UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS BASICAS, HUMANIDADES Y CURSOS COMPLEMENTARIOSQUIMICA GENERAL ( MB 312 ) Ing. Ruth Maldonado A.

ESTRUCTURA ATMICA Y REACCIONES NUCLEARES

IMPORTANCIA DE LA QUMICA La qumica es una ciencia central, porque sirve de apoyo a otras ciencias como la fsica, la biologa, la geologa, la petroqumica, etc. Adems permite satisfacer las necesidades humanas en diferentes reas o campos de la actividad humana.

Tenemos: 1) En medicina: La qumica ayuda con la sntesis de diferentes frmacos (antibiticos, analgsicos, antidepresivos, vacunas, vitaminas, hormonas, radioistopos, etc), para el tratamiento de muchas enfermedades y para el mejoramiento de la salud en general. Cualquier aspecto de nuestro bienestar material depende de la Qumica.

2) En nutricin: La qumica permite sintetizar sustancias llamadas saborizantes y colorantes para mejorar ciertas propiedades de los alimentos, y de ese modo puedan ingerirse con facilidad; los preservantes para que los alimentos no se deterioren en corto tiempo; tambin la qumica determina las sustancias vitales que requiere el organismo (minerales, vitaminas, protenas, etc).

3) En agricultura: Gracias a los productos qumicos como abonos y fertilizantes se aumenta la productividad del suelo, y se logra satisfacer las necesidades de alimentacin cada vez mas crecientes. Adems con el uso de insecticidas, fungicidas y pesticidas, se controla muchas enfermedades y plagas que afectan al cultivo.

4) En textilera y cuidado de la ropa: La qumica ayuda potencialmente a satisfacer esta necesidad, sintetizando muchas fibras textiles (rayn, orln, nylon), colorantes para el teido, sustancias para el lavado (jabones, detergentes, etc.), preservantes de fibras naturales y sintticas, etc.

5) En medio ambiente: Ayuda en el tratamiento y control de sustancias contaminantes que afectan a nuestro ecosistema (agua, suelo y aire), y en la asistencia de desastres ecolgicos tales como derrames de petrleo, cada de lluvia cida, incendios forestales, etc.

6) En arqueologa: Determinar antigedad de restos fsiles. 7) En mineraloga: Tcnicas de extraccin y purificacin de metales. 8) En astronoma: Combustibles qumicos para los cohetes, ropa y alimentos concentrados para los astronautas.

LA QUMICA EN LA INGENIERA Por lo general, no son los qumicos los encargados de aprovechar las propiedades de los materiales; de esto se encargan principalmente los ingenieros, ya que, , con su ingenio, son capaces de aprovechar al mximo las caractersticas y las propiedades de un material particular.

Todo ingeniero, debe tener una educacin integral en el conocimiento de los principios bsicos de las ciencias exactas, entre las que se encuentra la Qumica, a fin de que pueda comprender, lo mejor posible, los cambios que ocurren no slo en la naturaleza, sino tambin en los procesos industriales y en los eventos de la vida diaria; adems, esos conocimientos le proporcionan las herramientas necesarias para que, dado el caso, pueda optimizar procesos, explicar fenmenos y crear o mejorar dispositivos que redunden en beneficios a la sociedad.

ESTRUCTURA ATMICATEORA ATMICAEVOLUCINPrimeras ideas 600 a.c. Filsofos griegos.Se desarrollaron muchas teoras:- TEORA ATOMISTA: Leucipo y Demcrito. Materia tomo.- TEORA ARISTOTLICA: Aristteles. Materia - agua, tierra, aire y fuego.- TEORA ATMICA DE DALTON (1803 1807) Marca el principio de la era moderna de la QUMICA.

Postulados:1. Cada elemento est formado por partculas extremadamente pequeas llamadas tomos.2. Todos los tomos de un elemento dado son idnticos entre s, en masa y otras propiedades, pero los tomos de un elemento son diferentes a los tomos de otros elementos.3. Los tomos de un elemento no pueden transformarse en tomos de otro elemento mediante reacciones qumicas; los tomos no se crean ni se destruyen en reacciones qumicas.4. Los compuestos se forman cuando los tomos de ms de un elemento se combinan; un compuesto dado siempre tiene el mismo nmero relativo y tipo de tomos.

ESTRUCTURA DEL TOMO Una serie de investigaciones que empezaron en la dcada de 1850 siglo XX demostraron que los tomos en realidad poseen estructura interna (partculas subatmicas): electrones, protones y neutrones.

1uma = 1,66054x10-24gPARTCULAS SUBATMICAS

PartculaCargaMasa(uma)Protn1+1,0073Neutrn01,0087Electrn1-5,486x10-4

-Fotones o cuantosEs estable y, por lo tanto, no decae espontneamente en ninguna otra partcula.CLASIFICACIN DE LAS PARTCULAS SUBATMICAS

-LeptonesPartculas de masa ligera y de interaccin dbil (no intervienen en las interacciones fuertes, como el electrn). Incluye cuatro partculas y cuatro antipartculas.Neutrinos.- La ms ligera de las cuatro, con masa en reposo igual a cero. Las dos clases conocidas son: el electrn- neutrino (e) y el mun-neutrino (), cada uno asociado con su antipartcula correspondiente.Electrones y muones.- El mun tienen una masa en reposo de 200 veces mayor que el del electrn.

-HadronesPartculas pesadas y de interaccin fuerte, como los protones y los neutrones.Pueden ser agrupados en dos familias.Mesones.- La ms ligera de las dos familias. Tienen spin cero o entero (Quarks: partculas ms pequeas que constituyen la materia).Bariones.- Son las partculas duras pesadas de la naturaleza. Tienen spin .

TEORA DE LOS QUARKS En 1964 Murray Gell-Mann y Georges Zweig propusieron una teora para explicar la constitucin interna de los hadrones: la teora de los quarks. Segn esta teora los hadrones estn compuestos de otras partculas elementales, que denominaron quarks. Los quarks propuestos presentan propiedades peculiares; en especial, con relacin a la carga del protn, tienen carga fraccionaria. Segn la simetra partcula/antipartcula se encontr que a cada quark le corresponda su antiquark.

CARACTERSTICAS DE LOS QUARKSNOMBRESMBOLOMASACARGASPINLBANTIPARTCULAUp (arriba)u3+ 2/31/201/3Down (abajo)d7- 1/31/201/3Strange (extrao)s120- 1/31/201/3Charm (encanto)c1200+ 2/31/201/3Bottom (fondo)b4200- 1/31/201/3Top (cima)t175.000+ 2/31/201/3

DESARROLLO DE LOS MODELOS ATMICOS- MODELO ATMICO DE THOMSON (1904) Budn de pasas.

- MODELO ATMICO DE RUTHERFORD O MODELO NUCLEAR DEL TOMO (1911) Sistema planetario en miniatura.

TEORA CLSICA DE LA RADIACIN

En 1900, MaxPlanck predijocon todo xitola forma de lacurva. ECUANTO E = hc / E = h

EFECTO FOTOELCTRICO

h = p + (mv) h = ho + (mv) Energa fotn = Energa de escape + Energa cintica

ESPECTROS ATMICOSCada elemento tiene un espectro de emisin nico. Johannes Rydberg (1890) sintetiz las relaciones espectrales en la siguiente ecuacin.

donde: R = constante de Rydberg = 109 678 cm 1 Para iones similares al de hidrgeno (isoelectrnicos) como el He1+, Li2+, Be3+ y otras partculas:

= 1 = R ( 1 - 1 ) ni2 nf2 = 1 = RZ 2 ( 1 - 1 ) ni2 nf2

MODELO ATMICO DE BOHR El trabajo de Niels Bohr (1913) fue la primera aplicacin de la hiptesis cuntica a la estructura atmica que tuvo cierto xito. 1 POSTULADO: ESTABILIDAD DEL ELECTRN

v2 = Ze2 mrEc = 1 Ze2 2 r

2 POSTULADO: RBITAS PERMITIDAS momento angular = (# entero) h 2

m v r = n h 2 r = (0,529 A) n2 Zr = ao n2 Z

3 POSTULADO: EMISIN Y ABSORCIN DE ENERGA RADIANTE

E = Ef - Ei E = h => Ef Ei = h

ECUACIN EMPRICA DE BALMER Y RYDBERG RZ 2 ( 1 - 1 ) = 1 = ni2 nf2

4 POSTULADO: NIVELES ESTACIONARIOS DE ENERGA ETOTAL = Ec + Ep

Ec = Z e2 , Ep = - Z e2 , ET = - Z e2 2r r 2r Reemplazando valores:

ET = - 13,6 Z 2 eV = - 313,6 Z 2 Kcal n 2 n 2 mol => RH = 2,18 x 10 18 J

ET = - RH Z 2 n 2

El modelo del tomo de Bohr logra explicar la estabilidad de los tomos, la energa de ionizacin y los espectros de los tomos de hidrgeno o semejantes ( por ejemplo , 2He +1 , 3Li +2 y 4Be +3 ).

MODELO ATMICO MODERNO DUALIDAD DE LA MATERIA Luis de Broglie (1924), sugiri que todo corpsculo en movimiento va asociada a una onda, es decir una perturbacin de tipo oscilatorio. La materia al igual que la energa, presenta un carcter dualstico de onda - partcula.

E = mc2 ........ 1 PARTCULA E = hc / ........ 2 ONDA 1=2

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISEMBERG Werner Heisemberg (1926): Es imposible conocer con exactitud y al mismo tiempo, el momento y la posicin del electrn. p = mv p = m. v p = m.v

p x h 4

ECUACIN DE SCHRODINGER Conocida como ecuacin de onda, describe el comportamiento de un electrn dotndole de la naturaleza ondulatoria y corpuscular simultneamente.

Donde: (psi) : funcin de onda. m : masa del electrn E : energa total V : energa potencial 2 : probabilidad de encontrar al electrn en cierta regin.

2 + 2 + 2 + 8 2m ( E V) = 0 x2 y2 z2 h2

La solucin de esta ecuacin es : Dirac - Jordan completaron la ecuacin de Schrodinger incorporando la teora general de la relatividad de Einsten a la mecnica cuntica y es precisamente donde aparece un cuarto parmetro cuntico denominado spin (ms). = f (n, l, ml) = f (n, l, ml, ms)

NMEROS CUNTICOS Describen los estados energticos del electrn y tambin proporcionan tres caractersticas fundamentales del orbital. Un electrn queda definido por los cuatro nmeros cunticos: n, l, ml y ms.

NOMBRESIGNIFICADOCARACTERISTICA FISICAVALORES PERMITIDOSPRINCIPAL ( n )NIVELTAMAO CUALQUIER VALOR ENTERO DE MOMENTOANGULAR OSECUNDARIO O AZIMUTAL ( l )SUBNIVELFORMACUALQUIER VALOR ENTERO ENTRE 0 y ( n-1) MAGNTICO ( ml ) ORBITALORIENTACINCUALQUIER VALOR ENTEROENTRE l y +l SPIN (mS)ELECTRNGIRO DEL ELECTRNSOLAMENTE DOS VALORES

ORBITALES ATMICOS Se llama ORBITAL a la representacin completa de la probabilidad de hallar un electrn en diversos puntos de un espacio delimitado.

lNOMBRE DEL ORBITAL FORMA012335... spdfgh... ESFRICA2 LBULOS4 LBULOSFORMAS DIFCILESDE REPRESENTAR... .

ORBITAL APAREADO O LLENO O SATURADO DESAPAREADO O SEMILLENO __ VACO

REPRESENTACIN DE ORBITALES ORBITAL s

1s2s3s

ORBITAL p

ORBITAL d

CONFIGURACIN ELECTRNICA Es la forma en que los electrones se distribuyen entre los diferentes orbitales de un tomo. Los orbitales se llenan en orden de energa creciente

PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI Wolfgang Pauli (1926) En un tomo no puede haber dos electrones que tengan iguales los cuatro nmeros cunticos.

Ejemplo: (a) (b) (c) 2He : 1s2 1s2 1s2

SUSTANCIA PARAMAGNTICA .- Es aquella que es atrada por un imn y se les reconoce porque tienen electrones desapareados.

SUSTANCIA DIAMAGNTICA .- Es aquella que es dbilmente repelida o no son atradas por un imn, en este caso no tiene electrones desapareados.

MOMENTO MAGNTICO ( )

Es la fuerza con que es atrada una sustancia paramagntica por un campo magntico externo. La susceptibilidad paramagntica de una sustancia se mide en trminos de un momento magntico ( ), que se relaciona con el nmero de electrones no apareados ( i ).

= i (i +2)

PRINCIPIO DE MXIMA MULTIPLICIDAD (REGLA DE HUND) F. Hund El orden de llenado en un subnivel es aquel en el que hay el mximo nmero de orbitales semillenos. Los elementos de estos orbitales tienen los spines paralelos Ejemplo: (a) 6C: ___ ___ 1s2 2s2 2px 2py 2pz (b) 2px 2py 2pz (c) 2px 2py 2pz

PRINCIPIO DE AUFBAU Aufbau palabra alemana que significa construccin. Los electrones se distribuyen en orden creciente de la energa relativa (ER) de los subniveles .

1s2 < 2s2 < 2p6 < 3s2

CONFIGURACIN ELECTRNICA ESTABLE Sucede cuando un tomo completa ocho electrones en su ltima capa

CONFIGURACIN ELECTRNICA KERNEL (Simplificada) Kernel palabra alemana que significa corazn. Se puede realizar la distribucin electrnica simplificada haciendo uso de la configuracin electrnica de un gas noble, ms cercano al elemento. Ejemplo:13Al : [Ne] 3s2 3p1 donde: [Ne] representa el Kernel de nen. (centro de gas noble)

REACCIONES NUCLEARES

CARACTERSTICAS-Slo intervienen los ncleos atmicos.-Estn involucradas grandes cantidades de energa.-La velocidad de reaccin no est influenciada por factores externos (P, T y catalizadores).-Los tomos reactantes pierden su identidad, formando nuevos ncleos.

Control de la radioactividad en el medio natural durante un estudio de campo. Contador Geiger moderno

Partcula S Z ANeutrn n 0 1Protn p H 1 1Partcula beta (electrn) e -1 0Positrn (electrn positivo) e 1 0Partcula alfa (ncleo de helio) He 2 4Deutern (ncleo de hidrgeno pesado) H 1 2

ESTABILIDAD NUCLEAREl factor principal para determinar si el ncleo es estable es la relacin neutrn a protn (n : p).

PRINCIPIOS DE CONSERVACIN-Conservacin del nmero de masa (A)

-Conservacin del nmero atmico (Z)

-Conservacin de la masa energa-Conservacin del momento lineal-Conservacin del momento angular235 + 1 = 138 + 96 + 2x192 + 0 = 55 + 37 + 2x0

ECUACIONES NUCLEARESNotacin normal y abreviada de diversas reacciones.

N + H C + He, N (p, ) C

Al + n Mg + H, Al (n, p) Mg . . .

RADIACTIVIDAD NATURALUn ncleo inestable produce una reaccin llamada descomposicin radiactiva o desintegracin.Un ncleo radiactivo se convierte en otro mediante uno de los procesos siguientes:

-Desintegracin :

X Y + REACCIONES NUCLEARES

-Desintegracin -

X Y+ e + n p+ + -Desintegracin +

X Y + e + p n + +

-Captura de un Electrn k

X + Y +

p + n + -Desintegracin

( X )* X + Ncleo excitado Ncleo estable

RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL

N + He O+ p

Esta reaccin demostr por primera vez la posibilidad de convertir un elemento en otro; esto es, la posibilidad de la transmutacin nuclear.

FISIN NUCLEARProceso en el cual un ncleo pesado (nmero de masa >200) se divide para formar ncleos ms pequeos de masa intermedia y uno o ms neutrones. Ya que los ncleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energa.

La reaccin de fisin del Uranio-235

FUSIN NUCLEARCombinacin de pequeos ncleos para formar otros mayores, est en gran parte exenta del problema de desperdicios. Ocurre constantemente en el sol (constituido en su mayora de hidrgeno y helio).

Fusin nuclear de dos istopos de hidrgeno

H + H He

He + He He+ 2 H

H + H H+

Como las reacciones de fusin slo se llevan a cabo a muy altas temperaturas se les conoce como reacciones termonucleares.

ACELERADORES DE PARTICULAS

AceleradorPECiclotron Lawrence-Livingston Protn 1,2 MeVGenerador Cockcroft Walton Protn 0,5Betatron Kerst Electrn 20Linac Stanford Mark II Electrn 35Acelerador Lineal Stanford Electrn 20Sincrotron de Electrones Electrn 10 GeVSincotron de Protones Protn 500

En los aceleradores de partculas ms antiguos se usaba un Generador de Cockcroft-Walton para la multiplicacin del voltaje. Esta pieza del acelerador ayud al desarrollo de la bomba atmica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven , se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).

Imagen area del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores ms grandes del mundo.

Sala de control del Ciclotrn Ciclotrn

REACTORES NUCLEARES-Reactores de FisinUna aplicacin pacfica de la fisin nuclear pero que causa gran controversia, es la generacin de electricidad utilizando calor de una reaccin en cadena, controlada en un reactor nuclear.

Centro nuclear de Huarangal(PERU)Huarangal, Per, cerca de Lima. En este centro atmico del Instituto Nuclear del Per (INPE) la construccin ms notable es el reactor nuclear RP10.

Esquema del funcionamiento de una central nuclear

-Reactores de FusinNo existen. El problema bsico es encontrar una forma de mantener los ncleos juntos el tiempo suficiente, y la temperatura apropiada para que ocurra la fusin.

Tokamak JET

BALANCE DE MATERIA ENERGIADe acuerdo con la relacin de equivalencia masa energa de Einsten (E = mc2), se puede calcular la energa liberada de la siguiente forma:

E = Energa de los productos Energa de los reactivosm = Masa de los productos Masa de los reactivosE = (m) c2

El cambio de energa calculado a partir del defecto de masa de un ncleo se llama energa de enlace del ncleo (energa requerida para descomponer el ncleo en protones y neutrones individuales ).

Energa de enlace nuclear Energa de enlace nuclear = por nuclen Nmero de nucleones

Energa de enlace por nuclen para el ncleo de fluor-19.

E = mc2 m = (9 x masa p + 10 x masa n ) - masa 19F m (uma) = (9x1,007825 + 10x1,008665 ) 18,9984 m = 0,1587 uma 1 uma = 1,49 x 10-10 J E = 2,37 x 10-11J c = 3 x 108 m/s

energa de enlace por nuclen = energa de enlacenmero de nucleones= 1,25 x 10-12 J

El ncleo ms estable es el hierro-56 al que corresponde una energa de enlacede 8,8 MeV/nuclen. Las mayores energas de enlace por nuclen se presentan para nmeros msicos comprendidos entre 40 y 100 aproximadamente.

PELIGROS DE LA RADIACINForman radicales libres. As la formacin de un nico radical libre puede iniciar un gran nmero de reacciones qumicas, que finalmente pueden interrumpir las funciones normales de las clulas.Partculas Peligrosas.- Rayos , , X,; poseen energa, muy superiores a las energas de enlace ordinarias y a las de ionizacin.

EFECTOS BIOLGICOS-Dao somtico.- Afecta al organismo en s y le provoca enfermedad o muerte.

-Dao gentico.- Afecta a la descendencia porque daa los genes y los cromosomas, el material reproductor del organismo.

UNIDADES DE MEDIDA DE LA RADIACION

-Curie (Ci o Cu)

- Rad (Dosis de radiacin absorbida)

-Nmero de REMS (Equivalente ROENTGEN para el hombre)

RBE (Eficacia biolgica radiactiva)RBE (rayos ) = 10RBE (rayos ) = RBE ( rayos ) = 1

Rad = 1x 10-2 J/kg de material irradiadoCurie (Ci) = 3,7 x 1010 desintegraciones nucleares por segundoNmero de REMS = (Nmero de Rad) (RBE)

Dosis (REM) Efecto 0 a 25Efectos clnicos no detectables25 a 50Ligeros, disminucin de glbulos blancos100 a 200Naseas, marcada disminucin de glbulos blancos500Muerte

Dosmetros

APLICACIONES-Agricultura.- Radiacin gama del Co 6O u otras fuentes para desarrollar granos resistentes a las enfermedades, o altamente productivos.

-Trazadores isotpicos.- Los compuestos que contienen un radionclido se dice que son trazadores o sealadores.Determinacin del mecanismo mediante el cual el CO2 se fija en forma de carbohidrato (C6 H12 O6) durante la fotosntesis. 48h 6 CO2 + 6 H2O C6 H12 O6 + 6 O2

Celdas de Produccin de Radioistopos

-Control de Plagas.- Para controlar y en algunas zonas eliminar el gusano barrenador.

-Diagnstico.- Diagnstico mdico.Eficiencia cardiaca, funcin tiroidea, etc.

-Radioterapia y Quimioterapia.- Se emplea el radio en el tratamiento del cncer.

-Fechado.- Se basa en la velocidad de decaimiento del C14.Cintica del Decaimiento Radiactivo:

K = cte de velocidad de 1er ordenN= # de ncleos radiactivos presentes en el tiempo tVelocidad de decaimiento = KNen el tiempo t

Probabilidad de desintegracin = - dN N K = -1 dN = cte de desinteg N dt Actividad= - dN desinteg/seg dt

Actividad= KN desinteg/seg

Si existen No ncleos en el tiempo t = o

dN = - k dt N

ln N = - ktNoN = No e-ktA = Ao e-ktActividad = KN

Vida media : t Tiempo requerido para que la concentracin de uno de los reactivos disminuya a la mitad de su valor inicial.

Cuando t = t ,N = 1 No 2 en N = No e-kt

1 No = No e-kt , 1 = e-k t 2 2 -ln 2 = -kt

t = ln2 kt = 0,693 k