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Así que, si quieres dominar la habilidad de equilibrar ecuaciones nucleares, ¡sigue leyendo!
- En primer lugar, aprenderemos qué es la notación nuclear.
- A continuación, conoceremos las distintas reacciones de desintegración nuclear.
- Después, veremos las reglas para escribir ecuaciones nucleares.
- A continuación, aprenderemos a equilibrar ecuaciones nucleares.
- Por último, equilibraremos algunas ecuaciones nucleares para comprobar tu comprensión.
Qué es una notación nuclear
Antes de sumergirnos en las reacciones nucleares, repasemos la notación atómica estándar, o cómo se muestran los elementos en la Tabla Periódica.
En la Tabla Periódica, cada elemento está representado por un símbolo químico único. Por ejemplo, el hidrógeno tiene el símbolo químico H, mientras que el sodio tiene el símbolo químico Na. La Tabla Periódica ordena los elementos según su número atómico.
Elnúmero atómico es el número de protones que contiene el núcleo de un átomo.
- El número de protones también es igual al número de electrones que tiene el átomo cuando está cargado neutralmente.
Esta disposición de la tabla periódica basada en el número atómico puede verse en la figura 1. Observa que el hidrógeno tiene un número atómico de 1, el helio tiene un número atómico de 2, y así sucesivamente.
Figura 1. La tabla periódica de los elementos
Además del símbolo químico y el número atómico, cada elemento tiene también una masa atómica media.
La masa atómica de un elemento es la masa media de todos los isótopos medios que se producen de ese elemento.
- Los isótopos son átomos con el mismo número atómico pero distinto número másico debido a una cantidad diferente de neutrones en el núcleo.
Ahora bien, la Química Nuclear utiliza una notación especial para describir las partículas nucleares. En lugar de la masa atómica, utilizan el término número másico, que es el número de protones más neutrones (figura 2). El número atómico de la parte inferior, sin embargo, da la carga de la partícula nuclear, pero generalmente también corresponderá al número de protones de un isótopo. Por ejemplo, la notación nuclear del isótopo más radiactivo del uranio es \( ^{235}_{92} \text{U} \), lo que significa que tiene 92 protones y 143 neutrones (235 - 92 = 143 neutrones).
Figura 2. Notación en química nuclear
¡Consulta"Isótopos" para seguir aprendiendo sobre ellos!
Desintegración nuclear y reacciones nucleares
La química nuclear se ocupa de lo que ocurre dentro del núcleo de un átomo, que es donde se encuentra la mayor parte de su masa. Pero, ¿qué tiene de especial la química nuclear? Durante las reacciones nucleares, ¡la masa se convierte en grandes cantidades de energía!
Al tratar con ecuaciones nucleares, hay algunas partículas nucleares importantes que presentan notaciones únicas con las que debes estar familiarizado. Se trata del protón, el neutrón, la partícula alfa, la beta, el positrón y la gamma (tabla 1).
| Partícula/Rayo | Símbolo () | Masa (amu) | Carga |
| Protón | \( ^{1}_{1} \text{p} \) | 1.00728 | +1 |
| Neutrón | \( ^{1}_{0} \text{n} \ ) | 1.00866 | 0 |
| Partícula beta | \( ^{0}_-1}\beta \) o \( ^{0}_-1}\text{e} \) | 0.00015 | -1 |
| Positrón | \( ^{0}_1}beta \) | 0.00015 | +1 |
| Partícula alfa | \( ^{4}_{2}\alfa \) | 4.00151 | +2 |
| Rayo Gamma | \( ^{0}_{0}\gamma \) | 0 | 0 |
Tabla 1. Partículas importantes en la química nuclear
Unapartícula de neutrón ( ^{1}_{0} text{n} \) no tiene carga, pero sí tiene un número de masa de 1. Una partícula de protón ( ^{1}_{1} text{p} \) ) también tiene un número de masa de 1, pero también tiene una carga de + 1.
Lapartícula alfa ( ^{4}_{2}\alpha \) ) es el equivalente a un núcleo de helio (no es lo mismo que un átomo de helio, porque una partícula alfa no tiene electrones, sólo protones y neutrones). Las partículas alfa también tienen una carga de +2.
Las partículasbeta ( \( ^{0}_{-1}\beta \) ) también se conocen como partículas electrónicas. Una partícula β tiene un número másico de 0 y una carga de - 1. Una partícula positrón ( ^{0}_{1}\beta \) ), en cambio, se denomina partícula antielectrón porque tiene el mismo número másico que una partícula electrón, pero con la carga opuesta (+ 1). Cuando un electrón y una posición se encuentran (en otras palabras, cuando la antimateria se encuentra con la materia), se "matan" mutuamente, ¡y liberan mucha energía en el proceso!
Un rayo gam ma ( ^{0}_{0}\gamma \) ) no es una partícula y se denomina fotón de alta energía. Es la energía electromagnética que suele asociarse a la radiación nuclear (¡Recuerda el Espectro Electromagnético y los distintos tipos de radiación EM que existen!)
Estas partículas/rayos nucleares también tienenpoder de penetración , yel rayo gamma es el que tiene mayor poder de penetración. Esto tiene sentido porque, si piensas en la radioterapia, ¡la radiación gamma es tan fuertemente penetrante que daña incluso las células sanas!
Las partículas alfa, en cambio, tienen un tamaño mayor y un poder de penetración de corto alcance, por lo que a veces son capaces de matar o dañar las células tumorales sin afectar al tejido sano que está más lejos del tumor (terapia de captura de neutrones).
Simplificando, cuanto menor sea la masa de la partícula o rayo nuclear, mayor será su poder de penetración.
Cuando tratemos de química nuclear, ten en cuenta que nos centramos en el núcleo (protones y neutrones), ¡así que es mejor "olvidarse" de los electrones y de la nube de electrones cuando tratemos de química nuclear! Otro término importante que hay que conocer son los nucleones. Los nucleones se encuentran en el interior del núcleo y están unidos entre sí por unafuerza nuclear fuerte .
Nucleón es el término utilizado para referirse a las partículas subatómicas que viven en el núcleo (protones y neutrones).
- El número másico también puede denominarse ¡número total de nucleones del núcleo!
Ahora bien, aunque la mayoría de los núcleos de la naturaleza se consideran estables, los átomos que contienen un núcleo considerado radiactivo serán inestables y emitirán espontáneamente partículas y radiación electromagnética. ¡Aquí es donde entran en juego las reacciones nucleares! Así pues, ¡hablemos de la desintegración nuclear!
¡Cualquier elemento después del Pb (plomo) puede considerarse radiactivo!
Ladesintegración nuclear es la descomposición espontánea de un núcleo que da lugar a la formación de un núcleo diferente.
Ladesintegración nuclear (o desintegración radiactiva) puede producirse por diferentes vías, como la desintegración alfa, la desintegración beta, la desintegración de positrones o la captura de electrones.
Desintegración alfa
La desintegraciónalfa, también llamada emisión alfa, suele ocurrir con los elementos más pesados con un número atómico superior a 82. Durante la desintegración alfa, el resultado neto es una reducción de la masa, emitiéndose una partícula alfa ( \( ^{4}_{2}\alfa \) ) como producto. Por ejemplo, \( ^{210}_{84}\texto {Po}}) sufriría una desintegración alfa entre que tiene un número atómico de 84.
$$ ^{210}_{84} {texto} {Po} a ^{4}_{2} {alfa} {texto} { + }^{206}_{82} {texto} {Po } $$
Desintegración beta
Ladesintegración beta (o emisión beta) se produce cuando la masa del isótopo es superior a la masa indicada en la tabla periódica. Como resultado, se emite una partícula beta. Por ejemplo, en la tabla periódica, el torio (Th) tiene una masa de 232,0. Por tanto, si tenemos un isótopo del torio con una masa de 234, lo más probable es que sufra una desintegración beta.
$$ ^{234}_{90} {texto{Th } a ^{0}_{-1} {texto{ + }^{234}_{91} {texto{Pa } $$
Captura de electrones
La captura deelectrones es básicamente la desintegración beta a la inversa: en lugar de emitir una partícula β, absorbe una partícula β. En otras palabras, la partícula β se encuentra en el lado reactivo de la ecuación. La captura de electrones puede producirse cuando la masa del isótopo es inferior a la masa indicada en la tabla periódica. Por ejemplo, el Aluminio-26 sufriría la captura de electrones porque su masa es menor que la masa del Al en la tabla periódica (26,98).
$$ ^{26}_{13}\text{ Al}+\text{ } a ^{0}_{-1}\beta\text{ }^{26}_{12}\text{ Mg} $$
Emisión de positrones
La emisión de positrones también suele producirse en isótopos que tienen una masa inferior a la de la tabla periódica. En este tipo de desintegración nuclear, se emite una partícula de positrón como producto.
$$ ^{26}_{13} {texto} {{Al} }to ^{0}_{1} {{beta} {texto} + }^{26}_{12} {texto} Mg } $$
Reglas para escribir ecuaciones nucleares
Al escribir ecuaciones nucleares, hay algunas reglas que debemos seguir: anotar siempre el tipo de desintegración nuclear que se produce y la partícula nuclear implicada, y utilizar una tabla periódica para determinar el nuevo núcleo formado tras la reacción nuclear.
Veamos un ejemplo.
Escribe la ecuación nuclear de la desintegración beta del \(^{59}_{26}\text{ Fe}\).
Hemos aprendido que la desintegración beta implica la emisión de una partícula beta como producto. Por tanto, esperamos que haya una partícula beta en el lado del producto de la ecuación nuclear.
Ahora bien, si \ (^{59}_{26}\text{ Fe}) emite una partícula beta ( \( ^{0}_{-1}\beta \) ) como producto, significa que está perdiendo esa partícula beta durante la reacción. Así pues, después de la reacción, el número de la parte superior (número másico) seguirá siendo el mismo, porque una partícula beta tiene un número másico de 0. Sin embargo, como la partícula beta tiene un número atómico de -1, significa que el número atómico de los nuevos núcleos aumentará en 1.
$$ \text {Número másico: 59 - 0 = 0 } $$ $$ \text {Número atómico: 26 + 1 = 27} $$
Ahora que sabemos el número atómico del nuevo elemento (27), mira la tabla periódica. El elemento de la tabla periódica con número atómico 27 es el cobalto (Co).
Ahora, podemos escribir la ecuación nuclear como
$$ ^{59}_{26}\text{ Fe}\text{ + }^{0}_{-1}beta}\text{ + }^{59}_{27}\text{ Mg } $$
Para comprobar que esto es correcto, basta con echar un vistazo a los números para ver si son iguales en cada lado de la ecuación. Observa que, en el lado del producto, al restar 1 de 27 se obtiene un número atómico de 26, que es el mismo que el número atómico en el lado del reactante.
Cómo equilibrar ecuaciones nucleares
Ser capaz de equilibrar ecuaciones nucleares es una habilidad esencial para la química nuclear. Utilicemos un ejemplo para entenderlo mejor. La siguiente ecuación nuclear muestra una reacción nuclear que se produce en un isótopo del uranio. Sin embargo, fíjate en que falta una partícula, ¡y tu trabajo consiste en averiguar de qué partícula se trata para equilibrar esta ecuación!
$$ ^{238}_{92}\text{U }to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + ? } $$
Paso 1: Equilibra el número másico en ambos lados de la reacción.
Lo primero que tenemos que hacer es echar un vistazo al número másico en ambos lados de la reacción. En el lado del reactante, tenemos un número másico de 238, mientras que en el lado del producto, tenemos un número másico de 234. Esto significa que, para equilibrar esta reacción, necesitamos una partícula que tenga un número másico de 4. ¿Por qué? Porque 234 + 4 = 238.
$$ ^{238} {{92} {texto{U} }a ^{234} {{90} {texto{Th + } ^{4}_{cuadrado} \text {?} $$
Paso 2: Equilibra el número atómico (carga) en ambos lados de la reacción.
Ahora hacemos lo mismo con el número atómico de la parte inferior. Como el número atómico cambia de 92 en el lado del reactante a 90 en el lado del producto, significa que nuestra partícula nuclear debe tener un número atómico de 2.
$$ ^{238}_{92} {text{U} {text{ }^{234}_{90} {text{Th + } ^{4}_{2} \text {?} $$
Paso 3: Predecir la identidad de la partícula o rayo nuclear que falta.
Ahora que conoces el número másico y la carga de tu partícula, podemos predecir con seguridad que la partícula necesaria para equilibrar esta reacción nuclear ¡es una partícula alfa!
$$ ^{238}_{92}\text{U }to \text{ }^{234}_{90}\text{Th + } \color{#FA2373} ^{4}_{2} \alfa $$
Práctica de equilibrado de ecuaciones nucleares
La mejor manera de aprender el arte de equilibrar ecuaciones nucleares es mediante la práctica. Así que vamos a resolver algunos problemas similares a los que podrías encontrarte en tu examen de química.
Equilibra la siguiente ecuación nuclear e indica los tipos de reacción nuclear que se producen.
$$ ^{214}_{83}\text{\}{Bi }\text{+ } \a ^{214}_{84}\text{{Pb} $$
Para equilibrar esta ecuación, podemos seguir los mismos pasos que acabamos de aprender. Primero, fíjate en los números másicos. Observa que tanto los elementos del lado del reactante como los del lado del producto tienen el mismo número másico (214). Por tanto, nuestra partícula desaparecida tendrá un número másico de 0.
A continuación, tenemos que equilibrar los números atómicos. El elemento del lado del reactante tiene un número atómico de 83, mientras que el elemento del lado del producto tiene un número atómico de 84. Esto significa que necesitamos una partícula nuclear. Esto significa que necesitamos una partícula nuclear con un número atómico/carga de + 1, porque 83 + 1 = 84.
¡La partícula nuclear con número másico 0 y carga +1 es un positrón!
$$ ^{214}_{83}\text{Bi }\text{+ } \color{#FA2373} ^{0}_{+1}\beta \color {blue}\to \text{ }^{214}_{84}\text{Pb} $$
Ahora, ¡espero que te sientas seguro de tu capacidad para equilibrar ecuaciones nucleares!
Equilibrar ecuaciones nucleares - Puntos clave
- Las partículasprotón, neutrón, alfa, beta, positrón y rayos gamma son partículas nucleares importantes que pueden intervenir en la desintegración nuclear.
- Para equilibrar con éxito una ecuación nuclear, debemos asegurarnos de que el número másico y el número atómico son iguales en ambos lados de la ecuación.
- Equilibrar las ecuaciones nucleares puede ayudarnos a predecir el tipo de partícula y desintegración nuclear que se produce en una reacción nuclear.
Referencias
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Química : la ciencia central (14ª ed.). Pearson.
- Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., & Decoste, D. J. (2019). Chemistry. Cengage Learning Asia Pte Ltd.
- N Saunders, Kat Day, Iain Brand, Claybourne, A., Scott, G., & Smithsonian Books (Editorial. (2020). Química supersimple: la guía de estudio definitiva en tamaño mordisco. Dk Publishing.
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