Reacciones Quimicas, Monografia 4t6148

QUIMICA

Introducción

La química nuclear es una rama de la química la cual estudia las reacciones de desintegración o transformación de los núcleos radioactivos. Los dos tipos más comunes de desintegración radioactiva se caracterizan por la emisión de partículas alfa y beta. La química nuclear se basa en la energía nuclear esta energía es liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares que superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos químicos, que sólo implican las regiones externas del átomo. ANTECEDENTES La era nuclear comenzó en 1896, con el casual descubrimiento de Becquerel sobre la naturaleza radioactiva del uranio. La laboriosa investigación que siguió, particularmente la de Rutherford, condujo al concepto revolucionario de que la radioactividad es un efecto nuclear. Algunos núcleos atómicos representan un cambio repentino y espontáneo, liberando partículas energéticas cargadas que van acompañadas por energía radiante en forma de penetrantes rayos gamma. Como resultado de la emisión espontánea de partículas cargadas, los núcleos radioactivos se desintegran o transforman en núcleos de diferentes elementos La energía nuclear puede liberarse en dos formas diferentes: por fisión de un núcleo pesado o por fusión de dos núcleos ligeros. En ambos casos se libera energía porque los productos tienen una energía de enlace mayor que los reactivos. Las reacciones de fusión son difíciles de mantener porque los núcleos se repelen entre sí, pero a diferencia de la fisión no generan productos radiactivos.

Los científicos nucleares han aprendido que existen dos modelos con respecto a la estabilidad del núcleo en relación con la desintegración radioactiva. Agrupan los núcleos basándose en que tengan un número par o impar de protones y neutrones. 1

QUIMICA Cuando se consideran todos lo isótopos no radioactivos de os elementos, se observa que son considerablemente mas abundantes los que tienen un numero par de protones y neutrones. De aproximadamente igual abundancia son los isótopos cuyos núcleos tienen un numero par de protones y un numero impar de neutrones y aquellos que tienen un numero impar de protones pero un numero par de neutrones. Los isótopos estables menos abundantes son los núcleos que tienen un numero impar de protones y neutrones; hay solo 9 de estos núcleos estables impar-impar entre los 300 isótopos estables conocidos. La estabilidad nuclear parece ser mayor cuando el numero de neutrones es igual o un poco mayor que el numero de protones. Para un núcleo que se encuentra fuera de la zona de estabilidad, la desintegración radioactiva conduce a un cambio en la relación neutres/protones, que le acerca a la zona de estabilidad. Varias desintegraciones radioactivas se producen antes de que la relación neutrones/protones alcance un valor en la zona de estabilidad.

NATURALEZA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

La humanidad ha utilizado desde el principio de su existencia reacciones químicas para producir energía. En primer lugar mediante la combustión de madera o de carbón, pasando por las que tienen lugar en los motores de explosión de los coches y 2

QUIMICA llegando hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de propulsión de las naves espaciales. Las reacciones químicas van acompañadas en unos casos de un desprendimiento y en otros de una absorción de energía, pero ¿de dónde procede esta energía? Cada átomo y cada molécula de una sustancia posee una determinada energía química o energía interna característica, que depende de las energías cinética y potencial de las partículas constituyentes: átomos, electrones y núcleos. Por tanto, se puede afirmar que los reactivos de una reacción química poseen un determinado contenido energético propio (energía interna) y los productos otro diferente. Si en una reacción química disminuye la energía interna del sistema, se desprende energía. Si, por el contrario, aumenta la energía interna, se absorbe energía. La energía de una reacción es la energía que se pone en juego en la reacción y, por tanto, es igual al balance de energía interna entre los productos y los reactivos. Si existe desprendimiento de energía, la reacción se denomina exoenergética y, por el contrario, si para que se efectúe la reacción, se requiere el aporte de energía, la reacción se llama endoenergética. La energía desprendida o absorbida puede ser en forma de energía luminosa, eléctrica, etc, pero habitualmente se manifiesta en forma de calor, por lo que el calor desprendido o absorbido en una reacción química, se llama calor de reacción y tiene un valor característico para cada reacción, en unas determinadas condiciones da presión y temperatura. Las reacciones químicas pueden entonces clasificarse en: exotérmicas o endotérmicas, según se dé desprendimiento o absorción de calor. TIPO DE REACCIONES QUÍMICAS Modernamente, desde un criterio basado en la naturaleza de las reacciones éstas se clasifican en dos grandes grupos: a) Reacciones ácido-base. b) Reacciones de oxidación-reducción. a) Reacciones ácido-base, en donde: La reacción de un ácido con una base se denomina reacción de neutralización, y es una reacción de transferencia de protones. Por ejemplo: 3

QUIMICA 2HCl±Ca (OH)2 CaCl2+2H2O Y se afirma que la reacción de neutralización entre un ácido y una base es una reacción de formación de sal más agua. b) Reacciones de oxidación-reducción: En un principio se definió oxidación como toda reacción de combinación de cualquier sustancia con el oxígeno, y reducción como la reacción inversa, de pérdida de oxígeno de una sustancia.

Actualmente se considera que Oxidación es un proceso de pérdida de electrones y Reducción es el proceso inverso de ganancia de electrones. De forma que: Cu —> Cu2~ ± 2 e es una oxidación 2 Ag~ + 2 e —> 2 Ag es una reducción Ambos procesos no existen de forma independiente, de forma que todo proceso de oxidación va unido necesariamente a otro de reducción. Una reacción de oxidaciónreducción es una reacción en la que hay transferencia de electrones desde la sustancia que se oxida a la que se reduce. De esta forma se tendrá que: Cu + 2 Ag~ —> Cu2~ + 2 Ag Puesto que los cationes deben ir acompañados de un anión, se podrá escribir dicha reacción de la siguiente forma: Cu±2AgC1 —> CuCl2+2Ag

Reacciones de síntesis Son las reacciones en la que unos reactivos se combinan para dar lugar a un nuevo producto. De forma genérica se pueden representar mediante: 4

QUIMICA A+B -> C donde el reactivo A se combina con el B para producir C.

Reacciones de descomposición Dentro de estas reacciones existen dos clases de descomposiciones: a) Descomposiciones simples Este es un tipo de reacción química inverso al de síntesis, en donde una sustancia reaccionante se descompone en dos o más productos. Genéricamente estas reacciones se pueden representar mediante: A -> B±C donde la sustancia A da origen a los productos B y C. b) Descomposiciones mediante un reactivo En este caso, para que se efectúe la descomposición de una sustancia, se requiere el concurso de otro reactivo, y se pueden representar mediante: AB + C —* AC + BC donde la sustancia AB es transformada mediante C en otras dos distintas, ACyBC.

Reacciones de sustitución o desplazamiento En este tipo de reacciones un elemento o grupo de elementos que forman parte de un compuesto son desplazados por otro compuesto, y se pueden representar por: AB + C —> AC + B que indica que el compuesto de fórmula AB reacciona con C para formar el compuesto AC y dejar libre B.

Reacciones de doble sustitución 5

QUIMICA En estas reacciones se da un intercambio entre los elementos o grupos de elementos de las sustancias que intervienen en la reacción, y se pueden representar mediante:

Estabilidad Nuclear La radiactividad es un proceso estrictamente nuclear, es un proceso de desintegración espontánea del núcleo. La estabilidad nuclear es el equilibrio entre las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones y la fuerza atractiva nuclear de corto alcance, que experimentan los protones y neutrones del núcleo. La relación entre el número de protones (Z) y neutrones(N) es por lo tanto clave para la estabilidad del núcleo. Para los núcleos ligeros N es aproximadamente igual a Z, es decir la relación entre N y Z es 1 (N / Z =1), por lo que son estables. Para los núcleos pesados la estabilidad se consigue con mayor número de neutrones y la relación entre N y Z puede llegar a ser de hasta 1.56 (N / Z=1.56) , desviándose del valor 1 en el que el núcleo es estable. Este comportamiento de los diferentes núcleos está representado en la gráfica. La estabilidad nuclear está relacionada con la cantidad relativa de protones y neutrones que pose un núcleo. Aquellas especies con Z par son más numerosas que las de Z impar. Los puntos negros son los isótopos estables y la franja ascendente es la franja de estabilidad nuclear. Observe que para Z>20, los que son estables tienen más neutrones que protones. Para un elemento dado, en la parte central están los isótopos estables y hacia arriba y hacia abajo los isótopos radiactivos. Si un núcleo con Z protones tiene exceso o deficiencia de neutrones es inestable. La línea recta (Z=N) es la condición ideal de estabilidad. ¿Porque los protones no se repelen entre sí, desintegrando el núcleo? En el núcleo no operan las fuerzas de atracción y repulsión coulombicas que se usan para explicar las interacciones entre iones positivos y negativos. En el núcleo operan las interacciones fuertes, que son unas 100 veces mayores que las coulombicas y que operan sólo en distancias extremadamente cortas al interior del núcleo. Existen algunas regularidades que definen a los isotopos estables si los valores de Z y N son pares o impares: a) Los isotopos estables con Z par son más numerosos que los isotopos con Z impar. b) El 60% de los núclidos estables tienen Z y N par. c) Son estables sólo 4 núclidos con Z y N impar. d) Son núclidos extremadamente estables los que poseen Z o N: 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126. A estos números se les conoce como "números mágicos".

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QUIMICA Radiactividad La radiactividad o radioactividad es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Debido a esa capacidad se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, que son capaces de transformarse en núcleos de elementos de otros átomos. La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables". Es decir que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtiéndose en plomo. Es aprovechada para la obtención de energía, usada en medicina (radioterapia y radiodiagnóstico) y en aplicaciones industriales (medidas de espesores y densidades entre otras). La radiactividad puede ser: 

Natural: manifestada por los isótopos que se encuentran en la naturaleza.



Artificial o inducida: manifestada transformaciones artificiales.

por

los

radioisótopos

producidos

en



Radiactividad natural En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.

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QUIMICA El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente al matrimonio Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas como el torio, polonio y radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que dedujo Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica. El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Se cree que la causa que lo origina es debida a la interacción neutrón-protón del mismo. Al estudiar la radiación emitida por el radio se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no. Pronto se vio que todas estas reacciones provenían del núcleo atómico que describió Rutherford en 1911, quien también demostró que las radiaciones emitidas por las sales de uranio eran capaces de ionizar el aire y de producir la descarga de cuerpos cargados eléctricamente. Con el uso del neutrino, partícula descrita en 1930 por Pauli pero no medida hasta 1956 por Clyde Cowan y sus colaboradores, consiguió describirse la radiación beta. En 1932 James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Wolfgang Pauli había predicho en 1930, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad neutrones.

Radiactividad artificial Se produce la radiactividad inducida cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas. Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado penetran dentro del núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente. Fue descubierta por los esposos Jean Frederick Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie, bombardeando núcleos de boro y aluminio con partículas alfa. Observaron que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas de bombardeo. En 1934 Fermi se encontraba en un experimento bombardeando núcleos de uranio con los neutrones recién descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron los experimentos de Fermi. Es más, en 1939 demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos era bario. Muy pronto confirmaron que era resultado de la división de los núcleos de uranio: la primera observación experimental de la fisión. En Francia, Jean Frédéric Joliot-Curie descubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena. También en 1932 Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno), describiendo poco después Hans Bethe el funcionamiento de las estrellas en base a este mecanismo. El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico y de las partículas subatómicas. Se abre la posibilidad de convertir 8

QUIMICA unos elementos en otros. Incluso el sueño de los alquimistas de transformar otros elementos en oro se hace realidad, aunque no resulte rentable.

Clases y componentes de radiación Clases de radiación ionizante y cómo detenerla. Las partículas alfa (núcleos de helio) se detienen al interponer una hoja de papel. Las partículas beta (electrones y positrones) no son capaces de atravesar una capa de aluminio. Sin embargo, los rayos gamma (fotones de alta energía) necesitan una barrera mucho más gruesa, pudiendo los más energéticos atravesar el plomo. Se comprobó que la radiación puede ser de tres clases diferentes: 1. Radiación alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Son muy energéticos. 2. Radiación beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un átomo expulsa una partícula beta aumenta o disminuye su número atómico una unidad (debido al protón ganado o perdido). 3. Radiación gamma: Son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlas. Las leyes de desintegración radiactiva, descritas por Soddy y Fajans, son: 

Cuando un átomo radiactivo emite una partícula alfa, la masa del átomo (A) resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico (Z) en 2.



Cuando un átomo radiactivo emite una partícula beta, el número atómico (Z) aumenta o disminuye en una unidad y la masa atómica (A) se mantiene constante.



Cuando un núcleo excitado emite radiación gamma no varía ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía hν (donde "h" es la constante de Planck y "ν" es la frecuencia de la radiación emitida).

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QUIMICA Causa de la radiactividad En general son radiactivas las sustancias que no presentan un balance correcto entre protones o neutrones, tal como muestra el gráfico al inicio del artículo. Cuando el número de neutrones es excesivo o demasiado pequeño respecto al número de protones se hace más difícil que la fuerza nuclear fuerte debida al efecto del intercambio de piones pueda mantenerlos unidos. Eventualmente el desequilibrio se corrige mediante la liberación del exceso de neutrones o protones, en forma de partículas α que son realmente núcleos de Helio, partículas ß que pueden ser electrones o positrones. Estas emisiones llevan a dos tipos de radiactividad mencionados: 

Radiación α, que aligera los núcleos atómicos en 4 unidades másicas, y cambia el número atómico en dos unidades.



Radiación ß, que no cambia la masa del núcleo, ya que implica la conversión de un protón en un neutrón o viceversa, y cambia el número atómico en una sola unidad (positiva o negativa, según la partícula emitida sea un electrón o un positrón).

La radiación por su parte se debe a que el núcleo pasa de un estado excitado de mayor energía a otro de menor energía, que puede seguir siendo inestable y dar lugar a la emisión de más radiación de tipo α, β o γ. La radiación γ es por tanto un tipo de radiación electromagnética muy penetrante ya que tiene una alta energía por fotón emitido.

Transmutación nuclear La transmutación es un término relacionado con la alquimia, física y química que consiste en la conversión de un elemento químico en otro. Desde los tiempos de la Alquimia se creía que esto era posible a base de reacciones químicas. Sobre todo desde que se conocía que la densidad del oro y el plomo eran muy semejantes (ver: Piedra filosofal). Desde el descubrimiento del átomo se sabe que esto no es posible químicamente. Las reacciones químicas afectan tan sólo a los electrones de la corteza. La transmutación implica la alteración de los núcleos atómicos, lo que es un proceso totalmente 10

QUIMICA diferente. Para cambiar un elemento en otro hay que modificar el número de protones que hay en el núcleo. El plomo tiene 82 protones y el oro 79. Así que para convertir el plomo en oro debe perder tres protones. No solo es teóricamente posible, también se ha hecho en la práctica; pero para hacerlo se necesita consumir mucha energía, tanta que el oro resultante es más caro que comprarlo en el mercado. Es decir, es posible, pero no es una fuente económica de conseguirlo. Sin embargo, dicho fenómeno aparece en la naturaleza de forma espontánea cuando ciertos elementos químicos e isótopos tienen núcleos inestables. En dichos elementos, se producen fenómenos de radiación (alpha y beta) y de fisión nuclear en donde los elementos van transmutándose en elementos de peso atómico inferior hasta que su núcleo se vuelve estable (normalmente en plomo). El fenómeno contrario, la transmutación en elementos de mayor peso atómico, se da también a altas temperaturas como las que se registran en el sol, denominándose a dicho proceso fusión nuclear.

FISIÓN NUCLEAR En 1934, un joven físico italiano, Enrico Fermi, bombardeo uranio con neutrones. Había conseguido retardarlos haciéndolos pasar a través de parafina. Ya antes había descubierto que esos neutrones lentos tienen mayor posibilidad de chocar y reaccionar con los núcleos que los neutrones de alta velocidad.. Tomemos en cuenta que no hay barrera repulsiva para el acercamiento de neutrones a un núcleo. Por tanto, no se requiere un mínimo de energía cinética para el bombardeo de neutrones. Las propiedades radioactivas de los productos de bombardeo a partir del uranio llevaron a Fermi a concluir, incorrectamente, que había creado un nuevo elemento (Z=93), y fijo su atención en otros problemas de investigación. En resumen la fisión nuclear consiste en la división de un núcleo atómico en dos fragmentos de tamaño similar.

FUSION NUCLEAR Mientras que la fisión nuclear se utiliza en la actualidad como fuente de energía nuclear, se espera que la fusión nuclear será una fuente ilimitada de energía nuclear. Las reacciones de fusión nuclear son potencialmente mayores fuentes de energía que 11

QUIMICA las reacciones de fisión. Se cree que la fusión nuclear es la fuente de energia del sol y otras estrellas. A diferencia de la fisión nuclear, la fusión nuclear requiere que se acerquen, lo suficiente para fusionarse, dos núcleos cargados positivamente y que por ello se repelen mutuamente. La probabilidad de una reacción de fusión, entonces, es muy pequeña, a menos que los núcleo s choquen con una energía enormemente alta. Una vez que comience la fusión nuclear, el calor de esta reacción termonuclear rinde la energía suficiente para su sostenimiento. Hasta ahora, los científicos han tenido éxitos muy limitados en el control de la fusión nuclear.

Aplicación de isótopos La primera utilización de los isótopos radiactivos con fines experimentales se realizó en Austria en 1913, justamente diez años después de la concesión del Premio Nobel a Henry Becquerel y Marie Curie por el descubrimiento de la Radiactividad. Fue concretamente el físico George Charles de Hevery quien utilizó un isótopo de plomo (Pb-210) para estudiar la solubilidad del sulfato y cromato de plomo. Con el invento del ciclotrón a principios de la década de los treinta y el posterior desarrollo de los reactores nucleares en la década de los cincuenta comienza la fabricación industrial de isótopos radiactivos. Las aplicaciones de los isótopos radiactivos son múltiples y abarcan distintos campos como la industria, medicina e investigación. En cualquiera de estos campos se utilizan los isótopos para múltiples funciones tales como: Medida de caudales, prospecciones mineras, control de contaminación de aguas, elaboración de radiofármacos, estudios y análisis citológicos, investigación bioquímica, radiodiagnosis, tratamiento del cáncer, y otros muchos usos. Todas estas aplicaciones son muy beneficiosas para la humanidad, pero como cualquier otra actividad genera residuos que es necesario tratar y gestionar para preservar al hombre y al medio ambiente de las acciones perniciosas de las radiaciones.Gracias al uso de reactores nucleares hoy, en día es posible obtener importantes cantidades de material radiactivo a bajo costo. Es así como desde finales de los años 40, se produce una expansión en el empleo pacífico de diversos tipos de Isótopos Radiactivos en diversas áreas del quehacer científico y productivo del hombre. Estas áreas se pueden clasificar en: 12

QUIMICA Agricultura y Alimentación

a)

Control

de

Plagas.

Se sabe que algunos insectos pueden ser muy perjudiciales tanto para la calidad y productividad de cierto tipo de cosechas, como para la salud humana. En muchas regiones del planeta aún se les combate con la ayuda de gran variedad de productos químicos, muchos de ellos cuestionados o prohibidos por los efectos nocivos que producen en el organismo humano. Sin embargo, con la tecnología nuclear es posible aplicar la llamada "Técnica de los Insectos Estériles (TIE)", que consiste en suministrar altas emisiones de radiación ionizante a un cierto grupo de insectos machos mantenidos en laboratorio. Luego los machos estériles se dejan en libertad para facilitar su apareamiento con los insectos hembra. No se produce, por ende, la necesaria descendencia. De este modo, luego de sucesivas y rigurosas repeticiones del proceso, es posible controlar y disminuir su población en una determinada región geográfica. En Chile, se ha aplicado con éxito la técnica TIE para el control de la mosca de la fruta, lo que ha permitido la expansión de sus exportaciones agrícolas.

b)

Mutaciones.

La irradiación aplicada a semillas, después de importantes y rigurosos estudios, permite cambiar la información genética de ciertas variedades de plantas y vegetales de consumo humano. El objetivo de la técnica, es la obtención de nuevas variedades de especies con características particulares que permitan el aumento de su resistencia y productividad.

c)

Conservación

de

Alimentos.

En el mundo mueren cada año miles de personas como producto del hambre, por lo tanto, cada vez existe mayor preocupación por procurar un adecuado almacenamiento y mantención de los alimentos. Las radiaciones son utilizadas en muchos países para aumentar el período de conservación de muchos alimentos. Es importante señalar, que la técnica de irradiación no genera efectos secundarios en la salud humana, siendo capaz de reducir en forma considerable el número de organismos y microorganismos patógenos presentes en variados alimentos de consumo masivo. La irradiación de alimentos es aplicada en Chile en una planta de irradiación multipropósito ubicada en el Centro de Estudios Nucleares Lo Aguirre, con una demanda que obliga a su funcionamiento ininterrumpido durante los 365 días del año. 13

QUIMICA Hidrología Gracias al uso de las técnicas nucleares es posible desarrollar diversos estudios relacionados con recursos hídricos. En estudios de aguas superficiales es posible caracterizar y medir las corrientes de aguas lluvias y de nieve; caudales de ríos, fugas en embalses, lagos y canales y la dinámica de lagos y depósitos. En estudios de aguas subterráneas es posible medir los caudales de las napas, identificar el origen de las aguas subterráneas, su edad, velocidad, dirección, flujo, relación con aguas superficiales, conexiones entre acuíferos, porosidad y dispersión de acuíferos. Medicina

a)

Vacunas.

Se han elaborado radiovacunas para combatir enfermedades parasitarias del ganado y que afectan la producción pecuaria en general. Los animales sometidos al tratamiento soportan durante un período más prolongado el peligro de reinfección siempre latente en su medio natural.

b)

Medicina

Nuclear.

Se ha extendido con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico. En el diagnóstico se utilizan radiofármacos para diversos estudios de: 

Tiroides.



Hígado.



Riñón.



Metabolismo.



Circulación sanguínea.



Corazón.



Pulmón.



Trato gastrointestinales.

En terapia médica con las técnicas nucleares se puede combatir ciertos tipos de cáncer. Con frecuencia se utilizan tratamientos en base a irradiaciones con rayos gamma provenientes de fuentes de Cobalto-60, así como también, esferas internas 14

QUIMICA radiactivas, agujas e hilos de Cobalto radiactivo. Combinando el tratamiento con una adecuada y prematura detección del cáncer, se obtienen terapias con exitosos resultados.

c)

Radioinmunoanálisis.

Se trata de un método y procedimiento de gran sensibilidad utilizado para realizar mediciones de hormonas, enzimas, virus de la hepatitis, ciertas proteínas del suero, fármacos y variadas sustancias. El procedimiento consiste en tomar muestras de sangre del paciente, donde con posterioridad se añadirá algún radioisótopo específico, el cual permite obtener mediciones de gran precisión respecto de hormonas y otras sustancias de interés.

d)Radiofármacos. Se istra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite estudiar, mediante imágenes bidimensionales (centelleografía) o tridimensionales (tomografía), el estado de diversos órganos del cuerpo humano. De este modo se puede examinar el funcionamiento de la tiroides, el pulmón, el hígado y el riñón, así como el volumen y circulación sanguíneos. También, se utilizan radiofármacos como el Cromo - 51 para la exploración del bazo, el Selenio - 75 para el estudio del páncreas y el Cobalto - 57 para el diagnóstico de la anemia. Medio Ambiente En esta área se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis de diversos contaminantes del medio ambiente. La técnica más conocida recibe el nombre de Análisis por Activación Neutrónica, basado en los trabajos desarrollados en 1936 por el científico húngaro J.G. Hevesy, Premio Nobel de Química en 1944. La técnica consiste en irradiar una muestra, de tal forma, de obtener a posteriori los espectros gamma que ella emite, para finalmente procesar la información con ayuda computacional. La información espectral identifica los elementos presentes en la muestra y las concentraciones de los mismos. Una serie de estudios se han podido aplicar a diversos problemas de contaminación como las causadas por el bióxido de azufre, las descargas gaseosas a nivel del suelo, en derrames de petróleo, en desechos agrícolas, en contaminación de aguas y en el smog generado por las ciudades. Industria e Investigación

a)

Trazadores.

Se elaboran sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso. Luego se detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su emisión radiactiva, lo que permite investigar diversas variables propias del proceso. Entre otras variables, se 15

QUIMICA puede determinar caudales de fluidos, filtraciones, velocidades en tuberías, dinámica del transporte de materiales, cambios de fase de líquido a gas, velocidad de desgaste de materiales, etc...

b)

Instrumentación.

Son instrumentos radio isotópicos que permiten realizar mediciones sin o físico directo. Se utilizan indicadores de nivel, de espesor o bien de densidad.

c)

Imágenes.

Es posible obtener imágenes de piezas con su estructura interna utilizando radiografías en base a rayos gamma o bien con un flujo de neutrones. Estas imágenes reciben el nombre de Gammagrafía y Neutrografía respectivamente, y son de gran utilidad en la industria como método no destructivo de control de calidad. Con estos métodos se puede comprobar la calidad en soldaduras estructurales, en piezas metálicas fundidas, en piezas cerámicas, para análisis de humedad en materiales de construcción, etc...

d)

Datación.

Se emplean técnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones geológicas y arqueológicas. Una de las técnicas utiliza el Carbono-14, que consiste en determinar la cantidad de dicho isótopo contenida en un cuerpo orgánico. La radiactividad existente, debida a la presencia de Carbono-14, disminuye a la mitad cada 5730 años, por lo tanto, al medir con precisión su actividad se puede inferir la edad de la muestra.

e)

Investigación.

Utilizando haces de neutrones generados por reactores, es posible llevar a cabo diversas investigaciones en el campo de las ciencias de los materiales. Por ejemplo, se puede obtener información respecto de estructuras cristalinas, defectos en sólidos, estudios de monocristales, distribuciones y concentraciones de elementos livianos en función de la profundidad en sólidos, etc.. En el ámbito de la biología, la introducción de compuestos radiactivos marcados ha permitido observar las actividades biológicas hasta en sus más mínimos detalles, dando un gran impulso a los trabajos de carácter genético.

EFECTOS BIOLÓGICOS DE LA RADIACIÓN Para tratar este punto nos inmiscuiremos en una rama de la biología llamada radiobiología, que trata del estudio de la serie de procesos que se producen después de la absorción de la energía, por parte de los seres vivos, procedentes de las 16

QUIMICA radiaciones ionizantes, de los esfuerzos del organismo para compensar los efectos de esa absorción de energía y de las lesiones que se pueden producir en el organismo. Las dos grandes razones que han impulsado la investigación de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes son: Protección Radiológica: Poder utilizar esas radiaciones de forma segura en todas las aplicaciones médicas o industriales que las requieran. Radioterapia: Utilización de las radiaciones ionizantes principalmente en neoplasias, preservando al máximo los órganos críticos (tejido humano sano).

1.- Introducción histórica En 1.896 Henri Becquerel descubrió las propiedades perjudiciales de la radiactividad, tomando en cuenta las quemaduras que le produjo un frasco que contenía Ra226. Ese mismo año Clarence Madison Dally, se sometió a radiaciones que acabaron con su vida, era ayudante de Thomas Alva Edison, inventor del fluoroscopio.

Durante la exposición industrial realizada en 1.896 en Nueva York, Clarence Madison Dally expuso, reiteradamente, sus manos al experimento presentado por él, consistente en un equipo de rayos X, cuyo objetivo era observar las sombras en el esqueleto humano. Poco tiempo después las manos se le ulceraron, siéndole posteriormente amputadas. El cáncer contraído le fue progresando en su organismo y en 1.904 acabó con su vida. Fue la primer victima descrita por las radiaciones ionizantes. En 1927 Müller descubrió en la Drosophila mutaciones inducidas por las radiaciones X. Dos años más tarde Goldstein asociaría la alteración del desarrollo con la exposición a Radiaciones ionizantes. 17

QUIMICA Desde entonces se ha realizado numeroso estudios sobre las radiaciones ionizantes y sus efectos en el material biológico. Estudios epidemiológicos, como los resultados de las bombas de Hiroshima y Nagasaki, de niños irradiados intraútero, de adultos irradiados para el tratamiento de espondilitis anquilosante o bien para el carcinoma de tiroides, estudios en animales de diferentes especies y estudios in vitro, principalmente con DNA y linfocitos humanos, pudiendo haber demostrado el efecto mutagénico de las radiaciones ionizantes que al parecer es mayor in vitro que in vivo.

Efectos de la radiación sobre la población de Nagasaki

Rutherford descubrió que las emisiones radiactivas contienen al menos dos componentes: partículas alfa, que sólo penetran unas milésimas de centímetro, y partículas beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y de esta forma se descubrió que había un tercer componente, los rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta.

2.- Acción directa de la radiación sobre la materia viva

La lesión sobre la célula se realiza en el mismo sitio en que se absorbe la energía radiante y su explicación supone la aceptación de las llamadas teorías del impacto y del blanco. La teoría de acción directa supone que entre el sitio de la absorción y el lugar de la Lesión celular hay una distancia espacial (hasta 100) y un tiempo de hasta 10-5 seg. Durante el cual los llamados radicales libres interaccionan químicamente con las moléculas de trascendencia biológica de la célula. Los radicales libres nacen de la interacción radiaciones ionizantes-agua celular. En un primer momento hay una ionización del agua celular, que más tarde dará lugar a la formación de los citados radicales libres entre los que cabe citar como más importantes los siguientes OH, H, 18

QUIMICA H2O2, HO2. Estos radicales libres se caracterizan por su gran agresividad química y se acepta que hasta el 65% de la lesión celular causada por las radiaciones ionizantes se debe a los mismos.

Impacto. Se entiende como la ionización producida por los electrones que nacen en la interacción de la radiación electromagnética o bien de las partículas que directamente ionizan . Blanco. Se entiende como blanco aquella parte o partes de la célula cuya lesión es de máxima trascendencia para que la vida de la misma, o sea, que del impacto causado en una parte celular que no se considere como blanco puede no alterar la vida celular, mientras que si la interacción se realiza a nivel del blanco la vida celular puede afectarse notablemente.

Se basan en las siguientes consideraciones:    

La energía radiante es discontinua, es decir, de naturaleza quántica; esos cuantos portadores de energía son los fotones. La energía discontinua va a incidir sobre un medio también discontinuo como es el celular y sus componentes (núcleo, nucléolo, etc.) De la interacción entre ambas discontinuidades se observa que las leyes que las rigen no son las de causa/efecto sino la del puro azar y probabilidad. Hay que recurrir, por tanto a la ley de probabilidades.

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QUIMICA  

Como la radiación actúa por impactos las consecuencias serán distintas según que parte de los elementos celulares sean afectados. No todos los elementos constituyentes de la célula, tienen, biológicamente, la misma trascendencia, para la vida de la célula,; así pues, según donde se dé el impacto será afectada la vida celular en mayor o menor medida.

3.- Características de los efectos biológicos de las radiaciones

ionizantes 1. Aleatoriedad: La interacción de la radiación con las células es una función de probabilidad y tiene lugar al azar. Un fotón o partícula puede alcanzar a una célula o a otra, dañarla o no dañarla y si la daña puede ser en el núcleo o en el citoplasma. 2. Rápido depósito de energía: El depósito de energía a la célula ocurre en un tiempo muy corto, en fracciones de millonésimas de segundo. 3. No selectividad: La radiación no muestra predilección por ninguna parte o biomolécula, es decir, la interacción no es selectiva. 4. Inespecificidad lesiva: Las lesiones de las radiaciones ionizantes es siempre inespecífica o lo que es lo mismo esa lesión puede ser producida por otras causas físicas. 5. Latencia: Las alteraciones biológicas en una célula que resultan por la radiación no son inmediatas, tardan tiempo en hacerse visibles a esto se le llama "tiempo de latencia" y puede ser desde unos pocos minutos o muchos años, dependiendo de la dosis y tiempo de exposición.

4.- Tipos de efectos de la radiación sobre los seres vivos Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos se pueden clasificar desde distintos puntos de vista: Según el tiempo de aparición 

Precoces: Aparecen en minutos u horas después de haberse expuesto a la radiación, por ejemplo eritema cutáneo, náuseas.



Tardíos: Aparecen meses u años después de la exposición, por ejemplo cáncer radioinducido, radiodermitis crónica, mutaciones genéticas. 20

QUIMICA Desde el punto de vista biológico 

Efectos somáticos: Sólo se manifiestan en el individuo que ha sido sometido a la exposición de radiaciones ionizantes por ejemplo el eritema.



Efecto hereditario: No se manifiestan en el individuo que ha sido expuesto a la radiación, sino en su descendencia, ya que lesionan las células germinales del individuo expuesto, por ejemplo las mutaciones genéticas.

Según la dependencia de la dosis 

Efecto estocástico: Son efectos absolutamente aleatorios, probabilísticos; pudiendo aparecer tras la exposición a pequeñas dosis de radiación ionizante. No necesitan una dosis umbral determinada para producirse; si bien al aumentar la dosis aumenta la probabilidad de aparición de estos efectos, que suelen ser de tipo tardío. Se cree que el único efecto estocástico es el cáncer radio inducido y las mutaciones genéticas.



Efecto no estocástico: Se necesita una dosis umbral para producirlos, por debajo de la cual, la probabilidad de aparición de los mismos es muy baja. Suelen ser efectos precoces, por ejemplo el eritema cutáneo.

5.- Las normas internacionales de protección radiológica La toma de conciencia del peligro potencial que tiene la exposición excesiva a las radiaciones ionizantes llevó a las autoridades a fijar las normas reglamentarias para los límites de dosis. Estos límites corresponden a un riesgo suplementario aceptable respecto al riesgo natural.



Desde 1928, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR o ICRP en inglés) reúne médicos, físicos y biólogos de todos los países. Esta autoridad científica independiente emite recomendaciones en materia de protección radiológica, 21

QUIMICA aplicables a las reglamentaciones de cada Estado cuando se considera necesario por los mismos. 

La UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) reúne a científicos repesentantes de 21 naciones. Se creó en 1955 en el seno de la ONU para reunir el máximo de datos sobre los niveles de exposición debidos a las diversas fuentes de radiaciones ionizantes y sus consecuencias biológicas, sanitarias y medioambientales. Constituye un balance regular de estos datos, pero igualmente una evaluación de los efectos estudiando los resultados experimentales, la estimación de las dosis y los datos humanos.

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El OIEA edita periódicamente normas de seguridad y protección radiológica aplicable a las industrias y prácticas que utilizan radiaciones, utilizando las últimas recomendaciones de los organismos científicos (como la CIPR o la UNSCEAR). Esas normas no son de obligado cumplimiento para los países miembro del organismo a no ser que soliciten la asistencia del propio organismo. Sin embargo, en gran medida se utilizan como base para elaborar la legislación de la mayor parte de los estados.

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A nivel europeo, la Unión Europea utiliza estas recomendaciones en sus propias normas o directivas.

Las normas legales de protección radiológica a día de hoy utilizan: 1. Un límite de dosis efectiva de 1 mSv/año para la población general y de 100 mSv de promedio en 5 años para las personas dedicadas a trabajos que implican una exposición radiactiva (industria nuclear, radiología médica), con un máximo de 50 mSv en un único año; 2. Un límite de dosis equivalente (órgano) de 150 mSv para el cristalino (ojo) y 500 mSv para la piel y las manos.

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