jueves, 26 de septiembre de 2013

RADIACTIVIDAD: CONCEPTOS BÁSICOS Y EMISIONES NUCLEARES.

INTRODUCCIÓN: PICTOGRAMAS DE ADVERTENCIA
Las emisiones radiactivas son peligrosas ya que pueden provocar daños (sobre las personas, sobre los alimentos, sobre el suelo, etc.) a corto o mediano plazo dependiendo de las condiciones de exposición y del tipo de radiación recibida. Por lo anterior los materiales radiactivos y los lugares donde se trabaja con ellos deben estar debidamente señalizados. Tradicionalmente, y aún se sigue usando, se ha utilizado sólo el trébol de tres hojas en diferentes colores para indicar la presencia o no de fuentes radiactivas. El color del trébol es un indicador de la intensidad de las radiaciones y puede ser, de menor a mayor intensidad, gris azulado, verde, amarillo, naranja o rojo.
Dicha gama de colores nos brinda una idea del posible grado de contaminación radiactiva o, dicho en otros términos, la presencia no deseada de sustancias radiactivas en el entorno en función de parámetros preestablecidos. Si la exposición a radiaciones supera en intensidad a determinados valores los riesgos y efectos de la radiación aumentarán y será preciso entonces adoptar medidas preventivas. En el primer caso el símbolo nos advierte que existen radiaciones pero las dosis a las que se está expuesto no superarían el límite legal preestablecido por lo que es una zona vigilada que no tendría riesgos de contaminación. En el otro extremo (dado por el color rojo) se indica que es muy probable que se supere el límite antes mencionado, los efectos de riesgos sobre la salud productos de la exposición a la radiación son elevados por lo que está prohibido su acceso sin medidas precautorias: en caso de acceder a esa zona, básicamente por alguna situación de emergencia, debe hacerse con traje protector adecuado y no permanecer en el lugar más de cinco minutos.
Desde el año 2007 los pictogramas anteriores se han cambiado por la imagen que se muestra. En un comunicado la OIEA (International Atomic Energy Agency) señala que el nuevo pictograma pretende "reducir las muertes innecesarias y daños serios por la exposición fortuita a focos radiactivos". El nuevo emblema busca reforzar la advertencia de riesgo ya que la anterior imagen carecía de significados intuitivos y era de conocimiento restringido a aquellos que de alguna manera la habían aprendido con anterioridad. La nueva imagen: sobre un fondo rojo (que podría simbolizar la sangre que se ve en los accidentes) mantiene en la parte superior el símbolo anterior agregándole rayos que salen, la imagen de la muerte y una figura humana disparando (yéndose del lugar) guiado por una flecha que le ayuda a darse cuenta hacia donde debe salir. De esta manera el pictograma nuevo sería mucho más claro y llamativo, más expresivo "del peligro y del manténgase alejado" y por lo tanto más comprendida por todos.

RADIACTIVIDAD Y TRANSFORMACIONES NUCLEARES
Por definición los isótopos tienen igual número atómico (son átomos del mismo elemento) y diferente número de masa y su abundancia en la naturaleza es diferente. Además se diferencian por la estabilidad de sus núcleos: algunos de ellos ( como por ejemplo el 146C ) son inestables, radiactivos y mediante un proceso de desintegración espontánea emiten partículas subatómicas y radiación. Las causas de la inestabilidad nuclear son: exceso de neutrones, elevada cantidad de protones y neutrones y exceso de energía, exceso de protones (en núcleos de isótopos sintetizados por el hombre). Los isótopos que reúnen los requisitos anteriores se denominan radioisótopos  y a sus núcleos los llamaremos radionucleidos. Podemos definir entonces la radiactividad como la desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas y de radiaciones electromagnéticas (rayos γ y X).
El proceso general de desintegración nuclear podemos representarlo mediante el siguiente esquema:
Núcleo Padre (inestable, alto contenido energético)     Núcleo Hijo (más estable, menor contenido energético)  +  partículas o ondas electromagnéticas (α, β o γ)  +  energía.
Como veremos existen varios tipos de emisiones y según los casos estaremos frentes a diferentes cambios o trasformaciones nucleares (que se producen en forma natural o provocadas por el hombre). Brevemente y antes de analizar las diferentes emisiones, se resumen las principales características de las transformaciones nucleares: las sustancias cambian; excepto en las emisiones  γ, los elementos químicos cambian; la masa no se conserva: la masa perdida se transforma en gran cantidad de energía que se libera (durante la desintegración nuclear se emite energía).

 EMISIONES α

El esquema corresponde a la emisión de un núcleo de Radio: el de número másico 226. Este núcleo se desintegra transformándose en un núcleo de Radón ( 22286Rn) emitiendo una partícula α.
Las partículas α son núcleos de Helio: se representan por:  42He  o  42α; están formados por 2 protones y 2 neutrones: en consecuencia su masa es elevada con respecto a las partículas β y se mueven a menor velocidad. Entonces: el poder de penetración en la materia es escaso y pueden ser detenidas por una hoja de papel o una lámina de plástico.
Por otro lado estas partículas tienen carga +2 y eso hace que sean las más ionizantes (y como veremos más dañinas al ingerirlas).
Por último en estas transformaciones nucleares el número másico disminuye en 4 al tiempo que el número atómico lo hace en 2.

ECUACIONES NUCLEARES
Antes de continuar con otras emisiones nucleares, indicaremos que estas trasformaciones se representan mediante una expresión llamada ecuación nuclear: a la izquierda se coloca el núcleo emisor y a la derecha la radiación emitida y el núcleo resultante (ambos miembros de la ecuación se separan mediante una flecha que indica el sentido de la transformación). Además en cada especie participante se colocan: como superíndices el número másico y como subíndice el número atómico (o la carga según corresponda de la partícula emitida). Lo anterior se debe a que la ecuación nuclear debe estar balanceada: se debe cumplir que el número total de protones y neutrones (números másicos)  y el número total de cargas nucleares deben ser los mismos en ambos miembros de la ecuación.
Así la ecuación nuclear que representa la transformación anterior es:  22688 Ra   →   22286 Rn   +   42α 
 Observamos que la ecuación está balanceada: a) la suma de los números másicos (superíndices) es: 226 a la izquierda de la ecuación y 222 + 4 = 226 a la derecha de la ecuación.
 b) la suma de cargas (subíndices) es: 88 a la izquierda de la ecuación y 86 + 2 = 88 a la derecha de la ecuación.

EMISIONES β
La ecuación anterior corresponde a una emisión del núcleo de carbono-14: éste emite una partícula β y se transforma en núcleo de nitrógeno-14.
Con el ejemplo observamos que las emisiones β son electrones (0-1e) saliendo del núcleo atómico y por lo tanto tienen carga -1. Los electrones son partículas subatómicas que se mueven en la periferia del átomo. Surge entonces la pregunta: ¿cómo es posible que escape un electrón de un núcleo si dicha partícula no está ahí? La respuesta es que un neutrón (10n) que estaba en el núcleo se transforma en un protón (11p) que queda en el núcleo y un electrón (0-1e) que sale del átomo. El cambio producido en el núcleo durante una emisión β lo podemos representar mediante la siguiente ecuación:  10n   →   11p   +   0-1e.
La ecuación anterior explica además que en una emisión  β el núcleo resultante aumentará su número atómico en una unidad con respecto al núcleo emisor (asimismo mantendrá el número másico del núcleo original).
Las emisiones β al tratarse de electrones tienen masa muy pequeña y se moverán con mayor velocidad que las partículas α y en consecuencia tienen mayor poder de penetración en la materia que las mismas. Esto provocará daños más difusos en los tejidos al liberar energía en un trayecto largos (en los tejidos vivos puede llegar hasta los huesos). Esta radiación puede detenerse con una lámina de aluminio.
Por otro lado al tener menor carga que las partículas α  el poder ionizante de las emisiones β será menor que en la radiación α. 
Por último observamos que la ecuación nuclear planteada está balanceada (como debe ser).

EMISIONES γ
Consideremos 2 ejemplos de emisiones gamma (γ): correspondientes a núcleos de Tecnecio-99 y Uranio-236 como lo muestran las ecuaciones nucleares respectivas. Observamos que los núcleos resultantes han mantenido los números atómicos y los números másicos del núcleo original. Por otro lado, el núcleo emisor se ha escrito entre paréntesis y con un asterisco como superíndice. Lo anterior se debe a que en esta emisión un núcleo inestable, con exceso de energía se estabiliza emitiendo una radiaciones γ: que tienen carga y masa nula y en realidad son ondas electromagnéticas de elevada energía y de naturaleza similar a la de la luz. Una consecuencia es que estas radiaciones se desplazan a una velocidad mucho mayor que las anteriores emisiones vistas (α y β) resultando muy penetrantes: atraviesan el cuerpo humano y la protección sólo es posible con láminas de plomo o gruesos bloques de hormigón. A medida que estas radiaciones atraviesan la materia van perdiendo energía y pueden producir importantes modificaciones en la materia (en los tejidos vivos se pueden producir daños de diferentes magnitud, algunos irreparables.
Por último al no tener cargas las radiaciones γ son menos ionizantes que las emisiones vistas anteriormente.

RESUMEN DEL PODER DE PENETRACIÓN DE LAS EMISIONES VISTAS.

OTRAS EMISIONES
EMISIÓN DE POSITRONES.
La imagen nos brinda una idea de una de las aplicaciones de este tipo de emisión: es una técnica de medicina nuclear de gran utilidad que junto a otras permite obtener un diagnóstico de afecciones  oncológicas, cardiológicas, neurológicas,etc.
Un ejemplo de esta emisión es producida por el núcleo de carbono-11 según la siguiente ecuación nuclear: 116C   →   115B   +   01e. Se observa que un núcleo de carbono-11 produce un núcleo de boro de igual número másico y libera un positrón.
Un positrón es una partícula similar al electrón pero con carga positiva. 
Como se observa, en esta emisión el núcleo resultante mantiene el número másico del núcleo original y con respecto a éste disminuye su número atómico en una unidad.
En esta emisión un protón del núcleo original se convierte en un neutrón (que pertenecerá al núcleo resultante) y se libera un positrón. La ecuación que nos muestra esta conversión es la siguiente:  11p   →   10n   +   01e.

CAPTURA ELECTRÓNICA.
En este tipo de emisión el núcleo "padre" captura un electrón de la capa interna que lo rodea (es decir de un orbital) y es "consumido" por un protón del núcleo emisor liberándose en este proceso un neutrón. La ecuación que nos muestra este cambio nuclear es la siguiente:  11p   +   0-1e   →   10n.
Un ejemplo de esta emisión está dado por los núcleos de Rubidio- 81. La ecuación correspondiente es:
8137Rb   +   0-1e (electrón orbital)   →   8136Kr
Se observa que el núcleo resultante mantiene el número másico del núcleo emisor y con respecto a éste disminuye en una unidad el número atómico.

RADIACIÓN Y SALUD HUMANA
Las partículas α y β, los rayos γ, al igual que otras radiaciones (radiaciones infrarrojas, ultravioletas y visibles del Sol, ondas de radio de estaciones de televisión y radio, etc.) son perjudiciales para los humanos y otros seres vivos: tienen energía suficiente para romper enlaces químicos o para ionizar moléculas del tejido vivo. Se producen así iones (o radicales libres) que son muy reactivos y pueden romper las membranas de las células, reducir la efectividad de las enzimas y aún dañar los genes y los cromosomas.
El daño que produce la radiación depende de la actividad y energía de la misma, de la duración de la exposición y de si la fuente radiactiva está dentro o fuera del cuerpo. Fuera del cuerpo los rayos γ son particularmente dañinos porque penetran los tejidos humanos llegando hasta los órganos. En consecuencia los daños que causan estas radiaciones no están limitados a la piel. 
En cambio la piel detiene casi todos las emisiones α y las emisiones β sólo consiguen penetrar aproximadamente 1 cm de la superficie de la piel. Por tanto ni una ni otra son tan peligrosas como las emisiones γ, a menos que la fuente de radiación esté de alguna manera dentro del cuerpo humano. Dentro del organismo, las partículas α son particularmente peligrosas porque transfieren su energía al tejido circundante e inician daños considerables (poder ionizante).
Los tejidos más propensos al daño son los que se reproducen con rapidez (médula ósea, los formadores de sangre, los nódulos linfáticos). El efecto principal a una exposición prolongada a dosis bajas de radiación es la inducción de cáncer (causado por daños al mecanismo regulador del crecimiento celular lo que induce a que la célula se reproduzca sin control). La leucemia (crecimiento excesivo de glóbulos blancos) sería el principal problema de cáncer asociado a la radiación.
Por último cabe un comentario: en este párrafo hemos brindado un pequeño resumen de los efectos de la radiación basados en el poder de penetración y el poder ionizante de cada una. De la lectura del mismo surgiría que las radiaciones siempre tendrían un efecto negativo sobre la salud. Cabe preguntarse entonces si las mismas tienen alguna aplicación "positiva". La respuesta a esta pregunta es que sí: son muchas las aplicaciones en diferentes ámbitos de la radiaciones que brindan un beneficio al desarrollo de la humanidad y su contexto. Este aspecto positivo del tema quedará para desarrollar en otros trabajos pero desde ya se invita al lector a buscar de información sobre el uso de las radiaciones vistas.

EJERCICIO
Se tienen 3 tipos de galletitas como indican las figuras: una de miel (a la izquierda) contaminada con 10643Tc (emisor α); otra de chocolate (en el centro) contaminada con 21884Po (emisor β); y la restante de coco contaminada con 13755Cs (emisor γ).


  


Suponga que no puede "liberarse" de las radiaciones emitidas por las galletitas y está "obligado" a ingerir una de ellas: ¿cuál elegiría comer para que el daño causado a su organismo sea el menor posible? Justificar la elección.
Si dispone de una hoja de aluminio: ¿qué haría luego con las restantes galletitas para disminuir su exposición a la radiación? Justificar la respuesta.
Escribir las ecuaciones nucleares involucradas en cada caso.












 


viernes, 23 de agosto de 2013

CAMBIOS QUÍMICOS: REACCIONES Y ECUACIONES QUIMICAS

Los cambios químicos los podemos analizar desde 3 niveles interrelacionados. A nivel corpuscular (no visible a simple vista) son procesos en los cuales cambia la identidad o la naturaleza de las sustancias involucradas: una o más sustancias cuando se produce una reacción química deja de ser tal y se producen otras sustancias nuevas. Lo anterior implica que hay ruptura y formación de enlaces químicos: se "reacomodan" los átomos rompiéndose los enlaces químicos que inicialmente los mantienen unidos y formándose nuevos enlaces para generar otras sustancias. Los cambios químicos en general son procesos irreversibles: ocurridos los mismos no es posible "volver atrás" y obtener las sustancias originales o de partida.
Un segundo nivel es el macroscópico: los podemos reconocer a través de sus manifestaciones macroscópicas, es decir: a simple vista. Algunos ejemplos así lo ilustran: cambios de color (la aparición del color rojizo durante la oxidación del hierro formándose herrumbre; el color marrón que adquiere una manzana cortada expuesta al aire; etc.); formación de precipitados (acumulación de segmentos sólidos minerales en las teteras o caños de agua obstruyendo los mismos; formación de sarro en los dientes; etc.); cambios de temperatura (combustión de la leña en una estufa; etc.); creación de fuentes de luz (en los fuegos artificiales; combustión de una vela; luz emitida por las luciérnagas; etc.); aparición de burbujas de gas (cuando se agrega un antiácido al agua dentro de un vaso;etc.); cambios en el olor o el sabor (cuando la comida "se echa a perder"; descomposición de un animal muerto; etc); otros cambios posibles: de volumen; de acidez; etc.
Un tercer nivel está dado por la representación simbólica: un cambio químico (o reacción química) se representa mediante una ecuación química la cual nos brinda información cualitativa y cuantitativa del proceso ocurrido (sustancias que intervienen, estados de agregación, etc.). Básicamente una ecuación química consta de 2 partes separadas por una flecha: a la izquierda de la misma se colocan las fórmulas químicas de los reactivos (las sustancias iniciales que al mezclarse reaccionarán químicamente) y a la derecha de la flecha se colocan las fórmulas químicas de los productos (las sustancias nuevas que se formaron). En ambos miembros de la ecuación se utiliza el signo + para indicar los distintos reactivos y productos que intervienen en el proceso. Aclaración: el signo + no tiene significado matemático, es de conjunción.
Veamos un ejemplo de reacción química: la plata (Ag) es un sólido blanco brillante que al reaccionar con el oxígeno gaseoso (O2) produce un polvo fino negro debido a la formación de óxido de plata (Ag2O). La ecuación química en este caso sería: Ag(s)  +  O2(g)   →    Ag2O(s)       
Si bien la ecuación anterior nos indica los reactivos y los productos que intervienen en el proceso (plata y oxígeno y óxido de plata respectivamente) la misma no es correcta.  ¿Por qué? Porque: no está balanceada.
El químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) mediante sus experimentos aportó pruebas para la ley de conservación de la materia cuyo enunciado para una reacción química sería: la masa total se conserva, la masa total de los productos obtenidos es igual a la masa total de los reactivos que han reaccionado. La conservación de la masa implica que se conserva el elemento químico o expresado en otros términos: en una reacción química ni se “ganan” ni se “pierden” átomos, debe aparecer la misma cantidad de átomos de cada clase en los reactivos y en los productos.
Analizando la ecuación química planteada observamos que 1 átomo de plata reacciona con 2 átomos de oxígeno para dar una sustancia formada por 2 átomos de plata y 1 de oxígeno. En consecuencia no hay la misma cantidad de átomos de cada especie del lado de los reactivos y de los productos. Por lo expresado anteriormente está ecuación química está mal y debe balancearse. Para ello deben colocarse números llamados coeficientes estequiométricos delante de cada fórmula o símbolo que intervienen en la reacción de modo que se cumpla a escala atómica la ley de conservación de la masa. Aclaración: cuando el coeficiente usado es 1 no se coloca, se sobreentiende que “está ahí".
Colocando el número 4 delante del símbolo de la Ag y el número 2 delante de la fórmula de Ag2O llegamos a la ecuación: 4Ag(s)  +   O2(g)   →   2Ag2O(s). La misma nos indica que hay 4 átomos de Ag y 2 átomos de O del lado de los reactivos y las mismas cantidades de cada uno del lado de los productos; entonces la ecuación está balanceada y expresa correctamente la reacción química ocurrida. Observación: para esta ecuación química los coeficientes estequiométricos son: 4 para la plata, 1 para el oxígeno y 2 para el óxido de plata.
Ejercicios. 
Balancear las ecuaciones químicas siguientes: 
1)       Ni(s)    +   HCl(ac)   →   NiCl2(ac)   +    H2(g)
2)      NaN3(s)   →   Na(s)   +   N2(g)
3)      C2H2(g)   +   O2(g)   →   CO2(g)   +   H2O(g)
4)      Al(s)   +   O2(g)   →   Al2O3(s)
5)      (NH2)2CO(s)   +   H2O(l)   →   NH3(ac)   +   CO2(g)
6)        H2O(l)   +   N2O5(ac)   →   HNO3(ac)
7)       KClO3(s)   →   KCl(s)   +   O2(g)
8)       Mg(OH)2(ac)   +   HCl(ac)   →   MgCl2(ac)   +   H2O(l)
9)       Pb(NO3)2(s)   →   PbO(s)   +   NO2(g)   +   O2(g)
10)      Li(OH)(s)   +   CO2(g)   →   Li2CO3(s)   +   H2O(l)
11)       HBO2(s)    →   H2B4O7(s)   +   H2O(g)
12)       HgO(s)   →   Hg(l)   +   O2(g)
13)      C2H6(g)   +   O2(g)   →   CO2(g)   +   H2O(l)    
 


miércoles, 17 de octubre de 2012

Modelos Atómicos y Estructura Atómica

ÁTOMOS, MODELOS ATÓMICOS Y ESTRUCTURA ATÓMICA.

Los filósofos griegos buscaban respuestas a la pregunta: ¿puede la materia dividirse indefinidamente en partes más pequeñas o hay un punto en el cual ya no puede dividirse más?
Demócrito (460-370 a.c.) desarrolló La Teoría Atómica del Universo propuesta por su maestro Leucipo (siglo V a.c.) mediante la cual la materia está formada por partículas (infinitas, invisibles, indivisibles, de formas variadas y siempre en movimiento). Esas partículas fueron llamadas átomos que significa en griego significa indivisible. Unas de las máximas de Demócrito dice: “los principios de todas las cosas son los átomos y el vacuo; todo lo demás es dudoso y opinable”.
Así, varios siglos atrás, “nació” el átomo y desde entonces los científicos con sus investigaciones y descubrimientos no lo han dejado “vivir en paz” (y a nosotros -profesores y alumnos- nos generan cada día más trabajo). En efecto como nos muestran las imágenes presentadas, al átomo lo han descrito de diferentes maneras, le han ido agregando pequeñas cosas y/o modificando otras para sustituir unos modelos atómicos por otros. La imagen adjunta nos muestra un ejemplo de lo expresado.
Mientras analizamos algunas características de los modelos atómicos mostrados y el aporte de otros
científicos (Dalton, Chadwick, Planck, Einsten, Balmer, de Broglie, etc.), veamos que nos dice Pablo Nerman (escritor uruguayo e ingeniero químico) en un relato publicado en la revista “Cuantos” Año 2 No 4 junio 1988 de la Comisión de Cultura de la AEQ (Asociación  de Estudiantes de Química) de la UDELAR.

“ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DEL ÁTOMO”. POR PABLO NERMAN

“Cuando me propusieron escribir un artículo para "Cuantos”, tuve interés en averiguar si el nombre de la revista tenía algo que ver con la teoría cuántica, y en tal sentido interrogué a los demás colaboradores.
Las respuestas fueron sumamente alentadoras: la mayoría de los entrevistados manifestó desconocer dicha teoría; otros dijeron que el tema de la teoría cuántica debe ser resuelto por la próxima Convención de la FEUU, pero que ellos no temen dar el debate donde sea; otros que el nombre de la revista viene de la pregunta que efectúan los que la hacen a los encargados de venderla; y sólo un entrevistado manifestó conocer la teoría cuántica y estar de acuerdo con sus postulados.
Por lo tanto la mayoría de los estudiantes está en desacuerdo con la teoría cuántica, y esto, repito, es sumamente alentador, porque yo también rechazo dicha teoría, por ser uno de los pilares en que se apoya el modelo actual de la estructura atómica.
Yendo al grano: como integrante de la materia (y por lo tanto formado por átomos) rechazo las concepciones según las cuales mis partículas elementales son entidades que se rigen por leyes físicas y extrañas ecuaciones. Los átomos, vayan sabiéndolo, son seres encantadores, dotados de fina inteligencia y de nobles sentimientos, que, como todo el mundo, tiene su parte positiva y su parte negativa.
Empecemos por lo positivo: el núcleo, donde conviven los protones y los neutrones, aunque a veces los protones no se llevan muy bien que digamos entre ellos (incluso puede decirse que se repelen), cosa que pasa hasta en las mejores familias. Los neutrones tratan, como dice su nombre, de mantener la neutralidad para evitar que las disputas entre los protones terminen por desintegrar al núcleo, lo que dejaría al átomo a la miseria. Esa inestabilidad es típica de los elementos radiactivos, los que presentan vario isótopos, como el Uranio (234, 235 y 238), el Plutonio (240,241 y 244) y… que sé yo cuántos más.
La parte negativa del átomo son los traviesos electrones, separados del núcleo por el vacío (el vacío es la ausencia total de materia). Cuando Bohr explicaba este concepto, sus contemporáneos tenían grandes dificultades para asimilarlo. A nosotros los uruguayos de 1988 nos resulta más simple: basta pensar en la asistencia a los partidos por el Torneo Competencia.
Los electrones son pequeñas partículas que acostumbran volar alrededor del núcleo, al que le gritan obscenidades y escupen desde arriba. También suelen insultar a los otros átomos, por lo que las frecuentes peleas entre los electrones son la causa de la reactividad de los elementos.
El carácter indisciplinado de los electrones llevo a Heinsenberg a enunciar el Principio de Incertidumbre, que establece la imposibilidad de determinar simultáneamente la velocidad y la posición de dichas partículas. Heisenberg simplemente se hizo eco de las quejas del núcleo, que nunca sabe por donde andan los electrones a altas horas de la noche o las cosas que andan haciendo por ahí….
Más allá de esas discusiones, basten estas líneas como introducción al fascinante mundo de los átomos. En próximas entregas los veremos en acción, formando moléculas, y se estudiarán los artículos del Código Civil que regulan la formación de los enlaces atómicos.
Eso, siempre y cuando mis átomos no prefieran que escriba sobre alguna otra cosa.”