QUE SON LA FISICA Y LA QUIMICA

CFE-CLVCENTRO DE ENTRENAMIENTOGCN

CAPITULO 2QUIMICA Y FISICA

2.1.- INTRODUCCION

Qu son la fsica y la qumica?

Daremos las definiciones de estos trminos desde el punto de vista de su uso en relacin con un Reactor Nuclear:

La Qumica es el campo relacionado con la manera en que los tomos se combinan por virtud de sus electrones orbitales.

La Fsica se interesa por los eventos que suceden en el ncleo del tomo. Ahora veremos principios comunes a los dos campos.

2.2.- LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA.

Qu es la materia ?

La palabra materia proviene de la palabra latina materia que significa cosa.

Pero hemos progresado desde aquellos das y ahora decimos que materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y que es perceptible por los sentidos de alguna manera: la palabra materia se utiliza frecuentemente y no nos preocuparemos en definirla.

Los estados de la materia.

Fsicamente la materia ha sido clasificada en: slida, lquida o gaseosa. Esto significa que normalmente en la superficie de la tierra a una temperatura dada el material bajo discusin ser un slido, un lquido o un gas; el agua, que de acuerdo a sus experiencias usted la ha observado en sus tres estados ya que se puede palear como hielo, pescar en ella como lquido o dejarla escapar como vapor de una lnea de flujo.

Los materiales que se presentan como plasmas y los superdensos algn da se aadirn a sta lista pero ahora solamente nos referimos a estos tres estados de la materia.

La clasificacin de la materia.

Hay tres clasificaciones de la materia que son las clasificaciones qumicas dentro de los estados de la materia y que son: elementos, compuestos y mezclas que se definen a continuacin:

Elemento: Cada una de las ciento cinco substancias qumicas que no pueden ser divididas en otras substancias ms simples por medios qumicos; por ejemplo el hidrgeno, el sodio y el plomo.

Compuesto: Es una combinacin qumica de elementos que tienen propiedades diferentes a las de cualquiera de los elementos que lo constituyen; por ejemplo: la sal, el agua y el cido sulfrico.

Mezcla: Es la combinacin de elementos o compuestos en proporciones diversas y en la cual los constituyentes no pierden sus propiedades fsicas; por ejemplo: el agua del mar, el aire, etc.

Propiedades fsicas.

Algunas propiedades fsicas son: el color, el olor, el sabor, punto de licuafaccin, punto de ebullicin, calor especfico, densidad estructura cristalina, etc.

Propiedades qumicas.

Los trminos como: metal, no metal, base, cido, sal, xido, etc. son ejemplos de las propiedades qumicas de la materia.

Ejercicio1: Clasifique los siguientes materiales como: mezclas, elementos o compuestos.

Agua del ro

Dixido de Carbono

Acero inoxidable

Arena

Agua destilada

Grafito

Latn

Azcar

Aire

Carbn

Aceite

Fierro Mineral

EJERCICIO 2: Clasifique los cambios en los materiales como fsicos o qumicos:

Hielo derritindose

Azcar disolvindose en caf

Hierro oxidndose

Aceite Quemndose

2.3.- LA ESTRUCTURA ATOMICA

Qu es un tomo? La definicin clsica dice es la partcula ms pequea de un material que puede entrar en una reaccin qumica.

Si lograramos la particin de un tomo, encontraramos que est compuesto de partculas subatmicas, que son: el protn, el electrn y el neutrn. La Tabla 2.1 indica algunas de las propiedades de estas partculas.

PartculaMASA

umakg

Protn1.007271.672 x 10-27

Electrn0.0005489.099 x 10-31

Neutrn1.0086651.675 x 10-27

TABLA 2.1.- Datos de las partculas subatmicas

Una unidad de masa atmica (1 uma) = 1.65979 x 10-27 kg.

Estas partculas se combinan para formar el tomo. El ncleo central est formado de protones y neutrones y los electrones se encuentran movindose en rbita alrededor del ncleo. (ver la Figura 2.1).

Tamao Atmico.

Los tomos medirn de dimetro algo semejante a 10-8 cm y el ncleo mide algo as como 10-13 cm. El tamao depende del elemento que se considere. Si algo se clasifica como pequeo cuando es tan pequeo que no se puede ver ni con microscopio entonces resulta que los tomos son muy pequeos.

Las fotografas de los tomos se han tomado por un proceso conocido como difraccin de rayos X, pero el resultado es una imagen difusa del ncleo.

Nmeros Atmicos y Nmeros de Masa.

Cada elemento tiene sus propias caractersticas atmicas. Los tomos se pueden distinguir uno del otro por el nmero de protones y neutrones contenidos en el ncleo. El nmero de protones contenidos en el ncleo es llamado nmero atmico (vea la Tabla 2.2) y se indica con el smbolo Z. Al nmero total de neutrones y protones que estn en el ncleo se le llama nmero de masa denotado por el smbolo A.

Si existen dos o ms tomos con el mismo nmero de protones en el ncleo pero con un nmero diferente de neutrones entonces a estos tomos se les llama istopos del mismo elemento. Este trmino aparecer frecuentemente en lo sucesivo; aquellos tomos que tienen el mismo nmero de masa pero con un nmero diferente de protones en el ncleo se les llama isbaros; este trmino se usar muy rara vez.

FIGURA 2.1.- ESTRUCTURA ATOMICA

Para reafirmar, todos los istopos de un elemento tiene el mismo nmero de protones y desde luego el mismo nmero de electrones. Los elementos estn definidos por el nmero de protones, es decir por su nmero atmico Z.

Peso Atmico.

El peso atmico es el peso del tomo en unidades de masa atmica (uma). Por convencin estos nmeros toman como base al peso del carbono, 12.00000 uma. Los pesos atmicos no son nmeros enteros como los nmeros de masa. La razn de esto se discutir ms ampliamente despus. Ver la tercera columna de la Tabla 2.2 .

En el pasado se han considerado otras bases para calcular los pesos atmicos. Durante mucho tiempo se tom como base el peso del hidrgeno considerado como 1.000. Esto cambi a los nmeros ligeramente por la proporcin de 1.000/1.008. Posteriormente los nmeros fueron referidos en base al peso del oxgeno que era de 16.000000 uma.

ElementoSmboloPeso atmico promedioZIstopos en la NaturalezaIstopos sintticosElementoSmboloPeso atmico promediozIstopos en la NaturalezaIstopos sintticos

HidrgenoH1.00794121IodoI126.904553123

HelioHe4.00262223XennXe131.2954921

LitioLi6.941323CesioCs132.905455121

BerilioBe9.01218415BarioBa137.3356715

BoroB10.811524LantanoLa138.905557215

CarbonoC12.011634CerioCe140.1258416

NitrgenoNi14.0067724PraseodimioPr140.907759114

OxgenoO15.9994834NeodimioNd144.246078

FlorF18.9984915PrometioPm

61-14

NenNe20.1791034SamarioSm150.3662711

SodioNa22.989771117EuropioEu151.9663219

MagnesioMg24.3051233GadolinioGd157.2564717

AluminioAl26.981541318TerbioTb158.925465123

SilicioSi28.08551434DisprosioDy162.506671

FsforoP30.973761516HoimioHo164.930467125

AzufreS32.0661645ErbioEr167.266869

CloroCl35.4531729TulioTm168.934269115

ArgnA39.9481835YterbioYb173.0470710

PotasioK39.09831937LutecioLu174.96771117

CalcioCa40.0782066HafnioHf178.4972613

EscandioSc44.9559121114TantaloTa180.947973218

TitanioTi47.882254WolframioW183.8574513

VanadioV50.94152328RenioRe186.20775217

CromoCr51.99612447OsmioOs190.276712

ManganesoMn54.938025111IridioIr192.2277218

HierroFe55.8472646PlatinoPt195.0878514

CobaltoCo126.904527115OroAu196.966579121

NquelNi58.692856MercurioHg200.5980719

CobreCu63.5462029TalioTl204.38381225

ZincZn65.3930510PlomoPb207.282424

GalioGa69.72331211BismutoBi208.980483222

GermanioGe72.5932513PolonioPo

84-29

ArsnicoAs74.921633117AstatoAt

85318

SelenioSe78.9634616RadnRn

86-18

BromoBr79.90435221FrancioFr

87-9

KriptnKr83.8036620RadioRa

88112

RubidioRb85.467837219ActinioAc

89-11

EstroncioSr87.6238414TorioTh232.038190113

YtrioY88.905939120ProtactinioPa

91113

ZirconioZr91.224405

UranioU238.028992311

NiobioNb92.906441121NeptunioNp

93112

MolibdenoMo95.944279PlutonioPu

94115

TecnecioTc

43-21AmericioAm

95-12

RutenioRu101.074479CurioCm

96-13

RadioRh102.905545121BerkelioBk

97-8

PaladioPd106.4246616CalifornioCf

98-11

PlataAg107.868247223EinstenioE

99-11

CadmioCd112.4148817FermioFm

100-9

IndioIn114.8249233MendelevioMv

101-2

EstaoSn118.71501021NobelioNo

102-3

AntimonioSb121.7551231LawrencioLw

103-1

TelurioTe127.6052821RutherfordioRf

104

HahnioHa

105

TABLA 2.2.- LOS ELEMENTOS QUIMICOS

Nomenclatura

La segunda columna de la Tabla 2.2 presenta la nomenclatura que usan los qumicos para el nombre del elemento, por ejemplo: Pb es el smbolo para el plomo; Pb viene de la palabra latina Plumbum que significa plomo y Sn es el smbolo para el estao que viene de la palabra stanium, etc.

Nmero de masa (A) = # de protones + # de neutrones

5B10

Nmero atmico (Z) = # de protones

FIGURA 2.2.- NOTACION

Los smbolos y los nmeros alrededor de ellos siguen un orden especfico como se muestra en la Figura 2.2: por ejemplo, la notacin 5B10 indica que un istopo de boro tiene un nmero de masa de 10 y que contiene 5 protones. Normalmente se identifica un elemento por su nmero de protones as que el smbolo se usa sin el nmero Z.

2.4.- ARREGLO DE LOS ELECTRONES

El nmero de electrones orbitales de un tomo es siempre igual al nmero de protones que hay en el ncleo de tal manera que el tomo sea elctricamente neutro. Los electrones no estn formados en lnea sino que estn movindose en rbita alrededor del ncleo en una forma semejante al movimiento de los planetas alrededor del sol o como lo hacen los satlites puestos en rbita sobre la tierra. Los electrones tienen rbitas predecibles llamadas capas. Como se muestra en la Figura 2.1 estas capas estn localizadas a distancias especficas del ncleo y se identifican con letras que empiezan con la letra K para la rbita ms cercana al ncleo y para las siguientes con las letras, L, M, N, etc. El arreglo real de electrones en las capas se muestra en la Tabla 2.3 para cada uno de los elementos en particular. Dentro de cada capa hay un nmero de subcapas que se identifican con las letras s, p, d, f, etc.

Hay una regla muy simple para calcular el nmero mximo de electrones en cada rbita, que dice; el nmero mximo de electrones que una capa completa puede tener es el doble del cuadrado del nmero de la capa. Por ejemplo: la capa M, es la tercera del interior hacia el exterior por lo que cuando est completa contiene 2 (3)2 = 18 electrones. Esta regla no se aplica a las subcapas.

Capa nmero123456

Capa letraKLMNOP

Subcapa letrasspspdspdfspdfgspdfghGrupoComentarios

Nmero de electrones2262610261014261014182610141832

PerodoElemento1

I

11H

2He2

VIII

23Li21

I

4Be22

II

5B221

III

6C222

IV

311Na2261

I

12Mg2262

II

13Al22621

III

14Si22622

IV

419K22626

1

I

20Ca22626

2

II

21Sc2262612

1 serie de

22Ti2262622

transicin

31Ca226261021

III

32Ce226261022

IV

537Rb226261026

1

I

38Sr226261026

2

II

39Y2262610261

2

2 serie de

40Zr2262610262

2

transicin

49In22626102610

21

III

50Sn22626102610

22

IV

655Cs22626102610

26

1

I

56Ba22626102610

26

2

II

57La22626102610

261

2

Series de Lautano

TABLA 2.3.- ESTRUCTURA ELECTRNICA DE LAS CAPAS DE LOS ELEMENTOS

La Tabla 2.3 muestra una progresin ordenada de aumento en el nmero de electrones en las capas y subcapas hasta llegar al llamado cuarto perodo. Al principio del cuarto perodo los electrones empiezan a llenar la capa N, pero sin que la capa M est totalmente llena, durante lo que se llama una serie de transicin, tomando lugar el proceso conocido como rellenado. En la Figura 2.3 se muestra el orden de llenado de los orbitales de los tomos.

CAPASUBCAPAS

spdfghi

K1s

L2s2p

M3s3p3d

N4s4p4d4f

O5s5p5d5f5g

P6s6p6d6f6g6h

Q7s7p7d7f7g7h7i

FIGURA 2.3.- LLENADO DE LOS ORBITALES ELECTRONICOS

Qu es lo que mantiene a los electrones en rbita? A los electrones los mantiene la fuerza elctrica, ya que los electrones (con carga negativa) giran alrededor del ncleo, que est cargado positivamente. Como la ley de las cargas elctricas indica que las cargas opuestas se atraen, aparentemente, la ley inversa de sta o sea que las cargas iguales se repelen, causara la particin del ncleo en el caso de que no hubiera otros factores, tampoco habra lo que llamamos un electrn libre; la existencia de stos electrones implica que existen otros factores.

Un voltaje aplicado a algunos materiales produce un flujo de electrones. A este flujo se le llama corriente elctrica. Algunos materiales requieren menos voltaje que otros para producir la corriente elctrica. Aquellos que no permiten el flujo de corriente se les llama aisladores. Entre estos extremos de aisladores y conductores hay muchos dispositivos que son casos especiales de conductores y de aisladores tales como: resistores, inductores, capacitores y semiconductores.

2.5.- LAS REACCIONES QUIMICAS.

En las reacciones qumicas estn involucrados los electrones de las rbitas externas. El nmero de electrones que esta en la ltima capa comparado con el nmero de electrones requeridos para llenar esa capa nos indica como se combinar qumicamente con otros tomos.

Por ejemplo suponiendo que tenemos una cantidad de metal de sodio y una botella de gas de cloro y si quisieramos combinarlos para hacer la sal (independientemente de las dificultades tcnicas) todo lo que se requiere es poner al metal en contacto con el gas y que le apliquemos un poco de calor. La ecuacin qumica para quemar el sodio en una atmsfera de cloro es:

2 Na + Cl ( 2 Na Cl + Calor

Regresando a la Tabla 2.3 vemos que en el rengln del sodio se seala que tienen un electrn en la subcapa s de la rbita M. Esta subcapa se llena con dos electrones. Esto es muy importante, ya que el cloro tiene cinco electrones en la subcapa p de la capa M y esta subcapa se llena con seis electrones. Por lo tanto el sodio requiere de un electrn para llenar su subcapa y lo mismo le pasa al cloro. En consecuencia, estos elementos son afines y pueden compartir sus electrones (Ver la Figura 2.4).

FIGURA 2.4.- ENLACE ATOMICO DEL AGUA

La afinidad produce, al compartir los electrones, lo que llamamos sal. Los dos electrones compartidos unen a ese metal tan venenoso con aquel gas venenoso para formar la estimable y comestible sal comn que no es venenosa.

El mecanismo real no se comprende totalmente, es decir, si es que los electrones viajan alrededor de ambos ncleos en una especie de rbita en forma de ocho o si son dos rbitas circulares, pero el hecho es que estos elementos se combinan para completar sus subcapas.

Supongamos que un elemento requiere ms de un electrn para llenar la subcapa externa, como se combinar?, por ejemplo: el oxgeno (consultando nuevamente la Tabla 2.3) requiere dos electrones para llenar su subcapa ms externa. Tome como ejemplo el agua H2O. Otro caso es el carbono que requiere cuatro electrones para llenar su capa ms externa. Considere ahora el bixido de carbono CO2 pero no considere el perxido de hidrgeno (H2O2) porque es inestable y buscar combinarse con otro tomo de oxgeno (el CO se puede quemar) o bien puede pasar a la hemoglobina de la sangre (lo que puede ser fatal).

Qu pasa con los elementos que tienen todas sus capas externas llenas?. En la Tabla 2.3 encontramos que estos elementos son: He, En, Ar, Kr, Xe y Rn. Estos son los gases nobles y no se combinan con otro elemento a menos que se les force a reaccionar. Sin embargo para los propsitos prcticos son inertes y no se combinan con otros elementos.

La combinacin de tomos de elementos, debido a sus electrones orbitales, recibe el nombre de molcula. Una definicin ms formal de molcula; paralela a la definicin de un tomo sera: la unidad ms pequea de un compuesto qumico que retiene las propiedades de ese compuesto; es decir, que si el compuesto qumico se parte otro poco ms no tendra ya las caractersticas fsicas y qumicas de dicho compuesto. La Figura 2.3 muestra el enlace atmico para el agua.

2.6.- PESO MOLECULAR

El peso molecular de cualquier molcula es la suma de los pesos atmicos de los tomos que forman la molcula, por ejemplo: para el agua, tendramos utilizando los pesos atmicos de la Tabla 2.2):

2 Hidrgenos x 1.00794 uma = 2.01588 uma

1 Oxgeno x 15.9994 uma = 15.9994 uma

Peso molecular del agua = 18.01528 uma

EJERCICIO 3: Encuentre el peso molecular de cada una de las siguientes molculas.

NOMBRE DEL COMPUESTOFORMULA

P. M.

1.- Metano (CH4)

2.-Tetracloruro de carbono (CCL4)

3.-Freon - 12 (CCL2F2)

4.-Cloroformo (CH CL3)

5.-Ioduro de Metilo (CH3 I)

3.7.- EL ATOMOGRAMO Y LA MOLGRAMO

El peso atmico gramo (tomogramo), es el nmero de gramos de un elemento que es igual a su peso tomico, y el peso molecular gramo (la molgramo) es el nmero de gramos de un compuesto que es igual a su peso molecular. Por ejemplo: para el agua, el molgramo ser 18.01528 gramos de agua.

Esto tiene profundo significado en la qumica y en la fsica ya que como se ver posteriormente cada tomo gramo o molgramo, sin importar su peso, contiene exactamente el mismo nmero de tomos o molculas. Este nmero se le conoce como el nmero de Avogadro (Na), es decir 6.023 x 1023 tomos/tomogramo o bien molculas/molgramo. Recuerde este nmero observando que termina en .023 y que el exponente tambin es 23.

EJERCICIO 4: Determine el nmero de tomos en un centmetro cbico de cada uno de los materiales mencionados en el problem anterior, sabiendo que las densidades correspondientes son:

COMPUESTODENSIDAD

1.- Metano7.2 X 10-4 g/cm3

2.- Tetracloruro de carbono1.6 g/cm3

3.- Fren - 121.5 X 10-3 g/cm3

4.- Cloroformo1.5 X 10-3 g/cm3

5.- Ioduro de Metilo2.3 g/cm3

La ecuacin para resolver esto sera la siguiente:

NOTA: Aunque sera tcnicamente correcto usar el peso atmico de cada uno de los elementos al resolver estos problemas, esto tambin sera tedioso por lo que, para acelerar la solucin de los problemas en este libro de entrenamiento, use el nmero de masa ms prximo en sus clculos cuando el problema involucra nmeros de tomos.

2.8.- TEMPERATURA.

Omitiendo la definicin de temperatura, se puede decir que hay cuatro escalas para medirla; escala Farenheit, escala Celsius, escala Rankin y escala Kelvin. Las dos primeras son escalas relativas y las dos ltimas son sus correspondientes escalas absolutas Rankin y Kelvin; se relacionan por las expresiones siguientes:

(F = 9/5 (C + 32(R = 1.8 ((K)

(C = (5/8) ((F - 32)(K = 5/9 ((R)

(R = (F + 460- 40 (F = 40 (C

(K = (C + 273160 (C = 320 (F

2.9.- PRESION.

Como se ha dicho antes la presin es una fuerza por unidad de rea. Las unidades ms comunes son: lb/ft2 , lb/pulg.2 , kg/cm2, pulgadas de agua, pies de agua, pulgadas de mercurio, milmetros de mercurio y atmsferas. La unidad del Sistema Intenacional de Unidades para la presin es el Pascal (Pa) que equivale a 0.1 dinas/cm2 .

Para convertirlas tenemos las siguientes equivalencias: 1 atmsfera = 760 mm Hg = 29.92 pulg. de Hg = 33.9 pies de agua = 407 pulgadas de agua = 1.02 kg/cm2 = 14.7 lb/pulg.2 = 2115 lb/ft2.

Todas estas unidades son absolutas, es decir, todas tienden a cero en un vaco perfecto.

Hay otras escalas de la presin llamadas presiones relativas. Estas son presiones diferenciales porque la presin relativa se refiere como unidad a la presin atmosfrica. Para convertir la presin relativa a presin absoluta, se aade una atmsfera en las unidades apropiadas a la lectura relativa, es decir, la presin relativa (psig) + 14.7 = a la presin absoluta (psia). donde psi = lb/pulg2 g = gravimtrica, a = absoluta.

2.10.- VOLUMEN

Es el espacio ocupado por un cuerpo. Sus unidades son longitud3 : cm3; pies3; litros, galones, etc. La unidad del SI para volumen es m3.

2.11.- LA TEORIA CINETICA Y LAS LEYES DE LOS GASES

Un tomogramo o una molgramo de gas ocupa 22.4 litros en condiciones normales (0 (C y a 760 mm de mercurio). Qu sucede si el gas no est en condiciones normales de presin y temperatura?. Existe suficiente evidencia como para considerar que la temperatura del gas es directamente proporcional a la energa cintica promedio de las molculas que constituyen el gas. Esto significa que los tomos o molculas se mueven en forma catica en el gas chocando entre si. entre ms caliente sea el gas (o en general cualquier estado de la materia) se movern ms rpido. En el cero absoluto (-270 (C - 460 (F), cesa todo movimiento de las molculas, pero a cualquier temperatura superior a sta la agitacin es proporcional a la temperatura absoluta en grados Kelvin. La ecuacin que describe a lo anterior es:

Por lo tanto un tomo a la temperatura ambiente de 80.6(F = 27(C = 300(K que tiene una masa de 1 uma tendr una velocidad promedio de:

Si la temperatura aumenta, como sucede con un globo de juguete que se deja en el sol, los tomos se agitan y golpean con ms fuerza las paredes, causando que el globo aumente de tamao. Si en vez de un globo usramos un recipiente con paredes rgidas, el resultado sera un aumento en la presin interna. Esto se resume con la ley de los gases que establece:

Donde P, V, y T son respectivamente la presin, el volumen y la temperatura bajo las condiciones 1 y 2. Esta ley muestra que si la temperatura aumenta de la condicin 1 a la condicin 2; la presin o el volumen o ambos, deben aumentar tambin en algn grado y todo esto es el resultado del aumento de la agitacin trmica.

EJERCICIO 5: Un compresor de aire suministra 75 psig de aire. Si la reduccin del volumen es de 5 a 1, Cual ser la temperatura de salida si la temperatura de entrada es de 40(F? (Recuerde que P est dada en psia y que psia es = psig + 14.7 ; T es la temperatura que debe estar en grados absolutos, en este caso (R que significa grados Rankin o bien (R = (F + 460. El volumen puede estar en pies cbicos, pulgadas o centmetros o cualquier unidad cbica siempre y cuando las unidades sean consistentes).

EJERCICIO 6: Cul sera la velocidad de un tomo a la temperatura de 530 (F? (Use la masa de 1 uma al resolver este problema).

3.12.- IONIZACION

Se estableci anteriormente que un tomo normalmente tiene el mismo nmero de electrones orbitales que el nmero de protones en el ncleo. Cuando los tomos o molculas adquieren cargas elctricas, ya sea ganando o perdiendo electrones, se les llama iones, por ejemplo, el aire es un buen aislador elctrico, excepto cuando est Ionizado; al flujo de las cargas elctricas a traves de una trayectoria de aire Ionizado se le llama un arco elctrico y esta es la razn por la cual los grandes interruptores de las subestaciones usarn el aire o un chorro de gas para reducir el arco despus de que el interruptor se ha abierto. El agua es un buen aislador pero si se disuelve un poquito de sal en ella se transforma en un buen conductor. La sal ioniza y los iones conducen la electricidad.

Si consideramos el problema de la sal de la seccin sobre reacciones qumicas, la sal estaba hecha de un tomo de sodio que contena 11 electrones y de un tomo de cloro que contena 17 electrones. Al ionizarse la sal, los tomos no quedan electricamente neutros, sino que afortunada o desafortunadamente, ambos tomos tendrn carga. El cloro retiene el electrn del sodio cuando est ionizado en la solucin. Esto es afortunado, ya que permite hacer cosas como el electroplateado (que no se hace generalmente con sodio sino con plata o cobre), y es desafortunado, ya que la llamada accin catdica que depende de la ionizacin, corroe los tanques y los tubos hasta que fallan.

Ya que el cloro retiene un electrn extra tendr una carga de -1 y recprocamente el sodio tendr uina carga de +1. Esta combinacin es llamada un par de iones. En el captulo siguiente se estudiar en detalle el caso de un par de iones, consistente en 1 tomo o molcula sin un electrn que se ha removido por radiacin. Si la molcula del agua se pudiera romper o ionizar en dos hidrgenos y un oxgeno, el oxgeno tendra una carga de 2, quedndose con los 2 electrones de los hidrgenos pero el agua no se ioniza generalmente de esta manera, se ioniza ms fcilmente en un hidrgeno y en OH, donde el hidrgeno tiene una carga de +1 y el in hidrxido (OH) tiene una carga -1.

2.13.- CATIONES Y ANIONES

Un in con una carga positiva se llama Catin, un in cargado negativamente se llama Anin. La razn es que los electrodos o polos elctricos se llaman nodo (+) y ctodo (-). Un in cargado positivamente viajar hacia el ctodo cargado negativamente (ya que cargas opuestas se atraen) por lo que este in recibe el nombre de Catin, e inversamente, un in cargado negativamente viajar hacia el nodo. Posteriormente en la discusin sobre desmineralizadores, se utilizar este concepto, que requiere ser bien comprendido.

Los tomos que tengan en su capa externa menos de la mitad del nmero de electrones de los que se requieren para llenar esa capa, reciben el nombre simple de metales, porque la mayora o todos los que comnmente son llamados metales, caen en esta categora.

Los tomos que tienen ms de la mitad del nmero de electrones requeridos para llenar su rbita externa se les llama no metales. Hay un tercer grupo de tomos que tienen exactamente la mitad del nmero de electrones requeridos, estos tomos son objeto de estudio ms extenso. En este grupo est el carbono, el silicio y el germanio. El estudio de los compuestos del carbono se llama Qumica Orgnica. El silicio y el germanio son utilizados en la manufactura de transistores o como se les llama ahora semiconductores.

Los iones no necesitan ser tomos solos, sino que pueden ser los que los Qumicos llaman radicales. Un radical es un grupo de dos o ms tomos que se comportan en una reaccin qumica como si fueran un solo tomo. La mayora de los compuestos que en qumica terminan con las letras ato o ito son radicales pr ejemplo el sulfato (SO4), carbono (CO3), clorato (ClO3) y uno llamado hidrxido (OH). Estos se pueden partir pero generalmente reaccionan como un slo tomo una vez que han sido formados.

2.14.- QUIMICA DEL AGUA

En las calderas de las plantas generadoras de electricidad actuales, se usan materiales especiales, circulacin forzada y emisiones de calor ms altas. Todo esto significa que una pequea acumulacin de impurezas del agua en un lugar dentro de algn tubo puede causar un punto caliente y la eventual falla de la tubera lo que usualmente significa un paro de la planta.

Si hay acero inoxidable en el sistema, los trminos corrosin por los cloruros y estallamiento castico se pueden escuchar ocasionalmente y se habla de esto con alguna reverencia.

Las especificaciones tcnicas que son parte de la licencia para la planta y que contienen las reglas que deben seguirse en la operacin de un reactor, contendr una seccin que especifique las cantidades mximas de productos qumicos que se permiten en el refrigerante del reactor estas cantidades deben aprenderse y es til saber la razn de estos lmites.

El significado de las impurezas

En una planta Nuclear todos los problemas qumicos del agua que se presentan en una planta convencional existen, ms los problemas que surgen por la activacin. La activacin es un proceso por el cual un tomo, normalmente estable, absorbe a un neutrn y se transforma en otro istopo del mismo elemento; si el nuevo istopo es radiactivo, se dice que el ncleo original est activado.

Una razn general para mantener todas las impurezas al nivel ms bajo que sea posible es limitar la cantidad de activacin; ya que el material activado es un problema de desecho radiactivo; como se ver en los ltimos captulos. La pureza del agua, cuando se ve desde el punto de vista de la activacin, es un elemento de prevencin para el control de la radiacin y de la contaminacin.

El agua misma puede activarse pero debido a algunas afortunadas leyes naturales esto no es problema comparado con el de impurezas activadas.

Hay ciertos contaminantes que pueden limitarse siguiendo las especificaciones tcnicas que se elaboran para cada planta con reactor nuclear. Entre estos contaminantes est: el cloro (in Cl), el hidrxilo (in OH), oxgeno, hidrgeno, boro, cido brico, silicio y probablemente una especificacin sobre el total de slidos insolubles y la mxima actividad tolerable en el refrigerante del reactor.

Antes de considerar cada uno de estos constituyentes y su importancia, considere, el punto de las cantidades relativas de componentes qumicos en el refrigerante del reactor y de su alimentacin.

En el reactor BWR se realiza la ebullicin y siendo un proceso evaporativo, cualquier impureza que se lleva al equipo productor del vapor, tender a concentrarse en el agua por el proceso de la evaporacin. Si se fija un lmite en la cantidad de impurezas permisibles en el hervidor, entonces se hace necesario fijar lmites para el agua de entrada mucho ms bajos para limitar la cantidad despus de que la evaporacin las concentre. Ya que es imposible eliminar todas las impurezas desde la alimentacin, surge, como un requisito adicional, un sistema de desfogue. Este desfogue puede descargarse como un desperdicio o puede ser recirculado a travs de un desmineralizador-limpiador y regresado al hervidor.

Se ha observado que la presencia de grandes cantidades de hidrxido en una caldera coincide con fallas excesivas de la tubera. Aunque no hay una explicacin slida de la causa terica de este fenmeno, el hecho es que ocurre y ha sido suficiente para que los expertos en el tratamiento del agua no recomienden el uso de hidrxido, o bien, en el caso de que se use, se haga con un control estricto y limitando la concentracin. El trmino designado para este tipo de falla del metal es estrellamiento custico.

Las unidades usadas para expresar la cantidad de hidrgeno ionizado en el sistema son las unidades pH; un pH es el logartmo de la concentracin de iones Hidrgeno en una solucin determinada, la ecuacin es pH = ( log (H3O+(; por lo tanto si la concentracin de H3O+ (in hidronio con una carga + 1) es de 1014, entonces el pH es 14. Es suficiente recordar que el pH del agua pura es 7 y que los nmeros menores que 7 indican que la solucin es cida mientras que los nmeros arriba de 7 indican que la solucin bsica o alcalina.

Para otras substancias qumicas las concentraciones se darn en partes por milln (ppm) o en centmetros cbicos por kilogramo abreviadamente cc/kg. Si hay 10 ppm de una substancia qumica en una solucin, esto significa que 10 partes de esa substancia qumica existen por cada milln de partes de la solucin. La unidad ppm significa peso por peso. Por ejemplo, si una solucin contiene 10 miligramos de sal por litro de agua es una solucin de sal de 10 ppm (porque un litro contiene 1,000 gramos o sea 1,000,000 de miligramos de agua). Una solucin al 1% es lo mismo que 10,000 ppm.

La unidad cc/kg se usa para describir la cantidad de gas disuelto en una solucin. Eso quiere decir que hay tantos centmetros cbicos de gas disuelto en cada kilogramo del agua en condiciones normales. Tambin aqu el kilogramo es el peso de un litro de agua.

La presencia de iones cloro en un generador de vapor que usa acero sin estao para la superficie que transfiere calor puede causar la ruptura del acero de una manera similar a las fallas que se experimentan cuando hay estrellamiento custico por esta razn y debido a la gran cantidad de acero que se encuentra en las plantas con reactores hace necesario fijar lmites ms estrictos para las concentraciones permisibles de cloruros en todo el sistema del reactor. Una falla de esta naturaleza se dice que ha sido causada por un esfuerzo de corrosin de cloruro.

El oxgeno es indeseable porque se combinar qumicamente con los materiales del sistema del reactor que estn en contacto con el refrigerante del reactor. Una mirada a un reactor de potencia durante una interrupcin despus de una operacin extensiva, mostrar que las superficies internas estan cubiertas con un depsito negro; esto es un xido de hierro negro que se forma cuando hay una cantidad limitada de oxgeno libre; cuando hay oxgeno suficiente se forma xido de hierro rojo este xido est suelto y con facilidad se desprende de la base metlica y por lo tanto se corroe o descarapela muy rpidamente.

Una alta proporcin de corrosin es desventajosa por dos razones; una porque reduce la resistencia del material, pero de mayor importancia, es la liberacin de la actividad. La liberacin de la actividad requiere que los materiales del sistema del reactor se lleguen a activar y que de alguna manera sean erosionados dentro del flujo del refrigerante. El material del ncleo, del soporte del ncleo y los materiales del contenedor del reactor sern activados por los neutrones; una alta proporcin de corrosin ayudara a remover este material desde el metal fuente y circularlo a travs de las porciones lquidas del reactor y sus sistemas auxiliares. Aunque esto no significa una gran cantidad de material ser considerable en trminos de la cantidad de actividad de los materiales. Aqu nuevamente el tratamiento de los fludos es una prevencin para reducir la corrosin lo ms posible.

En un reactor que opera con agua es imposible reducir la cantidad de oxgeno libre a cero. Una de las razones para esto es que el reactor produce radiacin ionizante la que causa que el agua se ionice. Algunas veces el agua se ionizar en H+ + H( y que otras veces se ionizar en H+ + O= + H-. Y estos se recombinarn formando agua o tambin pueden separarse en forma de gases individuales. Si se separan el xigeno puede combinarse con el material estructural.

En el reactor BWR cualquier hidrgeno libre u oxgeno que se forme por la descomposicin radioltica del agua del reactor de hecho sale junto con el vapor a la turbina, el condensador y es eliminado por los eyectores de aire.

Actualmente parece que el reactor BWR se desarrolla en la direccin de no agregar substancias qumicas procurndose mantener el agua tan pura como sea posible. Ha habido controversia, entre los expertos en tratamiento de agua, que trabajan sobre este punto en el campo de las calderas convencionales; unos opinan que es mejor la adicin de productos qumicos selectos y otros que es mejor no agregar substancias qumicas en absoluto.

La especificacin de una baja concentracin en la cantidad de boro permisible, se aplicar slo a una planta con reactor BWR. Las varillas de control que se usan en un reactor comn BWR estn construdas de un polvo de carbonato de boro contenido en tubos de acero inoxidable. Si uno o ms de los tubos se rompe esto puede ser detectado por la presencia de boro en el refrigerante del reactor. El lmite se establece de tal manera que la operacin continua del reactor ser posible con un pequeo nmero de varillas que hayan fallado y envenenado el refrigerante. Cualquier falla grande requerir una interrupcin de la operacin del reactor y el reemplazo de las varillas de control que hayan fallado.

El silicio en el agua de alimentacin o en el agua de la caldera ha sido un contaminante indeseable durante muchos aos, ya que tiene el molesto hbito de ser transportado desde la caldera a la turbina y despositarse en los labes de la turbina. Esto es un problema porque perturba el flujo del vapor a travs de la turbina y no se puede eliminar con el simple lavado de la turbina, sino que requiere limpiarse con un chorro de arena (sand-blasted).

Los slidosen el refrigerante del reactor son indeseables porque se depositan sobre las superficies calientes del ncleo y reducen la transferencia de calor. Esto sucede tanto en las calderas como en los reactores.

El nivel de actividad mximo permisible en el refrigerante del reactor es una medida de las fallas o defectos en el encamisado del combustible en forma semejante al del contenido del boro, el lmite del nivel de actividad se define para permitir una operacin continua aceptando algunas fallas del encapsulado, pero de ninguna manera aceptando un alto porcentaje de fallas en el encapsulado del combustible.

2.15.- DESMINERALIZADOR

Los desmineralizadores o intercambiadores de iones operan de manera semejante a un ablandador de agua para casa, excepto porque hacen un trabajo mucho ms fino en la limpieza del agua.

El intercambiador de iones no es ms que un tanque grande con una entrada que generalmente est en la parte superior y una salida que casi siempre est en en fondo tenindose adems una lnea para agregar la resina y otra lnea para sacar la resina (vea la Figura 2.5).

FIGURA 2.5.- DESMINERALIZADOR TIPICO (No para resina en polvo)

La clave para su operacin est en la resina. La resina es un tipo especial de plstico o tipos especiales de plstico. Esta resina es una compleja molcula de hidrocarburos (compuesta fundamentalmente de hidrgeno y carbono) y que tiene la peculiaridad de ser capaz de conectarse por si misma a un tomo de otras substancias. La resina tiene dos formas: la catinica y la aninica (ver la Figura 2.6 (a) y (b).

Esta resina toma parte en el proceso de una reaccin de equilibrio. Para explicar lo que esto significa debe entenderse que: las reacciones que involucran iones en solucin son extremadamente rpidas. Si las reacciones son reversibles, por ejemplo, la reaccin:

HCl + Na OH ( Na Cl+ HOH es reversible. Si tuviramos la tecnologa podramos extraer HCl y NaOH del agua del mar, entonces las leyes del equilibrio se pueden aplicar.

FIGURA 2.6.- Resinas cationica y anionica

Si hay un gran exceso de una sustancia qumica o si se aaden iones, esto forzar la reaccin. Por lo tanto, suponga que tomamos una cantidad de resina catinica y la lavamos con cido sulfrico concentrado (H2SO4). Al hacer esto estamos suministrando una alta concentracin de iones de hidrgeno y si la resina tiene cualquier otro tipo de catin enlazada a ella, dicho catin ser despedido y reemplazado por un hidrgeno: (por ejemplo 2Na + H2SO4 ( H2 + Na2SO4). Si ahora hacemos fluir agua a travs de la resina, cualquier catin en el agua reemplazar al hidrgeno en la resina y el hidrgeno se combinar en el agua en la forma de HCl, H2SO4, H2CO3, etc. Este proceso continuar hasta que la concentracin en el agua que fluye a travs de la cama de resina sea la misma que la concentracin en la propia resina. Cuando suceda esto, la resina se dice que se ha gastado y puede volverse nuevamente til al lavarla con cido concentrado. Este lavado con cido se llama regeneracin.

Si usted sabe algo sobre la operacin del desmineralizador, usted sabe que el producto final no es un montn de cidos diferentes; para librarse del cido nosotros tomamos el fludo de la columna catinica a travs de una columna aninica. La columna ha sido regenerada con NaOH concentrado, dejando molculas OH( sobre la resina. Como el agua que contiene los cidos, pasa a travs de la columna de los aniones, entonces los aniones reemplazan a las molculas de OH( en la resina y las molculas de OH( se combinan con los tomos de hidrgeno para formar HOH o agua (por ejemplo: HCl + OH( ( Cl( + HOH). Este proceso continuar hasta que la concentracin en el agua y la concentracin en la resina alcancen el equilibrio. Cuando este equilibrio se alcance, la concentracin que llega a la columna ser la misma que la que sale.

En la prctica real, nunca se permite que la reaccin alcance el equilibrio antes de la regeneracin, excepto en casos especiales que se discutirn brevemente, porque conforme se aproxima el equilibrio la accin purificadora disminuye y la calidad del agua se va haciendo cada vez peor. La regeneracin se inicia a un cierto nivel de calidad del agua lo cual es lo suficientemente alto para satisfacer los requisitos de la planta.

El sistema descrito anteriormente que tiene una cama de cationes seguida por una cama de aniones, es llamada una unidad catin - anin. Por la naturaleza de las reacciones de equilibrio, la pureza del agua que deja la unidad anin no es tan alta como debera ser; para mxima pureza, estas unidades son seguidas por lo que es llamado una cama mixta intercambiadora de iones. En esta cama las resinas tanto catinicas como aninicas estan ntimamente mezcladas de tal manera que la eliminacin catinica y aninica se lleva a cabo casi simultneamente. El fludo que sale de una cama mixta desmineralizadora es mucho ms pura que la que sale de un sistema de dos camas.

Hasta ahora la discusin se ha centrado sobre unidades desmineralizadoras, pero usted encontrar en las plantas con reactor otro sistema de purificacin que usa solamente intercambiadores inicos con camas mixtas. Estas se encuentran en los sistemas de condensado, purificacin, limpieza y tratamiento de desperdicios.

Debe notarse tambin que el intercambiador inico maneja impurezas solubles y ionizadas. Las impurezas insolubles son en su mayor parte manejadas por un pretratamiento del agua anterior a la entrada en el intercambiadores inicos. Este pretratamiento vara de acuerdo a las condiciones del agua de alimentacin pero en general consiste de coaguladores, filtros y pozos de depsito que eliminan las impurezas insolubles.

Aunque tericamente la resina durara para siempre, hay una cierta cantidad de compresin, que origina arena de resina. Las arenas pasan a travs de las pantallas de salida del intercambiador inico por esta razn la mayora de los intercambiadores inicos tienen un filtro posterior. El filtro posterior atrapa las arenas de la resina y por lo tanto las elimina del resto del sistema. Estas arenas son particularmente adheribles en cualquier parte caliente del sistema porque son plsticas y se pueden fundir y engomar las partes que trabajan.

Debido al pequeo tamao de las camas de resina o anillos de resina (la resina puede tener cualquiera de estas formas) las camas de resina actan como filtros para sustancias insolubles y la cama se ver llena de partculas insolubles causndose una cada de presin a travs de la cama y esta presin compactar a la cama y provocar un aplastamiento de la resina. Por esta razn generalmente se instalar un prefiltro.

Hasta ahora hemos hablado solo de desmineralizadores directos. Hay otro tipo llamado filtro desmineralizador y merece nuestra atencin; es bsicamente una cama mixta tipo intercambiador inico, pero la resina no tiene la forma de cama sino que est granulada. Este tipo de resina requiere de un tanque desmineralizador que contiene elementos de malla de alambre pesado. Un elemento es una malla vertical de alambre y cuando se aade la resina intercambiadora, sta es atrapada por los elementos del enrejado, donde permanece mientras haya un flujo a travs del intercambiador inico, esto desde luego, requiere un bombeo de sostenimiento para que la circulacin sea continua a travs de la columna cuando est fuera de servicio.

Este tipo de resina no es regeneradora, debido principalmente a su accin de filtrado. Normalmente ser canalizada desde la columna hacia el sistema de desecho debido a la alta conductividad en el fludo o debido a la alta presin diferencial a travs del intercambiador inico. Parando el flujo que pasa a travs de la columna provocar que la resina se sumerja y pueda ser canalizada desde la placa del fondo de la columna.

Los desmineralizadores se pueden ajustar para permitir una operacin con substancias qumicas en el sistema lquido que estn purificando.

La resina desmineralizadora que se usa en aplicaciones altamente radiactivas, generalmente no se regenera sino que se le da un tratamiento de desecho slido, la razn para esto es, que sera ms costoso procesar las soluciones para eliminar la actividad de la resina, que desecharla. Si la tubera est diseada para permitirlo, la resina se manda sucesivamente a lugares ms calientes (en sistemas ms altamente activos) antes de ser desechada: por ejemplo, la resina de un sistema limpiador del refrigerante del reactor puede ser transferida a un desmineralizador que trate los desperdicios. En el desmineralizador del sistema tratador de desperdicios esta resina puede utilizarse para tratar agua ms activa y transformar esta agua a una pureza cercana a la que se usa en el reactor; an si se instalara otro desmineralizador despus del primer desmineralizador hay un ahorro al permitir que la resina recoja tanto contaminante como le sea posible antes de desecharla, ya que la resina cuesta.

2.16. ENERGIA.

Qu es la Energa? Una definicin que se usa es que la energa es la habilidad para hacer trabajo. La energa se puede subdividir en dos categoras, la energa esttica o energa en espera de ser usada la cual se llama energa potencial; la segunda es la energa dinmica o de movimiento llamada tambin energa cintica.

Un montn de carbn, una batera cargada y el agua contenida por la presa de una planta hidroelctrica son ejemplos de energa potencial. Una piedra que cae, un carro en movimiento o el vapor que pasa a travs de una turbina son ejemplos de energa cintica.

Qu es Trabajo? El trabajo se define como la fuerza que acta a lo largo de una distancia. Si un levantador de pesas levanta, trescientas libras desde el suelo hasta una altura de 7 pies, ha realizado un trabajo de dos mil cien pies-libras. Pero si ahora las sostiene en una sola posicin, l no est haciendo ningn trabajo aunque en lo personal piense que s.

Recordemos que en el captulo 1 las unidades de trabajo eran: pie-libra en el sistema ingls, newton - metros (normalmente llamados joules), en el sistema mks; y en dinas - centmetros (normalmente llamados ergs) en el sistema cgs.

Un ejemplo de esto es la roca que cae. Antes de que caiga tiene energa potencial. La mxima energa potencial que tiene es igual al producto de su peso por la mxima distancia que puede recorrer o E.P. peso por distancia = W x h = mgh (donde m es la unidad de masa).

La energa cintica se define como E.C. = m v2 = ( w /g ) v2 donde g es la aceleracin de la gravedad (32.2 pie/seg2). Por lo tanto las unidades de energa cintica son: (lb seg2/pie) pie2/seg2 = pie. lb, que es lo mismo que trabajo.

Algunas otras unidades de trabajo y energa son: Btu, KWH, watt-seg., electronvolt (ev). Estas dos ltimas se discutirn posteriormente con mayor detalle) y desde luego el joule y el erg.

Qu es Potencia? Una cosa que tienen todas las unidades de trabajo en comn, es que no importa cuanto tiempo se tarde en hacer el trabajo al final el resultado es el mismo ya sea que se tarde un minuto o un da para hacerlo.

La potencia es la relacin de hacer trabajo en un cierto tiempo o la razn del flujo de la energa. Sus unidades son ft-lb/seg, ergs/seg, joules/seg, Btu/hora, KW, eV/seg o MeV/seg. Un caballo de fuerza es = a 550 pies-lb/seg. 33,000 pies lb/min. Un generador se clasifica por su potencia de salida en Kw o Mw.

Un kilowatt es = 3,413 Btu/hr. Un caballo de potencia hora hp hora es igual a 2,545 Btu o un hp = 2,545 Btu/hr, por lo tanto un hp = 746 watts.

Antes de dejar este tema hay trminos que aparecen de vez en cuando en conexin con la salida de una planta generadora. La unidad Mwt significa magawatts trmicos y el smbolo Mwe significa megawatts elctricos. Estos tambin se refieren a la potencia trmica y a la potencia elctrica respectivamente. La potencia trmica es la cantidad neta de calor producido por el reactor como se indica por un balance de calor (el trmino balance de calor ser tratado en el captulo aspectos trmicos e hidrulicos) en unidades de Btu/hr dividido entre 3.413 x 106 para convertir el flujo de calor a Mwt. La potencia elctrica se lee de un medidor y est relacionada a la potencia trmica por el factor de eficiencia total de conversin de la planta.

Conservacin

Hasta el ao de 1940 los textos de fsica elemental establecan que la energa se conservaba y que la materia no podra ser creada ni destruda a pesar de que el Doctor Einstein en su teora decia que: (E = ((m)c2 en su famosa teora en el ao de 1905.

Ahora se admite que hay conservacin tanto de la materia como de la energa y que nosotros podemos convertir una uma de masa en energa:

(E (ergs) = (m (gramos) x c2 (cm/seg)2= 1.66 x 10(24 x (3 x 1010)2= 1.66 x 9 x 10(24 X 1020(E = 14.9 X 10(4 erg = 1.49 X 10(3 erg

Esto puede no parecer importante pero si nosotros pudiramos convertir un gramo obtendramos 9 X 1020 ergs o sean 6.67 X 1014 pies-lb, y si esto nosotros lo convirtiramos en slo un minuto nosotros obtendramos 2 X 1010 o sean 20,000,000,000 de caballos de potencia (hp). Desgraciadamente como veremos despus todava no se ha logrado la conversin total.

EJERCICIO 7

1. Una libra de carbn desprende aproximadamente 12,000 Btu cuando se quema. Si esta libra de carbn pudiera ser convertida totalmente a energa, Cuntos Btu se desprenderan? (considere 1 lb = 454 gr).

2. Si la energa se desprendiera en el curso de un ao a una razn fija, y suponiendo que pudiera convertirse en electricidad con un 10% de eficiencia, cual sera el nivel de potencia en kW, (si usted va a trabajar en proteccin radiolgica, sugerimos que memorice el nmero de segundos que hay en un da y en un ao).

3.17.- ESTRUCTURA NUCLEAR

Con anterioridad a este captulo nos referimos fundamentalmente a los aspectos qumicos, pero ya que el ttulo del captulo es el de qumica y fsica, una discusin desde el punto de vista de los fsicos es lo que en seguida veremos. Se ha discutido ya el tamao y la composicin del ncleo pero antes de proceder a detalles adicionales se hace necesaria una definicin de algunos trminos bsicos.

Un nclido es un ncleo compuesto de cualquier nmero de protones y de neutrones. Ese trmino general pertenece a cualquier ncleo pero un istopo es una clase especial del nclido. Todos los istopos de un elemento tienen el mismo nmero de protones. Al indicarse un istopo en particular como por ejemplo el U-235, Pb-210 I-131, etc., se usa el nmero de masa aunque se muestra en la Tabla de Nclidos que el nico istopo que tiene un nmero de masa entero es el Carbono C-12. El peso qumico que se muestra en la Tabla 2.2 es el peso promedio de los pesos de todos los istopos de un elemento en particular. El peso promedio es la suma de todos los pesos de los istopos multiplicado por su abundancia natural. Por ejemplo: el Uranio Natural es aproximadamente 0.006% de U-234, 0.72% de U-235 y 99.274% de U-238. A partir de la Tabla de Nclidos encontraremos lo siguiente:

Masa Atmica% de Abundancia

U-234234.04109510.00550.012872

U-235235.0439280.721.692316

U-238238.05078899.2745236.323729

238.028917

Por lo tanto el peso atmico promedio ser de: 238. 028917 uma

238.03 es el nmero usado como el peso qumico elemental del uranio natural.

2.18.- LAS FUERZAS NUCLEARES

Se hizo notar anteriormente que los electrones estn en su rbita porque hay atraccin de los protones cargados positivamente en el ncleo. Esto se dijo cuando se habl de que las cargas opuestas se atraen y que las cargas iguales se repelen. Pero siendo esto verdad, surgen las preguntas: qu es lo que mantiene unidos a los protones que estn cargados positivamente dentro del ncleo?, por qu no se repelen unos a otros?. La respuesta es que ellos si se repelen. Entonces por qu el ncleo no se rompe?. La respuesta para esta pregunta es la clave para entender el desprendimiento de energa a travs del proceso de fisin.

Aunque las fuerzas de repulsin entre los protones en el ncleo son muy grandes, hay fuerzas compensadoras. Existe una fuerza gravitacional, que aunque es de pequea magnitud, existe entre las partculas del ncleo simplemente por sus masas. Esta fuerza ser aproximadamente de 2 X 10(30 dinas entre dos partculas que se encuentran en el ncleo.

Las fuerzas de repulsin debido a las cargas elctricas de los protones se reducen un poco si son separados. La fuerza de repulsin vara inversamente con el cuadrado de la distancia. Esto significa que si la distancia entre las partculas se duplica la fuerza se reduce por un factor de cuatro y si la distancia se triplica la fuerza se reduce por un factor de nueve, etc. Los neutrones en el ncleo separan a los protones y por lo tanto tienden a reducir las fuerzas de repulsin. La Figura 2.7 es una grfica del nmero de neutrones en el ncleo comparada con el nmero de protones para los nclidos estables. Hay que observar que conforme el nmero de protones aumenta, el nmero de neutrones aumenta mucho ms rpidamente.

FIGURA 2.7.- LOS ELEMENTOS QUIMICOS Y SUS ISOTOPOS

Esto es necesario para evitar que las fuerzas de repulsin desintegren el ncleo; los neutrones aadidos aumentan la separacin de los protones y por lo tanto reducen las fuerzas de repulsin lo suficiente como para permitir que la energa de enlace nuclear sostenga al ncleo unido.

La naturaleza exacta de la fuerza de enlace nuclear no se conoce. Lo que se sabe es que esta fuerza existe y que es bastante independiente del tipo del ncleo involucrado, esto quiere decir que la fuerza entre protn y protn, neutrn y neutrn y neutrn y protn es la misma para todos. De donde viene esta energa? Esto es desconocido, pero considere la formacin del ncleo compuesto ms simple; esto es el del deuterio. De la Tabla de Nclidos se lee que la masa del protn es de 1.007276 uma y la masa del neutrn 1.008665 uma. La masa del deutern sera entonces: 1.007726 + 1.008665 = 2.015941 uma. La masa que se encuentra en la Tabla de Nclidos para el deutern es de 2.01355 esto nos dice que la masa del deutern es menor que la masa de sus partes constitutivas por una cantidad de 0.002391 uma.

Este defecto de masa se ha convertido en energa y es la energa que mantiene juntos al neutrn y al protn en el ncleo. Esta cantidad de energa (2.2272 MeV; este valor proviene de la relacin AE = (( m)c2 es muy fcil de recordar la conversin: 931.5 MeV = uma ) se cede en la formacin de un deutern y si usted est interesado en causar rompimiento del deutern necesitar suministrar 2.2272 MeV de energa de enlace.

La Figura 2.8 es una grfica de la energa de ligadura o la energa de enlace por nuclen comparada con el nmero de masa. La energa pico es de aproximadamente 8.7 MeV con un nmero de masa de 60. Debe sealarse aqu que los valores graficados en la curva son el promedio de la energa de enlace por nuclen. Arriba de un nmero de masa de aproximadamente 20 la energas de enlace permanecen practicamente constantes, pero decrece ligeramente de 60 para arriba. Esta disminucin aunada al incremento de las fuerzas de repulsin asociado con el aumento del nmero de protones en el ncleo conduce eventualmente a la inestabilidad de los ncleos en los tomos ms pesados.

Al fisionarse un tomo de U-235 un neutrn entra al ncleo U-235 y el tomo se fisiona tpicamente en un tomo de masa 90 otro de masa 140 y dos neutrones. Los productos de fisin no siempre son de estas masas pero son casos tpicos. De la Figura 2.8 la energa de enlace por nuclen es aproximadamente de 8.5 MeV para masas de 90; de 8.3 MeV para masas de 140 y de 7.4 MeV para masas de 235; por lo tanto la energa total de enlace de U-235 es de 1,739 MeV, y el total para los productos de fisin es de 1,927 MeV; la diferencia es de 188 MeV. Ya que la energa de enlace es energa cedida cuando el ncleo se forma, los 188 MeV se ceden por esta reaccin. La distribucin y porcin til de sta energa se discutir en una seccin posterior.

Refirindose nuevamente a la Figura 2.8, si fuera posible fisionar cualquier tomo, aquellos cuya masa estuviera arriba de 60 suministrara energa y aquellos cuya masa est abajo de 60 cedera la energa si se pudieran poner juntos; este proceso de ensamble es llamado fusin y es el objeto de varias investigaciones y proyectos de desarrollo en ste momento.

FIGURA 2.8.- ENERGIA DE ENLACE POR NUCLEON

EJERCICIO 8

1. Cul ser el defecto de masa y la energa de enlace, afectado por la formacin de un tomo de helio-4 ?

2. Si el U-235 se fisionara en dos tomos de masa 117 (no se preocupe por las partculas extra; son neutrones libres) cul sera la energa liberada por la fisin?

Smbolo qumico del elemento

Manual de EntrenamientoCurso de Seleccin para Ayudantes de Operacin1 de 26

_1002350373.unknown

_1002350654.doc

+

+

+

3 x 10-8 cm

10-13 cm

+

HIDROGENO 1H1

+

+

LITIO 3 Li 7

HELIO 2 He 4

CARBONO 6 C 12

+

+

+

+

+

+

_996655345.unknown

_1002351695.doc

K

L

K

+

+

+

K

H(O(H

+

+

+

+

+

+

+

_996655345.unknown

_1002350495.unknown

_1000296617.unknown

_1000542965.doc

90

80

70

60

50

40

30

100

20

10

0

NUMERO DE PROTONES (Z)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

NUMERO DE NEUTRONES

_996655345.unknown

_1000551647.doc

OH

OH

R

OH

a) Resina catinica

con tomos de hidrgeno asociado

b) Resina aninica

con el radical oxhidrilo asociado

H

H

H

R

_996655345.unknown

_1000550640.doc

2He4

3Li6

2He3

1H2

10

9

8

7

6

5

4

3

11

2

1

0

ENERGIA DE ENLACE PROMEDIO POR NUCLEON , MeV

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

NUMERO DE MASA (A)

5B10

36Kr82

46Pd119

78Pt196

92U238

_996655345.unknown

_1000536986.doc

Salida de resina

Cama de resina

Salida de agua

Tanque

desmineralizador

Rejilla de salida

Rejilla de entrada

Entrada de resina

Entrada de agua

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_1000287196.unknown