Química nuclear para niños
La química nuclear es una parte de la química que estudia la radiactividad y los procesos que ocurren en el núcleo de los átomos.
Esta rama de la química se enfoca en elementos que son radiactivos, como los actínidos, el radio y el radón. También estudia la química relacionada con equipos especiales, como los reactores nucleares, que se usan para llevar a cabo procesos nucleares. Esto incluye cómo los materiales se comportan en condiciones normales y en situaciones inesperadas, como durante un evento en una planta nuclear. Un aspecto importante es cómo se comportan los objetos y materiales después de ser guardados en lugares especiales para desechos.
La química nuclear también investiga los cambios químicos que ocurren cuando la radiación es absorbida por animales, plantas y otros materiales. La química de radiación es clave para entender la biología de radiación, ya que la radiación afecta a los seres vivos a nivel molecular. Esto significa que la radiación puede cambiar las sustancias químicas dentro de un organismo, lo que a su vez puede tener efectos biológicos. Gracias a esto, la química nuclear ha ayudado mucho a mejorar tratamientos médicos, como los que se usan para ciertas enfermedades.
Además, esta área de la química estudia cómo se producen y usan las fuentes radiactivas en diferentes procesos. Por ejemplo, se utilizan en tratamientos médicos, como radioterapia, y como trazadores radiactivos en la industria, la ciencia y el medio ambiente. También se usa la radiación para modificar materiales, como los polímeros.
La química nuclear también se aplica en áreas que no son radiactivas. Un ejemplo es la resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica que se usa mucho en la química para estudiar la estructura de las moléculas.
Contenido
¿Cómo se descubrió la química nuclear?
Después de que se descubrieron los rayos X, muchos científicos empezaron a investigar la radiación. Uno de ellos fue Henri Becquerel en Francia. Él descubrió que el uranio, sin ninguna fuente de energía externa, producía unos rayos que podían oscurecer las placas fotográficas. Así fue como se descubrió la radiactividad.
Marie Curie y su esposo Pierre Curie, trabajando en París, lograron aislar dos nuevos elementos radiactivos de un mineral de uranio: el polonio y el radio. Usaron métodos especiales para identificar la radiactividad después de cada separación química.
En 1901, se notó que grandes cantidades de radiación podían dañar a las personas. Henri Becquerel, por ejemplo, sufrió una quemadura por llevar una muestra de radio en su bolsillo. Este incidente impulsó la investigación sobre cómo la radiación afecta a los seres vivos, lo que llevó al desarrollo de tratamientos médicos.
El trabajo de Ernest Rutherford
Ernest Rutherford, quien trabajó en Canadá e Inglaterra, demostró que la desintegración radiactiva se puede describir con una fórmula sencilla. Esto significaba que cada sustancia radiactiva tiene una "vida media" característica, que es el tiempo que tarda en reducirse a la mitad su cantidad de radiactividad.
Rutherford también nombró a los tipos de desintegración radiactiva: alfa, beta y gamma. Además, supervisó un experimento muy importante, el experimento Geiger-Marsden (o experimento de la lámina de oro), que demostró que el modelo del átomo que se conocía hasta entonces estaba equivocado.
El experimento de Rutherford mostró que la carga positiva de un átomo está concentrada en un núcleo muy pequeño. Esto llevó al modelo de Rutherford y, más tarde, al modelo de Bohr del átomo, donde el núcleo positivo está rodeado por electrones negativos.
La radiactividad artificial
En 1934, la hija de Marie Curie, Irène Joliot-Curie, y su esposo fueron los primeros en crear radiactividad artificial. Lo hicieron bombardeando boro con partículas alfa para producir un tipo especial de nitrógeno que emitía positrones. También crearon otros elementos radiactivos bombardeando aluminio y magnesio con neutrones.
Áreas principales de la química nuclear
Radioquímica
La radioquímica es el estudio de los materiales radiactivos. En esta área, se usan isótopos radiactivos para entender las propiedades y reacciones químicas de los isótopos que no son radiactivos.
Química de radiación
La química de radiación estudia los efectos químicos que la radiación tiene sobre la materia. Es diferente de la radioquímica porque no es necesario que el material sea radiactivo para que la radiación lo modifique químicamente. Un ejemplo es cómo el agua puede convertirse en gas hidrógeno y peróxido de hidrógeno por efecto de la radiación.
Química para la energía nuclear
La radioquímica, la química de radiación y la ingeniería química nuclear son muy importantes en la producción de combustibles para la energía nuclear, desde la extracción de minerales como el uranio y el torio, hasta la fabricación del combustible, su uso en los reactores, el tratamiento y almacenamiento de los desechos radiactivos, y la vigilancia de la liberación de elementos radiactivos.
Estudio de las reacciones nucleares
Se combinan la radioquímica y la química de radiación para estudiar las reacciones nucleares, como la fisión (cuando un átomo se divide) y la fusión (cuando dos átomos se unen). Por ejemplo, la evidencia de la fisión nuclear se encontró al observar la formación de un isótopo radiactivo de bario a partir de uranio irradiado con neutrones.
El ciclo del combustible nuclear
Esta área se ocupa de la química relacionada con todas las etapas del ciclo nuclear del combustible. Esto incluye desde la extracción y procesamiento del mineral para producir el combustible, hasta su uso en un reactor y, finalmente, la gestión del combustible nuclear usado.
Reprocesamiento del combustible
El reprocesamiento es un proceso para recuperar materiales útiles del combustible nuclear usado. En algunos países, el combustible se usa una vez y luego se almacena. En otros, se reprocesa para reutilizar parte de él.
Química PUREX
El método más común para reprocesar el combustible nuclear usado se llama PUREX. Este proceso utiliza una mezcla de sustancias químicas para extraer el uranio y el plutonio del ácido nítrico donde se disuelve el combustible.
El proceso PUREX es muy efectivo para separar el uranio y el plutonio de otros productos de la fisión. Se realizan varias etapas de extracción para asegurar que los productos finales sean muy puros.
Nuevos métodos para el futuro
Se están investigando nuevos métodos para mejorar el reprocesamiento. Por ejemplo, el proceso UREX es una modificación del PUREX que evita la extracción de plutonio. Esto ayuda a reducir el volumen de los desechos nucleares y a reciclar el uranio.
Otros procesos, como TRUEX y DIAMEX, buscan remover otros elementos radiactivos de los desechos para hacerlos más seguros y fáciles de manejar. También se están desarrollando métodos para separar los lantánidos de los actínidos en los desechos, lo que permitiría reutilizar estos últimos.
Absorción de productos en superficies
Otra área importante es cómo los productos de la fisión se pegan a las superficies. Esto es clave para controlar cómo se liberan y se mueven los productos radiactivos de los contenedores de desechos o de los reactores en caso de un accidente. Por ejemplo, se ha visto que ciertos compuestos pueden formar una capa protectora en las superficies de acero, lo que ayuda a prevenir la corrosión y a retener los materiales radiactivos.
Áreas de trabajo y aplicaciones
Algunos métodos que se desarrollaron en la química nuclear se han vuelto tan comunes en otras ciencias que a veces se consideran áreas separadas.
Cinética (estudio de la velocidad de las reacciones)
Los científicos pueden investigar cómo ocurren las reacciones químicas observando cómo cambia su velocidad cuando se modifica un isótopo en una sustancia. Esto se conoce como efecto isotópico cinético y es una herramienta estándar en la química orgánica. Por ejemplo, si se reemplaza el hidrógeno normal por deuterio en una molécula, la velocidad de la reacción puede cambiar, lo que da pistas sobre qué enlaces se rompen durante el proceso.
Usos en geología, biología y ciencias forenses
Los isótopos cosmogénicos se forman por la interacción de los rayos cósmicos con los átomos. Se pueden usar para determinar la edad de objetos o como trazadores naturales. Además, al medir cuidadosamente ciertos isótopos, se puede obtener información sobre el origen de rocas, la dieta de una persona a partir de una muestra de cabello, o incluso la edad de muestras de hielo.
Biología
En los seres vivos, las etiquetas isotópicas (radiactivas o no) se usan para entender cómo el metabolismo de un organismo transforma una sustancia en otra. Por ejemplo, si se etiqueta el oxígeno del agua que usa una planta verde para la fotosíntesis, se puede ver que esa etiqueta aparece en el gas oxígeno que la planta libera, no en la glucosa que produce.
Para experimentos biológicos y médicos, varios isótopos son muy útiles:
- Los isótopos estables no emiten radiación, lo cual es una ventaja. Sin embargo, medirlos puede ser más difícil y a menudo requiere equipos especiales.
* El deuterio (H-2), un isótopo estable del hidrógeno, se usa como trazador y se incorpora en todas las estructuras celulares. * El nitrógeno-15 (N-15), otro isótopo estable, se usa comúnmente en proteínas.
- Los isótopos radiactivos se pueden detectar en cantidades muy pequeñas y son fáciles de medir. Muchos compuestos con átomos radiacticos se pueden preparar y están disponibles comercialmente. Sin embargo, requieren precauciones de seguridad debido a la radiación.
* El tritio (³H), un isótopo radiactivo del hidrógeno, se usa mucho y es fácil de preparar. Emite una radiación muy suave. * El carbono-11 (11C) se produce en un ciclotrón y se usa para crear agentes de escaneo en técnicas como la Tomografía por emisión de positrones (TEP). * El carbono-14 (14C) también se puede generar y se usa para estudiar compuestos orgánicos. * El flúor-18 (18F) se produce a partir de neón y se usa para imágenes médicas.
Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
La espectroscopia RMN utiliza las propiedades magnéticas del núcleo de los átomos para identificar moléculas. Es una herramienta muy común en la química sintética para determinar cómo están conectados los enlaces dentro de una molécula.
Los escáneres de RMN también se usan ampliamente en medicina para el diagnóstico. Pueden proporcionar imágenes detalladas del interior del cuerpo de una persona sin usar radiación. En el ámbito médico, a menudo se les llama simplemente "resonancia magnética" porque la palabra "nuclear" puede sonar un poco alarmante para algunas personas.
Libros de texto recomendados
- Handbook of Nuclear Chemistry: Un manual completo en seis volúmenes.
- Radioactivity Radionuclides Radiation: Un libro de texto.
- Radiochemistry and Nuclear Chemistry: Otro libro de texto completo.
- Radioactivity, Ionizing radiation and Nuclear Energy: Un libro de texto básico para estudiantes.
- The Radiochemical Manual: Una guía sobre la producción y uso de fuentes radiactivas.
Véase también
En inglés: Nuclear chemistry Facts for Kids
