El origen de los elementos Química Inorgánica Dr. Víctor Manuel Ugalde Saldívar

El origen de los elementos

Química Inorgánica

Dr. Víctor Manuel Ugalde Saldívar

Semanas 1 y 2

Cuerpo celeste compuesto de gases calientes que emiten radiación electromagnética, en especial luz, como resultado de las reacciones nucleares que tienen lugar en su interior.

ESTRELLA

Los indicios sugieren que los púlsares son estrellas de neutrones que giran con diámetros de sólo unos 16 km. Es probable que giren una vez por periodo de vibración. Su densidad es tan enorme que si la bola de la punta de un bolígrafo tuviera una densidad semejante su masa alcanzaría más de 91 000 toneladas.

PULSARES

•La Vía Láctea, tiene cientos de miles de millones de estrellas. Solamente de 8 a 10 millones son observables.

•Existen cientos de millones de galaxias diferentes a la Vía Láctea

•Las estrellas se componen principalmente de hidrógeno y helio, con cantidades variables de elementos más pesados.

•La estrella Alpha Centauri es la más cercana a la Tierra (4.29 años luz).

CURIOSIDADES

¿Año luz?

Año luz, unidad de longitud empleada en astronomía para medir grandes distancias. Es igual a la distancia recorrida por la luz en un año solar medio. Tomando para la velocidad de la luz un valor de 300 000 km/s, un año luz equivale en números redondos a 9 461 000 000 000 km.

DEFINICIÓN

Temperatura (°C)

H2 +He

H2 +He

H2 +He

H2, HeCa

H2, HeCa

H2, HeCa, Fe

H2, HeTiO

En el centro de una estrella promedio T= 22,000,000

22,20013,900

10,0006,600

5,5003,800

1,700TemperaturaSuperficialpromedio

TP

DESARROLLO DE LOS SISTEMASPLANETARIOS

Los sistemas planetarios se formaron a partir del hidrógeno y helio iniciales producidos en la Gran Explosión o Big Bang que dio origen al Universo y son en su totalidad sistemas de segunda generación (o posterior), formados a partir de los restos de estrellas de generaciones anteriores en las que se generaron mediante nucleosíntesis elementos pesados que más tarde se dispersaron en el espacio por explosiones estelares.

ORIGEN

El origen de los planetas

Cerca de una estrella joven, el material más ligero del disco (fundamentalmente hidrógeno y helio gaseosos) sale despedido debido al calor de la estrella. El material que queda está compuesto por miles de millones de pequeños granos de polvo que colisionan y se agrupan formando partículas mayores. Cuando la estrella empieza a brillar (convirtiendo hidrógeno en helio por fusión nuclear en su interior), las partículas de materia pueden tener unos cuantos milímetros de tamaño, y se empiezan a concentrar en un disco más fino alrededor de la estrella.

El proceso de acreción —la acumulación de partículas que se van quedando ‘pegadas’— avanza hasta que los granos de polvo originales se han convertido en pedazos de roca de aproximadamente 1 km de anchura, similares a los numerosos asteroides que orbitan en la actualidad en torno al Sol entre las órbitas de Marte y Júpiter

Cuando los pedazos de roca alcanzan este tamaño, empiezan a atraerse entre sí por gravedad de forma significativa, lo que los reúne en grupos que orbitan juntos alrededor de la estrella, chocando ocasionalmente entre sí. La gravedad agrupa más y más los pedazos, y los trozos más grandes (los que ejercen una mayor atracción gravitatoria) atraen cada vez más material, y crecen convirtiéndose en planetas y lunas.

Estructura de la materia

Elementos e isótopos

¿Qué identificas en cada imagen?

Dalton, propuso la teoría de que cada molécula está compuesta por un número definido de átomos. Postuló que todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí y diferentes de los átomos de cualquier otro elemento.

En esta imagen, obtenida con un microscopio electrónico de barrido (efecto tunel), pueden verse los átomos individuales dispuestos de forma uniforme en la superficie de un cristal de germanio. Si se colocaran uno junto a otro sobre una línea, 100 millones de estos átomos apenas cubrirían 1 centímetro.

Hidrógeno

¿Cómo los puedo diferenciar?

Espectrómetro de masas

Núclido Símbolo Masa atómica (uma)

% abundancia

Neutrón 1.00867

Protón 1.00728

Electrón 0.000549

Hidrógeno-1 1.007825 99.985

Hidrógeno-2 2.0140 0.015

Helio-3 3.01605 0.00013

Helio-4 4.0026 100

Litio-6 6.01512 7.42

Litio-7 7.01600 92.58

n10

p11

e01-

H11

H21

He32

He42

Li63

Li73

Núclido Símbolo Masa atómica (uma)

% abundancia

Berilio-9 9.01218 100

Boro-10 10.0129 19.78

Boro-11 11.0931 80.22

Carbono-12 12.0000 98.89

Carbono-13 13.00335 1.11

Nitrógeno-14 14.00307 99.63

Nitrógeno-15 15.00011 0.37

Oxígeno-16 15.99491 99.759

Oxígeno-17 16.99914 0.037

Oxígeno-18 17.99916 0.204

Be94

B105

B115

C126

C136

N147

O168

N157

O178

O188

¿Qué es el uma?

•Todas la masas atómicas son referidas a la masa del C-12. La masa atómica del 12C son 12 uma.

•Una uma es la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12.

•¿Cuánto vale una uma en Kg?

•R= 1.66056X10-27 Kg

Unidad de masa atómica (uma)

¿Cuál es la masa atómica promedio del oxígeno en

uma?

MASA ATÓMICA PROMEDIO

Isótopo Símbolo Masa (uma) % abundancia

Oxígeno-16 15.99491 99.759

Oxígeno-17 16.99914 0.037

Oxígeno-18 17.99916 0.204

O168

O178

O188

Isótopos más abundantes del oxígeno

Si logramos contar 100,000 átomos de oxígeno99,759 serían de oxígeno-16 37 serían de oxígeno-17 204 serían de oxígeno-18

CÁLCULOS

)9986.15(2

10000099911.1720499912.163799491.1599759

22

OMM

)9986.15(2

10099911.17204.099912.16037.099491.15759.99

22

OMM

)9986.15(299911.1700204.099912.1600037.099491.1599759.022 OMM

O168 O17

8 O188

O168 O17

8 O188

El núcleo atómico

Estructura de la materia

EJERCICIONOMBRE MOLIBDENO

Símbolo MoPeríodo 5

Grupo 6

Masa atómica (g) 95,94

Número atómico 42

Número de oxidación 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6

Estado de agregación Sólido

Estructura electrónica 2 - 8 - 18 - 13 -  1

Electronegatividad 1,8

Energía de 1º ionización (eV) 7,099

Isótopos (abundancia %) 92 (15,86)

94  (9,12)

95  (15,70)

96 (16,50)

97 (9,45)

98  (23,75)

100   (9,62)

Núclido Símbolo Masa atómica (uma)

Neutrón 1.00867

Protón 1.00728

Electrón 0.000549

NOMBRE MOLIBDENO

Símbolo Mo

Masa atómica (g) 95,94

Número atómico 42

Isótopos (abundancia %)

92 (15,86)

94  (9,12)

95  (15,70)

96 (16,50)

97 (9,45)

98  (23,75)

100   (9,62)

n10

p11

e01-

RECORDAR ES VIVIR

REACCIONES NUCLEARES

DECAIMIENTORADIACTIVO

TRANSMUTACIÓNNUCLEAR

Emisión de radiación paraganar estabilidad

Bombardeo de un núcleo conotro núcleo, neutrones o protonespara formar un núcleo diferente

REGLAS

a) El número de nucleones (protones más neutrones) en los productos y en los reactivos tiene que ser el mismo (conservación del número de masa).

b) El número total de protones en los productos y en los reactivos tiene que ser igual (conservación del número atómico).

Núclido Símbolo Masa atómica (uma)

% abundancia

Neutrón 1.00867

Protón 1.00728Electrón 0.000549

suma 2.016509

Hidrógeno-1 1.007825 99.985Hidrógeno-2 2.0140 0.015

n10

p11

e01-

H11

H21

mH-2 - m suma = 0.002509 uma

REFLEXIÓN

mH-2 - m suma = 0.002509 uma

bendito EinsteinE = mc2

ENERGÍA DE AMARRE

La formación de 1 mol de deuterio libera

Como para hervir 100,000 kg de agua

¿Qué pasó entonces?

Joules 2.24x106.023x10sm

2.9979x10uma 1

kg 1.660x10uma 0.002509E 1123

28

-27

Radiación, propiedades

Tipo de radiación

Propiedad positrón

Carga 2+ 1- 0 1+

Masa (g) 6.64x10-24 9.11x10-28 0 -

Penetración (relativa)

1 100 10,000 ~50

Naturaleza e Fotones E↑ -He42

Positrones y electrones

e n p 01

10

11

e B C 01

115

116

n e p 10

01-

11

Kr orbital) de(electrón e Rb 8136

01-

8137

Positrones y electrones

e n p 01

10

11

n e p 10

01-

11

e n p 01

10

11

e e 01

01-

ESTABILIDAD DE NÚCLEOS

Protones Neutrones# Núcleos

estables

impar impar 5

impar par 50

par impar 53

par par 157

NÚCLEOS ESTABLES

Representación gráfica del número de

neutrones en función del número de

protones

REACCIONES NUCLEARES

α Li n B 42

73

10

105

He Li n B 42

73

10

105

Contador Geiger (detección indirecta de partículas a partir de neutrones)

REACCIONES NUCLEARES

e N C 01-

147

146

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

El carbono-14 (14C) es un radioisótopo del carbono descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6

protones y 8 neutrones. Tiene una vida media de 5715 años y, debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, se emplea de forma

extensiva en la datación de especímenes orgánicos.

REACCIONES NUCLEARES

e Xe I 01-

13154

13153

β Xe I 01-

13154

13153

http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html

Ciertos tipos de cáncer se pueden tratar internamente con isótopos radiactivos, como el cáncer de tiroides, como el yodo se va a la glándula

tiroides, se trata con yoduro de sodio (NaI) que contenga iones de yoduros radiactivos provenientes del yodo-131 o del yodo-123. Allí la radiación

destruye a las células cancerosas sin afectar al resto del cuerpo.

REACCIONES NUCLEARES

γ e Ni Co 00

01-

6028

6027

http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html

Actualmente se usa el cobalto-60 para el tratamiento del cáncer porque emite una radiación con más energía que la que emite el radio y es más barato que este. En medicina se usa el tratamiento con cobalto-60 para detener ciertos tipos de cáncer con base en la capacidad que tienen los rayos gamma para

destruir tejidos cancerosos. .

γ β Ni Co 00

01-

6028

6027

REACCIONES NUCLEARES

n2 Zr Te n U 10

9740

13752

10

23592

n3 Kr Ba n U 10

9136

14256

10

23592

γ Cd n Cd 00

11448

10

11348

Bomba atómica

Reactores nucleares

Control de la reacción en cadena

EJERCICIOS

1234

9023892 X Th U

β X Pa 01-2

23491

3210

84210

83 X Po Bi

4206

82210

84 X Pb Po

Isótopos usados en medicinahttp://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/isotopos.html

ISÓTOPO APLICACIONES

60CoEs un emisor de rayos gamma; estos rayos se usan para destruir células cancerígenas. El haz de rayos gamma se dirige al centro del tumor para que no dañe a tejidos sanos.

131IEl paciente ingiere el I; este isótopo se usa para tratar el cáncer de tiroides. La glándula tiroidea absorbe el yodo, pero emite demasiada radiaciones beta y gamma.

123IEs una fuente intensa de rayos gamma que no emite partículas beta dañinas; muy eficaz para obtener imágenes de la glándulas tiroideas.

99TcEmisor de rayos gamma; se inyecta en el paciente y este isótopo se concentra en los huesos, de ahí que sea usado en radiodiagnóstico de huesos

Para el estudio de los desórdenes cerebrales se utiliza una tomografía de emisión de positrones conocida como PET. Se le administra al paciente una dosis de glucosa (C6H12O6)

que contenga una pequeña cantidad de carbono-11 (11C), que es radiactivo y emite positrones, luego se hace un barrido del cerebro para detectar los positrones emitidos por la glucosa radiactiva “marcada”. Se establecen las diferencias entre la glucosa inyectada y metabolizada por los cerebros normales y los anormales. Por ejemplo, con la técnica PET se ha encontrado que el cerebro de un esquizofrénico metaboliza alrededor de un 20 % de la glucosa que metaboliza un individuo normal.

Aplicaciones de los isótopos radiactivoshttp://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html

Arsénico-74 Cobre-64 Radio-226

Astato-211 Estroncio-90 Radón-222

Bismuto-206 Europio-152 Sodio-24

Boro-10 Arsénico-35 Tantalio-182

Boro-11 Hierro-55 Tecnecio-99

Bromo-82 Fierro-59 Tulio-170

Carbono-14 Fósforo-32 Xenón-133

Cerio-144 Itrio-90 Yodo-131

Cesio-137 Litio-6 Yodo-132

Cromo-51 Litio-7 Oro-198

Cobalto-60 Nitrógeno-15  

Algunos radioisótopos utilizados en medicinahttp://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html

•Gammagrafía (estática y/o dinámica).- Se emplea para la valoración funcional de determinados órganos como el riñón, corazón, pulmón, hígado y aparato digestivo. •Tomografía de fotón único (SPECT).- Se emplea para obtener una información más precisa de órganos como el corazón, la columna vertebral, la pelvis y sobre todo los estudios de cerebro. •Tomografía por emisión de positrones (PET).-Es empleada para diagnóstico de malignidad de tumores , como el nódulo pulmonar, páncreas, cerebro o de difícil diagnóstico como determinados casos de cáncer de mama, la búsqueda de primarios desconocidos o de segundos primarios.

•Densitometrías.- Es una prueba diagnóstica que mide el grado de mineralización del hueso y que se aplica tanto en el diagnóstico precoz de la osteoporosis, además permite determinar el componente graso y magro de un ser humano, parámetros muy útiles en el estudio de los pacientes con obesidad.

Exploraciones diagnósticas del Servicio de Medicina Nuclear

Hay que tener en cuenta que a diario se practican millones de pruebas que requieren el uso de material radiactivo. La vida media del talio es de unas 73 horas, aunque se ha comprobado que, incluso, 30 días después puede hacer saltar los detectores, unos dispositivos cada vez más sofisticados y sensibles debido a las nuevas y más estrictas medidas de seguridad que se han impuesto en todo el planeta a raíz de los ataques terroristas que se han sucedido en los últimos tiempos.

TALIO

El gas carbónico presente en la atmósfera contiene carbono 12 estable y una proporción muy reducida de carbono 14 radioactivo, de 5730 años de vida media, formado continuamente por la radiación cósmica.

Pintura rupestre de la gruta Cosquer, de 27.000 años.

Remontando el tiempo: la datación

Fisión nuclear

REACTORES

Diseño del reactor de fisión asistida por

acelerador Myrrha (2014)

Francia, La Haga o Marcoule http://www.ccr.jussieu.fr/radioactivite/espanol/indispensable.htm

75 % de la electricidad es producida con uranio

Fusión nuclear

La fusión de todos los núcleos de un kilogramo de una mezcla de deuterio y de tritio produciría tanta energía como la combustión de 10.000 toneladas de carbón.

La fusión termonuclear controlada es un reto tan importante para la humanidad que ha sido objeto del único programa de investigación que reúne a todos los países que han alcanzado un alto nivel de desarrollo científico y técnico: el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Un dispositivo supraconductor "Tore supra", construido en Cadarache (CEA) en el marco del programa EURATOM, estudia la fusión controlada por confinamiento magnético.

El confinamiento inercial consiste en contener la fusión mediante el empuje de partículas o de rayos láser proyectados contra una partìcula de combustible, que provocan su ignición instantánea.

El confinamiento magnético consiste en contener el material a fusionar en un campo magnético mientras se le hace alcanzar la temperatura y presión necesarias. El hidrógeno a estas temperaturas alcanza el estado de plasma.

El futuro