• Suele producirse una transmutación nuclear
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Bombardeo
Th  Ra (1901)
Ernest Rutherford
Frederick Soddy
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Soddy y Rutherford
observaron la
transmutación
espontánea de Th en Ra

Bombardeo
Th  Ra (1901)
F. Soddy: Rutherford, this is
transmutation !
E. Rutherford: For Christ's sake,
Soddy, don't call it transmutation.
They'll have our heads off as
alchemists.
Ernest Rutherford
Frederick Soddy
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El Alquimista (David Teniers)
Bombardeo
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Así se vio realizado el sueño del alquimista…

Bombardeo
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Primera transmutación
artificial por bombardeo

Bombardeo
14N(α,p)17O
(1919)
Patrick Blackett
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La obtuvo Blackett

Fisión
• Isótopos artificiales transuránidos tienden a desintegrarse
rompiéndose en fragmentos
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Fisión
Núcleo
inestable
235
92U  141
56Ba + 92
36Kr
(1938)
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Estos
neutrones
pueden
generar una
reacción en
cadena

MASA CRÍTICA
Cantidad mínima
de material
fisionable
necesaria para
que se mantenga
una reacción
nuclear en cadena
Al producirse
nuevos
neutrones, se
puede provocar
una reacción en
cadena
Varias formas de
fisionarse el 235
92U
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Fisión
Fritz Strassmann / Otto Hahn
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La fisión la descubrieron
oficialmente estos científicos

Fisión
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Pero el mérito también debe
atribuirse a Lise Meitner, que
había trabajado con Otto
Hahn 30 años

Fisión
Otto Frisch
Lise Meitner
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Meitner y su sobrino Otto Frisch dieron una
interpretación a los resultados de Hahn

Fisión
Ida Eva Tacke-Noddack
Lise Meitner
Re (1925)
Tc? (1925)
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Ida Noddack
(descubridora del renio
junto a su marido, Walter
Noddack) ya había
sugerido que algunos
experimentos (como los
del grupo de Fermi)
habían producido fisiones
nucleares, pero no le
prestaron atención

Fisión
Lise Meitner
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A Meitner se la
recompensó con el
nombre de un elemento
químico descubierto en
1982 por por Peter
Armbruster y Gottfried
Münzenberg

Fisión
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Strassmann,
Meitner y Hahn
años más tarde del
descubrimiento de
la fisión

Fisión
• Fundamento de la bomba atómica y de los reactores nucleares
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Fusión
Deuterio Helio
Neutrón
Tritio
Energía
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En el sol ocurre esta reacción
que se llama de fusión

Fusión
• Fuente de energía más “limpia”
Deuterio Helio
Neutrón
Tritio
Energía
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Fusión
• Fundamento de la bomba de H y de los reactores de fusión
Deuterio Helio
Neutrón
Tritio
Energía
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Fusión
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Fusión
campo magnético
poloidal
campo magnético
toroidal
cámara de vacío
Se está intentando
reproducir la fusión
nuclear que sucede
en las estrellas (o
reacciones análogas,
como la de deuterio y
tritio para dar helio),
pero por el momento
solo se ha conseguido
a escala experimental,
no industrial, en
dispositivos
denominados
tokamaks. El plasma
necesita unos 100
millones de grados o
más
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Fusión
Tokamak

Fusión
ITER
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Proyecto internacional de
tokamak ITER (Francia)

Fusión
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Otros dispositivos son los
stellarators

Fusión
TJ II (CIEMAT)
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Un stellarator español
(CIEMAT)

Fusión
• Fusión fría: fractofusión y fusión inducida por muones
Modernamente hay
técnicas que
consiguen a pequeña
escala la fusión a
baja temperatura
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Energía de enlace nuclear
Energía necesaria para romper un núcleo en sus nucleones
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o
Energía que se desprende cuando se forma un núcleo a partir de sus nucleones
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o
Energía que se desprende cuando se forma un núcleo a partir de sus nucleones
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Al unirse los nucleones parte de su masa
se transforma en energía: E = c2m

Número de masa, A
Energía
de
unión
por
nucleón
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El hierro es el elemento con más
energía de enlace nuclear por
nucleón. Por eso es tan estable y tan
abundante en el Universo

Cinética de la desintegración nuclear

• Unidades de desintegración
• 1 Bq (becquerel)= 1 desintegración/segundo
• 1 Ci (curie) = 3,7  1010 desintegraciones/segundo
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• La velocidad de desintegración es proporcional al número de
núcleos que quedan sin desintegrar (v = N)
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• Se sigue una cinética de primer orden, lo que significa que se debe cumplir:
ln[Nt] = ln[N0] – t
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Nt = N0e–t
•  es una constante característica de cada nucleido
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Nt = N0e–t
• Periodo de semidesintegración (semivida):
t½ = 0,693 / 
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Tiempo que tarda en
desintegrarse la mitad de una
masa m de especie radiactiva

Nt = N0e–t
• Periodo de semidesintegración (semivida):
t½ = 0,693 / 
• Vida promedio:  = 1 / 
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Tiempo medio que tarda un
núcleo en desintegrarse

Desintegración de Co-60
Número de semividas
(1 vida media = 5,27 años)
Co-60
sin
desintegrar
(%)
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Tritio 12,32 a Trazador bioquímico
Carbono-11 20,33 min Imagen biomédica (TEP)
Carbono-14 5,70 · 103 a Datación
Sodio-24 14,951 h Trazador del sistema cardiovascular
Fósfor-32 14,26 d Trazador bioquímico
Potasio-40 1,248 · 109 a Datación geológica
Hierro-59 44,495 d Trazador de glóbulos rojos
Cobalto-60 5,2712 a Radioterapia del cáncer
Tecnecio-99m 6,006 h Imagen biomédica
Yodo-131 8,0207 d Trazador de estudios de la tiroides
Radio-226 1,600 · 103 a Radioterapia del cáncer
Uranio-238 4,468 · 109 a Datación geológica
Americio-241 432,2 a Detector de humos
Periodos de semidesintegración
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Aplicaciones de la radiactividad

MEDICINA
INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
INDUSTRIA
Diagnosis
Tratamientos antitumorales
Trazadores
Datación arqueológica
Esterilización
Eliminación de contaminantes
Conservación de alimentos
OTROS Control de plagas
Medida de espesores
Análisis químico
Niveles en fluidos
Obtención de energía en plantas nucleares
Imagen
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Centrales nucleares

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El combustible nuclear vaporiza
agua que mueve una turbina;
un alternador convierte la
energía en eléctrica

AN-602
Réplica de la bomba nuclear
más grande detonada

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Radioesterilización
de material médico

Tratamiento de cáncer con radio (principios s. XX)
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Tempranas aplicaciones
de la radioterapia
(tratamiento con radio)

60
27Co  60
28Ni + 0
-1 + 2 0
0γ + νe
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Radioterapia

Trazadores
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Estudios
bioquímicos
con trazadores
(Tc-99, I-123…)

Normal Defecto
cognitivo leve
Alzheimer
Tomografía por emisión de positrones
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Imagen
médica

Reactor reproductor (de onda viajera). TerraPower
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Se sigue
investigando en la
obtención más
segura de energía
nuclear

Am-241 ()
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Los detectores de
humo se basan en la
radiactividad

Am-241 ()
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El aire dentro del detector
se ioniza, produciéndose
corriente. El humo la
disminuye

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Se usa radiactividad en la
conservación de alimentos

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Am-241
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Otra aplicación es en
el control de
espesores en la
fabricación de papel,
plástico u hojas de
aluminio

Am-241
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También para
ver el estado
de soldaduras

Am-241
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Se pueden detectar fugas en tuberías con fugas.
Para ello, se inyecta una pequeña cantidad de
sustancia radiactiva en la tubería y se buscan
las fugas con un detector

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Se usa también
la radiactividad
para el control
de plagas

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Datación
arqueológica (C-
14) o geológica
(K-40/Ar-40…)

14
7N + 1
0n  14
6C + 1
1p
Captura neutrónica
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El nitrógeno se
convierte en C-
14 en la
atmósfera

14
7N + 1
0n  14
6C + 1
1p
14
6C  14
7N + 0
-1
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Y el C-14 de desintegra, con lo que
en conjunto su concentración está
en equilibrio y siempre es muy
aproximadamente constante en los
seres vivos

14
7N + 1
0n  14
6C + 1
1p
14
6C  14
7N + 0
-1
• Relación 14C/12C en seres vivos: 1,3 × 10−12
• Velocidad de desintegración: 15 dpm/gC
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La proporción de C-14 en un ser vivo es
muy pequeña y siempre se repone al
respirar y comer. Por eso, la velocidad de
desintegración es contante

14
7N + 1
0n  14
6C + 1
1p
14
6C  14
7N + 0
-1
• Velocidad de desintegración tras la muerte:
< 15 dpm/gC
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Pero cuando el organismo muere, ya no repone; el
14C que tiene es cada vez menos y por tanto la
velocidad de desintegración disminuye

14
7N + 1
0n  14
6C + 1
1p
14
6C  14
7N + 0
-1
• Velocidad de desintegración tras la muerte:
< 15 dpm/gC
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Midiendo la velocidad de desintegración del 14C de un
organismo muerto, por las leyes de la cinética radiactiva
se puede saber cuánto tiempo hace que dejó de
reponer 14C (es decir, cuánto hace que murió)

Riesgos de la radiactividad
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Los peligros de la
radiactividad quedaron
patentes desde el
principio. El radio ioniza al
aire y provoca
luminiscencia (azul) en el
nitrógeno. Esta propiedad
contribuyó a darle una
aureola de sustancia con
“superpoderes” y se usó
radio de forma temeraria
e imprudente

“supervitalidad, nueva energía y renovada juventud”
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Inicialmente el radio
era una panacea

Ra + ZnS:Cu
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Durante un tiempo
se usó en relojes

Ra + ZnS:Cu
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El color verde de esta
radiación ha pasado
a la cultura popular

3
1H
Ra + ZnS:Cu
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Actualmente se usan
pequeños tubos de
tritio en los relojes
luminiscentes

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En 1917, en una
fábrica de pintura
de relojes
empezaron a
enfermar y morir
sus trabajadoras,
que chupaban los
pinceles para
afinarlos

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Esta tragedia se
conoce como la de
las “chicas del radio”

El accidente de la central de Chernóbil (1986)
demostró los riesgos de estas instalaciones

La central de Chernóbil desde Prípiat,
ciudad desalojada (50000 habitantes)

Otro gravísimo
accidente nuclear
fue el de
Fukushima (2011)

Cuando el combustible nuclear se gasta
se almacena en piscinas (el color azul se
debe a la radiación de Cherenkov)

Uno de los grandes problemas de la
radiactividad es la gestión de los residuos (los
hospitales producen grandes cantidades)

Detección de radiactividad
• Cámaras (de niebla, de burbujas…)
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Para detectar las partículas y rayos se utilizan
los correspondientes detectores. Algunos
solo permiten observar su presencia…

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Una cámara de burbujas
contiene hidrógeno
líquido. Una partícula
puede vaporizar las
moléculas que encuentra
en su recorrido dejando
un rastro de burbujas

Detectores de observación

• De centelleos
• Semiconductores
• De ionización (Geiger-Müller)
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Pero otros detectores
permiten contar esas
partículas o rayos (en
“cuentas por
segundo”,
“desintegraciones por
minuto”, etc.), como
este clásico contador
de Geiger-Müller

• De centelleos
• Semiconductores
• De ionización (Geiger-Müller)
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La radiación ioniza el gas
contenido en el
contador y produce
corriente eléctrica

Espectrometría
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La espectrometría es una técnica analítica que sirve para
medir la cantidad de un analito que hay una muestra
gracias a su capacidad de interaccionar con la radiación
electromagnética absorbiendo o emitiendo fotones o, en
el caso de la radiactividad, también emitiendo partículas.
La cantidad de estos fotones o partículas es proporcional
a la concentración de la especie; la energía de los fotones
o partículas sirve para identificar la especie

Energía de las partículas –
Espectrometría
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Por ejemplo, este espectro recoge el número de partículas – emitidas por un
analito en función de la energía de las partículas. El valor máximo permite
identificar al analito (en este caso es 32P)

Energía de las partículas α
Intensidad Espectrometría
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Este otro espectro es de partículas α. Se detectan varios tipos de partículas con sus
energías correspondiente. Cada tipo da un pico que corresponde a un isótopo radiactivo

Cuentas
Energía de los rayos γ
Espectrometría
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Lo mismo puede
hacerse midiendo
emisiones de rayos γ

Resúmenes de Química Inorgánica Descriptiva
01 – Hidrógeno, metales alcalinos y alcalinotérreos
02 – Familias del boro y el carbono
03 – Familias del nitrógeno y el oxígeno
04 – Halógenos y gases nobles
05 – Metales de transición y compuestos de coordinación
06 – Elementos radiactivos

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