Atomo

Alejandro Negro - Profesor de Química 1

 ¿Tienen algo en común todas estas
fotografías?
 ¿Todas dan las mismas sensaciones?

Alejandro Negro - Profesor de Química
6
Es la fuente principal de energía de nuestro planeta.
¿Qué hace que el sol brille?

 Núcleo
› Protones (𝑝+)
› Neutrones (𝑛0
)
 Periferia
› Electrones (𝑒−)
En todo átomo, el número de protones es igual al
número de electrones. Los protones y electrones
tienen igual valor de carga pero con signo contrario,
por lo tanto decimos que los átomos son
ELECTRICAMENTE NEUTROS.

Cada núclido:

 Z nº de protones
 N nº de neutrones
 A=Z+N nº másico
› Isótopos: Z1=Z2
› Isótonos: N1=N2
› Isóbaros: A1=A2

 Reacciones Químicas
› Una sustancia se convierte en otra
pero los átomos nunca cambian su
identidad.
› Los electrones en los orbitales
participan en el rompimiento y
formación de enlaces: las partículas
no toman parte.
› Las reacciones se acompañan de
cambios de energía relativamente
pequeños y cambios de masa no
detectables.
› Las velocidades de reacción cambian
debido a la temperatura, la
concentración, la catálisis y el
compuesto con que se encuentra el
elemento.
 Reacciones Nucleares
› Los átomos de un elemento
típicamente se convierten en átomos
de otros elementos.
› Participan protones, neutrones, y
otras partículas; los electrones en
los orbitales raramente toman
parte.
› Las reacciones se acompañan por
cambios de energía relativamente
grande y cambios medibles en la
masa.
› Las velocidades de reacción se
afectan por el número de núcleos,
pero no por la temperatura, el
catalizador o el compuesto en que se
encuentra el elemento.

 Decaimiento alfa (𝛼): Implica la pérdida de
una partícula 𝛼 (4
2
He) del núcleo.
226
88
Ra→ 222
86
Rn + 4
2
He

 Decaimiento beta (𝛽): Implica la expulsión
de una partícula 𝛽 ( 0
−1
𝛽) del núcleo.
En realidad se da una conversión de un
neutrón en un protón, que permanece en el
núcleo, y una partícula 𝛽, que es expulsada
inmediatamente.
1
0
n→ 1
1
p + 0
−1
𝛽
14
6
C→ 14
7
N + 0
−1
𝛽

 Decaimiento de un positrón (0
1
𝛽): Es la
antipartícula del electrón. Ocurre cuando
un protón se convierte en neutrón y un
positrón, y el positrón se expulsa.
1
1
p → 1
0
n + 0
1
𝛽

 Captura de electrón: Ocurre cuando el núcleo
de un átomo atrae un electrón de un orbital
del nivel de menor energía. El efecto neto es
que el protón nuclear se transforma en un
neutrón:
1
1
p + 0
−1
e → 1
0
n
El orbital vacío se llenará rápidamente por un
electrón de un nivel superior de mayor energía,
y la diferencia de energía aparece como un
fotón de rayos X. Tiene el mismo efecto neto
que un decaimiento de positrón.
55
26
Fe + 0
−1
e → 55
25
Mn + hv (rayos x)

 Emisión gamma (𝛾): Implica la radiación de
fotones 𝛾 de alta energía desde un núcleo
excitado. Muchos procesos nucleares
dejan el núcleo en estado excitado,
entonces la emisión 𝛾 acompaña la mayoría
de los otros tipos de decaimiento.
238
92
U → 234
90
Th + 4
2
He + 0
0
𝛾

¿Podemos predecir como decaerá un núclido?
¿Podemos predecir si decaerá?

 Un factor clave que determina la
estabilidad de un núclido es N/Z.
 Si la relación N/Z es demasiado grande o
no es suficientemente grande el núclido es
inestable, y decae.

 Estables N/Z < 1 sólo 1
1
H; 3
2
He
 Estables N/Z ≈ 1 sólo 4
2
He; 12
6
C; 16
8
O; 20
10
Ne
 No estables con N/Z ≈ 1 para Z > 20 56
26
Fe;
107
47
Ag; 184
74
W
 Todos los núclidos con Z > 83 son
inestables.

Los protones tienen carga positiva y los
neutrones no tienen carga.
¿Qué mantiene junto al núcleo?
FUERZA INTENSA o NUCLEAR
Es 100 veces más intensa que la de repulsión
pero opera sólo a distancias cortas dentro
del núcleo.

La competencia entre la fuerza intensa de
atracción y la fuerza de repulsión
electrostática determina la estabilidad

Un núclido inestable generalmente decae de
modo de cambiar su relación N/Z hacia la
banda de estabilidad.
 Núclidos ricos en neutrones: 0
−1
𝛽
 Núclidos ricos en protones: 0
+1
𝛽 o captura
electrónica.
 Núclidos pesados: 𝛼

La primera conversión de un núcleo en otro fue
obtenida en 1919 por Hernest Rutherford.
Convirtió el nitrógeno -14 en oxígeno – 17 más un
protón, empleando partículas alfa.
En la radiactividad inducida intervienen cuatro
partículas: un núcleo objetivo, una partícula que
bombardea, un producto y una partícula expulsada.
14
7
N + 4
2
He → 1
1
H + 17
8
O

Es una reacción nuclear en la que un núcleo
pesado e inestable se fragmenta formando dos
nuevos núcleos menores. En este proceso tiene
lugar una liberación de energía.
Los reactivos de fisión (combustibles fisibles)
empleados más comúnmente son U-235 y
Pu-239 ya que cumplen las condiciones
necesarias y presentar una buena rentabilidad
energética.

La fisión nuclear del U-235 fue descubierta en
1938 por Hahn, Strassman y Meisner. Años más
tarde, Enrico Fermi logró hacer una fisión nuclear
en cadena de forma controlada, sentando las
bases de la producción energética mediante
fisión.
La fisión nuclear de un átomo de U-235 se
produce al bombardear dicho isótopo con un
neutrón, dando así la energía de activación
necesaria. En el proceso se producen Ba-141,
Kr-92 y tres neutrones. Cuando estos neutrones
bombardean más átomos de uranio, se dice que la
reacción es en cadena.

nKrBanU 1
0
92
36
141
56
1
0
235
92 3

Durante el proceso de fisión, los nuevos núcleos
colisionan con las moléculas que se encuentran a su
paso, transformando su energía cinética en calor; y
los neutrones liberados, impactan a otros átomos,
desprendiéndose así nuevos neutrones que
fisionaran otros núcleos, y así sucesivamente,
ocurre una reacción en cadena.
Masa crítica es una determinada y suficiente
cantidad de átomos fisionables capaces de sostener
una reacción en cadena.

Hay dos aplicaciones:
 Producir energía nuclear para una
posterior transformación en energía
eléctrica de uso doméstico.
 Armamento nuclear como por ejemplo las
bombas atómicas que estallaron sobre
Hiroshima y Nagasaki.

Consiste en aprovechar el calor generado en la
fisión para producir vapor de agua que gracias a
su energía cinética consiguen mover unas
turbinas obteniendo energía eléctrica.
Una central nuclear de fisión suele tener una
serie de elementos comunes: el reactor nuclear,
el moderador, el controlador, el blindaje y el
sistema de refrigeración.

 El reactor nuclear: Donde se produce la fisión.
 El moderador: Un agente que se encarga de
asegurar la reacción en cadena.
 El controlador: Se encarga de evitar un descontrol
en la reacción, se suele usar barras de cadmio para
este propósito.
 El blindaje: Revestimiento que contiene al reactor
que evita que la reacción afecte al exterior.
 El sistema de refrigeración: Se encarga de evitar el
calentamiento excesivo del reactor.

Para controlar la energía que se produce en las reacciones de
fisión en cadena se necesita de un sistema que controle las
fisiones. Se llama REACTOR NUCLEAR
Consiste en una vasija donde se deposita el combustible
nuclear en forma de pastilla entre una serie de varillas.
Los componentes de un reactor son:
1. Un material moderador ( grafito ) desacelerar los
neutrones
2. Barras de control ( cadmio ) controlar la velocidad de la
fisiones
3. Un sistema de transferencia de energía calórica que
transporta hacia un sistema de generador de vapor de
agua.
4. Un sistema de blindaje para evitar la fuga de radiaciones

1. Bloquedelreactor
2. Torrederefrigeración
3. Reactor
4. Barrasdecontrol
5. Soportedepresión
6. Generadordevapor
7. Fuel
8. Turbina
9. Generador
10. Transformador
11. Condensador
12. Partículasdegas
13. Líquido
14. Aire
15. Aire(húmedo)
16. Río
17. Circuitoderefrigeración
18. Circuitoprimario
19. Circuitosecundario
20. Bombadevapordeagua

Hoy en día hay varios tipos de reactores:
 LWR, reactores de agua ligera, los hay de tipo
PWR o de tipo BWR. Son los más comunes.
 CANDU, reactores de agua pesada (el
Hidrógeno del agua es Deuterio).
 FBR, no necesita moderador.
 HTGR
 RBMK, produce Plutonio y electricidad. El
reactor de Chernóbil era de este tipo.
 ADS, en fase de experimentación, no produce
residuos nucleares.

 Alto rendimiento energético. La fisión de
1Kg de U-235 genera tanta electricidad
como 2 Toneladas de petróleo.
 Mayor abastecimiento como consecuencia
de su alto rendimiento.
 Escasa contaminación atmosférica, ya que
sólo emite vapor de agua.

 Produce residuos radiactivos de muy lenta
desintegración.
 Las centrales requieren un amplio
programa de seguridad.
 Se debe invertir para obtener
combustible.
 Supone una polémica social.
 Un accidente tiene consecuencias
devastadoras (ej: Chernóbil)

“Little boy” - 235U
(Hiroshima)
“Fat man” - 239Pu
(Nagasaki)
Dos bombas atómicas ...

... dos ciudades destruidas

Una reacción de fusión es aquella en la que dos
núcleos ligeros se unen para formar uno mayor.
Al igual que la fisión produce una enorme
cantidad de energía. Esta reacción es la que se
lleva a cabo en las estrellas.
Tras obtener éxitos con la fisión ,las
superpotencias de la Guerra Fría (USA y URSS)
decidieron investigar este proceso sobre todo
por motivos militares.

• La fusión de los átomos
de Hidrógeno libera
cuatro veces más energía
por gramo que lo emitido
en una reacción de fisión
nuclear. Pero el proceso
requiere de temperaturas
elevadísimas, del orden
de 10 x 6 a 10 x 7 Kelvin,
para vencer las fuerzas
de repulsión entre los
núcleos y lograr que se
fusionen

La reacción de fusión más estudiada es la del
deuterio con el tritio (ambos isótopos del H) ,
que forma He y un neutrón. Aunque el H se
encuentre mayoritariamente formando
compuestos y en su isótopo protio estos dos
reactivos de fusión se obtienen de la separación
de las moléculas de agua marina (en el caso del
deuterio) y a partir del Li (en el caso del tritio).
Pero el gran problema que presenta esta reacción
es su alta energía de activación, requiriendo el
proceso el proceso una temperatura de millones
de grados kelvin (lo cual haría que la materia
alcanzara el estado de plasma).

nHeHH 1
0
4
2
3
1
2
1 

De momento la fusión nuclear sólo ha vivido su
desarrollo en el ámbito militar con las llamadas
Bombas H, más potentes que las de fisión.
Todavía no se ha conseguido comercializar
energía eléctrica producida por fusión ya que, a
pesar de su alto rendimiento, el gasto para
producir la energía de activación es excesivo,
anulando su rentabilidad actualmente. En las
bombas eso no es problema porque se usa una
pequeña bomba de fisión para alcanzar la
temperatura requerida.

Los reactores nucleares de fusión que se están
estudiando deben seguir los llamados Criterios de
Lawson (el tiempo de la reacción depende de la
densidad). Uno de los retos para lograr un reactor que
dé buenos resultados es lograr que el plasma no entre
en contacto con las instalaciones del reactor. Tipos de
reactores son:
 Confinamiento magnético: El reactor tiene forma
toroidal y se reviste de paneles magnéticos, logrando
mantener aislado el plasma.
 Confinamiento inercial: El plasma se calienta con
potentes láseres.

Ventajas:
 Proporciona más energía que la fisión nuclear (1 Kg. de
Hidrógeno = 70.000.000 Kw/h)
 No emite gases de efecto invernadero o que
provoquen lluvia ácida pero además tampoco deja
residuos radiactivos.
 Es una fuente de energía prácticamente inagotable.
Desventajas:
 Actualmente no es rentable y no podemos servirnos
de su potencial como generador de energía eléctrica.

Fisión Fusión
Diferencias
- En los procesos actuales,
produce residuos radiactivos.
- Más energía por átomo
fisionado pero menos por
masa.
- Baja energía de activación.
- Se ha unido a la industria
energética.
- No produce residuos
radiactivos.
- Menos energía por par de
átomos fusionados pero más por
su masa.
- Alta energía de activación.
- Aún no se produce energía de
forma rentable.
Similitudes
- Son reacciones nucleares.
- Producen mucha más energía que los combustibles fósiles.
- No emiten gases Dióxido de Carbono.
- Investigadas a partir del siglo XX.
- Se han investigado con fines militares.

Atomo

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Atomo

Similar a Atomo (20)

Último

Último (20)

Atomo