El origen de los
elementos
Química Inorgánica
Dr. Víctor Manuel Ugalde Saldívar
Semanas 1 y 2
ESTRELLA
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.
PULSARES
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.
CURIOSIDADES
•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).
¿Año luz?
DEFINICIÓN
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.
Temperatura
Superficial
promedio
22,200
10,000
13,900
5,500
6,600
3,800
1,700
H2, He
TiO
H2 +He
H2, He
Ca
H2 +He
H2 +He
H2, He
Ca
Temperatura (°C)
En el centro de una estrella promedio T= 22,000,000
H2, He
Ca, Fe
TP
DESARROLLO DE LOS SISTEMAS
PLANETARIOS
ORIGEN
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.
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
0
Protón
1
1
0
-1
1
1
p
1.00728
e
0.000549
H
1.007825
99.985
Hidrógeno-2
2
1
H
2.0140
0.015
Helio-3
3
2
He
3.01605
0.00013
Helio-4
4
2
6
3
7
3
He
4.0026
100
Li
6.01512
7.42
Li
7.01600
92.58
Electrón
Hidrógeno-1
Litio-6
Litio-7
n
1.00867
Núclido
Berilio-9
Boro-10
Boro-11
Carbono-12
Símbolo
9
4
% abundancia
9.01218
100
B
10.0129
19.78
B
11.0931
80.22
C
12.0000
98.89
C
13.00335
1.11
Be
10
5
11
5
12
6
Masa atómica
(uma)
Carbono-13
13
6
Nitrógeno-14
14
7
N
14.00307
99.63
Nitrógeno-15
15
7
N
15.00011
0.37
Oxígeno-16
16
8
O
15.99491
99.759
Oxígeno-17
17
8
O
16.99914
0.037
Oxígeno-18
18
8
O
17.99916
0.204
¿Qué es el uma?
Unidad de masa atómica (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
¿Cuál es la masa atómica
promedio del oxígeno en
uma?
MASA ATÓMICA PROMEDIO
Isótopos más abundantes del oxígeno
Isótopo
Símbolo
Masa (uma)
% abundancia
Oxígeno-16
16
8
O
15.99491
99.759
Oxígeno-17
17
8
18
8
O
16.99914
0.037
O
17.99916
0.204
Oxígeno-18
Si logramos contar 100,000 átomos de oxígeno
99,759 serían de oxígeno-16
37 serían de oxígeno-17
204 serían de oxígeno-18
CÁLCULOS
MM
O2
2
 99759


16
8
MM
O2
2
O2
O
 2 0 . 99759
O


100000
17
8
O
 99 . 759 15 . 99491   0 . 037 16 . 99912

100

16
8
MM
15 . 99491   37 16 . 99912    204 17 . 99911  
17
8
O
18
8
 2 (15 . 9986 )
O
  0 . 204 17 . 99911  


18
8
 2 (15 . 9986 )
O
15 . 99491   0 . 00037 16 . 99912   0 . 00204 17 . 99911   2 (15 . 9986
)
Estructura de la materia
El núcleo atómico
EJERCICIO
NOMBRE
MOLIBDENO
Símbolo
Mo
Período
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)
RECORDAR ES VIVIR
Núclido
Neutrón
Símbolo
1
0
n
Protón
Masa
atómica
(uma)
1.00867
1.00728
1
1
p
Electrón
0.000549
0
-1
e
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)
REACCIONES NUCLEARES
DECAIMIENTO
RADIACTIVO
TRANSMUTACIÓN
NUCLEAR
Emisión de radiación para
ganar estabilidad
Bombardeo de un núcleo con
otro núcleo, neutrones o protones
para 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).
REFLEXIÓN
Núclido
Símbolo
Masa atómica
(uma)
Neutrón
1
0
n
1.00867
Protón
1
1
p
1.00728
Electrón
0
-1
e
0.000549
suma
2.016509
% abundancia
Hidrógeno-1
1
1
H
1.007825
99.985
Hidrógeno-2
2
1
H
2.0140
0.015
mH-2 - m suma = 0.002509 uma
¿Qué pasó entonces?
mH-2 - m suma = 0.002509 uma
bendito Einstein
E = mc2
ENERGÍA DE AMARRE
La formación de 1 mol de deuterio libera
 1.660x10 -27 kg  
E  0.002509 uma 
  2.9979x10
1 uma


2
8
m
 6.023x10
s 
23
  2.24x10
Como para hervir 100,000 kg de agua
11
Joules
Radiación, propiedades
Tipo de radiación
Propiedad
a
b
g
positrón
Carga
2+
1-
0
1+
Masa (g)
6.64x10-24
9.11x10-28
0
-
Penetración
(relativa)
1
100
10,000
~50
He
e
Fotones E↑
-
Naturaleza
4
2
Positrones y electrones
p 
1
0
C 
11
5
1
1
11
6
1
1
81
37
Rb 
p 
0
-1
0
-1
n 
0
1
B 
e 
e
0
1
1
0
e
n
e (electrón de orbital) 
81
36
Kr
Positrones y electrones
1
1
1
1
p 
p 
1
1
p 
0
-1
1
0
1
0
n 
n 
0
-1
e 
0
1
e 
0
1
0
1
e
e  
1
0
n
e  g
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
10
5
B 
10
5
B 
1
0
1
0
n 
n 
7
3
7
3
Li 
Li 
4
2
4
2
α
He
Contador Geiger (detección indirecta de partículas a a partir de neutrones)
REACCIONES NUCLEARES
14
6
C 
14
7
N 
0
-1
e
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
I 
131
54
I 
131
54
131
53
131
53
Xe 
0
-1
Xe 
0
-1
e
β
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
60
27
Co 
60
28
Ni 
0
-1
60
27
Co 
60
28
e 
0
0
γ
Ni 
0
-1
β 
0
0
γ
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. .
REACCIONES NUCLEARES
Bomba atómica
235
92
U 
1
0
n 
Te 
137
52
Zr  2 n
97
40
1
0
Reactores nucleares
235
92
U 
1
0
n 
142
56
Ba 
Kr  3 n
91
36
1
0
Control de la reacción en cadena
113
48
Cd 
1
0
n 
114
48
Cd 
0
0
γ
EJERCICIOS
238
92
234
91
Th 
Pa  X 2 
0
-1
X1
β
Bi 
210
84
Po 
Po 
206
82
Pb  X 4
210
83
210
84
U 
234
90
X3
Isótopos usados en medicina
http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0504-01/isotopos.html
ISÓTOPO
APLICACIONES
60Co
Es 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.
131I
El 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.
123I
Es una fuente intensa de rayos gamma que no emite partículas beta dañinas; muy eficaz
para obtener imágenes de la glándulas tiroideas.
99Tc
Emisor 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
Aplicaciones de los isótopos radiactivos
http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html
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.
Algunos radioisótopos utilizados en medicina
http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Aplicaciones.html
Arsénico-74
Astato-211
Bismuto-206
Cobre-64
Estroncio-90
Europio-152
Radio-226
Radón-222
Sodio-24
Boro-10
Arsénico-35
Tantalio-182
Boro-11
Hierro-55
Tecnecio-99
Bromo-82
Carbono-14
Cerio-144
Cesio-137
Fierro-59
Fósforo-32
Itrio-90
Litio-6
Tulio-170
Xenón-133
Yodo-131
Yodo-132
Cromo-51
Cobalto-60
Litio-7
Nitrógeno-15
Oro-198
Exploraciones diagnósticas del Servicio de Medicina Nuclear
•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.
TALIO
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.
Remontando el tiempo: la datación
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.
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.
El futuro
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.
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