Estos son ejercicios de tarea para acompañar el Mapa de texto creado para “Química: La ciencia central” por Brown et al. Se pueden encontrar bancos de preguntas de química general complementaria para otros mapas de texto y se puede acceder aquí . Además de estas preguntas disponibles públicamente, el acceso al banco privado de problemas para su uso en exámenes y tareas está disponible para los profesores solo de manera individual; comuníquese con Delmar Larsen para obtener una cuenta con permiso de acceso.
21.1: Radiactividad
Q21.1.1
¿Por qué muchas sustancias radiactivas están calientes al tacto? ¿Por qué brillan muchas sustancias radiactivas?
Q21.1.2
Describa las diferencias entre la radiación ionizante y no ionizante en términos de la intensidad de la energía emitida y el efecto que cada uno tiene en un átomo o molécula después de la colisión. ¿Qué reacciones de desintegración nuclear tienen más probabilidades de producir radiación ionizante? ¿radiación no ionizante?
Q21.1.3
¿Esperarías que la radiación ionizante o no ionizante sea más efectiva en el tratamiento del cáncer? ¿Por qué?
S21.1.3
La radiación ionizante es más alta en energía y causa un mayor daño tisular, por lo que es más probable que destruya las células cancerosas.
Q21.1.4
Históricamente, los refugios de hormigón se han utilizado para proteger a las personas de las explosiones nucleares. Comente sobre la efectividad de tales refugios.
Q21.1.5
Los rayos gamma son una radiación de muy alta energía, pero las partículas α causan más daño en el tejido biológico. ¿Por qué?
Q21.1.6
Enumere las tres fuentes principales de radiación natural. Explique los factores que influyen en la dosis que se recibe durante el año. ¿Cuál es el mayor contribuyente a la exposición general? ¿Cuál es el más peligroso?
S21.1.6
Tres radiaciones naturales primarias son el radio, el uranio y el torio, cada uno con una vida media larga. La inhalación de aire, la ingestión de alimentos y agua, la radación terrestre desde el suelo y la radiación cósmica desde el espacio son todos factores que influyen en los beneficios que recibe una persona durante todo el año. La inhalación del aire es el mayor contribuyente a la exposición. La radiación puede dañar el ADN o matar células. Cuando la radiación se expone a su cuerpo, colisionará con átomos y esto cambiará y dañará su ADN.
Q21.1.7
Debido a que el radón es un gas noble, es inerte y generalmente no reactivo. A pesar de esto, la exposición incluso a bajas concentraciones de radón en el aire es bastante peligrosa. Describa las consecuencias físicas de la exposición al gas radón. ¿Por qué las personas que fuman son más susceptibles a estos efectos?
Q21.1.8
La mayoría de las imágenes médicas utilizan isótopos que tienen vidas medias extremadamente cortas. Estos isótopos generalmente experimentan solo un tipo de reacción de desintegración nuclear. ¿Qué tipo de reacción de descomposición se usa generalmente? ¿Por qué? ¿Por qué sería preferible una vida media corta en estos casos?
La desintegración beta. El papel puede detener fácilmente la descomposición alfa, lo que significa que no se puede usar para ver el interior del cuerpo de las personas. Además, los rayos gamma son realmente peligrosos para los humanos, ya que incluso un breve período de tiempo que explote tendrá un efecto negativo en el cuerpo humano. Por lo tanto, la desintegración Beta es la elección perfecta. Se puede usar para ver a través del cuerpo humano y detenerse con aluminio u otros metales.
Dado que todas estas desintegraciones radiactivas son perjudiciales para el cuerpo humano, si el tiempo medio de estas reacciones es corto, el tiempo de explosión de estas reacciones también lo será.
Q21.1.9
¿Cuál preferirías: una exposición de 100 rem o 10 exposiciones de 10 rem cada una? Explica tu razonamiento.
S21.1.9
Diez exposiciones de 10 rem tienen menos probabilidades de causar daños importantes.
Q21.1.10
Una muestra de roca de 2,14 kg contiene 0,0985 g de uranio. Cuánta energía se emite durante 25 años si el 99.27% del uranio es 238 U, que tiene una vida media de 4.46 × 10 9 años, si cada evento de descomposición está acompañado por el lanzamiento de 4.039 MeV? Si un individuo de 180 lb absorbe toda la radiación emitida, ¿cuánta radiación se ha absorbido en los rads?
Q21.1.11
Hay una historia sobre un “boy scout radioactivo” que intentó convertir el torio-232, que aisló de unos 1000 mantos de linterna de gas, en uranio-233 bombardeando el torio con neutrones. Los neutrones se generaron bombardeando un objetivo de aluminio con partículas α de la descomposición del americio-241, que se aisló de 100 detectores de humo. Escriba reacciones nucleares equilibradas para estos procesos. El “boy scout radioactivo” pasó aproximadamente 2 h / día con su experimento durante 2 años. Suponiendo que la emisión alfa de americio tiene una energía de 5.24 MeV / partícula y que el americio-241 estaba sufriendo 3.5 × 10 6 descomposición / s, ¿cuál fue la exposición del explorador de 60.0 kg en rads? El científico intrépido aparentemente no mostró efectos negativos de esta exposición. ¿Por qué?
241/95 Am —> 4/2 He + 237 / 93Np —> 4 / 2He + 233 / 91Pa —-> 1 / 0n + 232 / 91Th —> 1/1 H + 233/92 U
Al agregar partículas alfa al lado de los productos de la reacción, pudo reducir el número de masa en 4 y el número atómico en 2 para obtener los productos que deseaba. Se requirió bombardeo con neutrones y 1 H para bajar al número de masa para obtener Th y luego elevar tanto el número de masa como el número atómico para producir uranio.
2 horas * 365 * 2 = 1460 horas de exposición. * 60min / 1hr * 60s / 1min = 5.26 * 10 ^ 6s de exposición
1MeV = (1.6022 * 10 ^ -13 Julios) * (5.24 MeV / partícula) * 2 partículas = 1.679 * 10 ^ -12 Julios.
(1.679 * 10 ^ -12 julios) * (1 amu / 1.4924 * 10 ^ -10 julios) = 2.51 * 10 ^ -13 amu
E = mc ^ 2
E = (2.51 * 10 ^ -13 amu) (1.66 * 10 ^ -22kg / amu) (2.9998 * 10 ^ 8m / s) ^ 2 = (3.75 * 10 ^ -18 kgm ^ 2 / s) * (3.5 * 10 ^ 6 caries / s) = 1.31 * 10 ^ -11 julios de exposición por segundo.
El científico no mostró efectos negativos de esta exposición porque si multiplicamos la energía en julios de exposición por segundo, 1.31 * 10 ^ -11, por la cantidad total de segundos de exposición, 5.26 * 10 ^ 6s, encontramos que solo era expuesto a 6.9 * 10 ^ -5 julios de radiación a lo largo de dos años. Esta es una cantidad muy pequeña de radiación durante un período de tiempo tan largo.
Para conectar los valores de esta ecuación, debemos convertir el MeV dado a Julios con la tasa de conversión conocida. Del mismo modo, debemos convertir los julios a amu con otra tasa de conversión conocida. Luego podemos insertar los valores y multiplicarlos por c ^ 2, pero no debemos olvidar multiplicar el amu por la tasa de conversión a kg para producir julios. Una vez hecho todo esto, multiplicamos la cantidad de julios de exposición por segundo por la cantidad total de exposición en segundos para determinar la cantidad total de exposición durante el período de dos años.
21.2: Patrones de estabilidad nuclear
Q21.2.1
¿Cómo se comparan las reacciones químicas con las reacciones nucleares con respecto a los cambios de masa? ¿Alguno de los tipos de reacción viola la ley de conservación de la masa? Explica tus respuestas.
Q21.2.2
¿Por qué la cantidad de energía liberada por una reacción nuclear es mucho mayor que la cantidad de energía liberada por una reacción química?
Q21.2.3
Explica por qué la masa de un átomo es menor que la suma de las masas de sus partículas componentes.
Q21.2.4
La estabilidad de un núcleo se puede describir utilizando dos valores. ¿Qué son y en qué se diferencian entre sí?
Q21.2.5
En los días previos a la verdadera química, los antiguos eruditos (alquimistas) intentaron encontrar la piedra filosofal, un material que les permitiera convertir el plomo en oro. ¿La conversión de Pb → Au es energéticamente favorable? Explica por qué o por qué no.
Q21.2.6
Describa la barrera energética para las reacciones de fusión nuclear y explique cómo se puede superar.
Q21.2.7
Imagina que el universo se está muriendo, las estrellas se han quemado y todos los elementos han sufrido fusión o descomposición radiactiva. ¿Cuál sería el elemento más abundante en este futuro universo? ¿Por qué?
Q21.2.8
Numerosos elementos pueden sufrir fisión, pero solo unos pocos pueden usarse como combustibles en un reactor. ¿Qué aspecto de la fisión nuclear permite que ocurra una reacción en cadena nuclear?
Q21.2.9
¿Cómo se relacionan las reacciones de transmutación y las reacciones de fusión? Describa el impedimento principal para las reacciones de fusión y sugiera una o dos formas de superar esta dificultad.
Q21.2.10
Usando la información provista en el Capítulo 33, complete cada reacción y calcule la cantidad de energía liberada de cada una en kilojulios.
- 238 Pa →? + β –
- 216 Fr →? + α
- 199 Bi →? + β +
Q21.2.22
Usando la información provista en el Capítulo 33, complete cada reacción y calcule la cantidad de energía liberada de cada una en kilojulios.
- 194 Tl →? + β +
- 171 Pt →? + α
- 214 Pb →? + β –
Q21.2.23
Usando la información proporcionada en el Capítulo 33, complete cada reacción y calcule la cantidad de energía liberada de cada una en kilojulios por mol.
-
(_ {91} ^ {234} textrm {Pa} rightarrow ,? + , _ {- 1} ^ 0 beta ) - (_ {88} ^ {226} textrm {Ra} rightarrow ,? + , _ 2 ^ 4 alpha )
Q21.2.24
Usando la información provista en el Capítulo 33, complete cada reacción y luego calcule la cantidad de energía liberada de cada una en kilojulios por mol.
- (_ {27} ^ {60} textrm {Co} rightarrow ,? + , _ {- 1} ^ 0 beta ) (La masa de cobalto-60 es 59.933817 amu.) [ 19459020]
- technicium-94 (masa = 93.909657 amu) sometido a fisión para producir cromo-52 y potasio-40
Q21.2.25
Utilizando la información provista en el Capítulo 33, prediga si cada reacción es favorable y la cantidad de energía liberada o requerida en megaelectronvoltios y kilojulios por mol.
- la desintegración beta del bismuto-208 (masa = 207.979742 amu)
- la formación de plomo-206 por desintegración alfa
Q21.2.26
Utilizando la información provista, prediga si cada reacción es favorable y la cantidad de energía liberada o requerida en megaelectronvoltios y kilojulios por mol.
- desintegración alfa del oxígeno-16
- desintegración alfa para producir cromo-52
Q21.2.27
Calcule la energía de unión nuclear total (en megaelectronvoltios) y la energía de unión por nucleón para 87 Sr si la masa medida de 87 Sr es 86.908877 amu.
- la masa calculada
- el defecto de masa
- la energía de unión nuclear
- la energía de unión nuclear por nucleón
Q21.2.30
La masa determinada experimentalmente de 29 S es 28,996610 uma. Encuentra cada uno de los siguientes.
- la masa calculada
- el defecto de masa
- la energía de unión nuclear
- la energía de unión nuclear por nucleón
Q21.2.31
Calcule la cantidad de energía liberada por la fisión inducida por neutrones de 235 U para dar 141 Ba, 92 Kr (masa = 91.926156 amu ) y tres neutrones. Informe su respuesta en electronvoltios por átomo y kilojulios por mol.
Q21.2.31
Calcule la cantidad de energía que libera la fisión inducida por neutrones de 235 U para dar 90 Sr, 143 Xe y tres neutrones. Informe su respuesta en electronvoltios por átomo y kilojulios por mol.
Q21.2.33
Calcule la cantidad de energía liberada o requerida por la fusión de helio-4 para producir el berilio-8 inestable (masa = 8.00530510 uma). Informe su respuesta en kilojulios por mol. ¿Esperas que esto sea una reacción espontánea?
Q21.2.34
Calcule la cantidad de energía liberada por la fusión de 6 Li y deuterio para dar dos núcleos de helio-4. Exprese su respuesta en electronvoltios por átomo y kilojulios por mol.
Q21.2.35
¿Cuánta energía libera la fusión de dos núcleos de deuterio para dar un núcleo de tritio y un protón? ¿Cómo se compara esta cantidad con la energía liberada por la fusión de un núcleo de deuterio y un núcleo de tritio, que se acompaña de la expulsión de un neutrón? Exprese su respuesta en megaelectronvoltios y kilojulios por mol. Libra por libra, ¿cuál es una mejor opción para una mezcla de combustible de reactor de fusión?
Respuestas numéricas
1
- (_ {91} ^ {238} textrm {Pa} rightarrow , _ {92} ^ {238} textrm {U} + , _ {- 1} ^ 0 beta ) [ 19459393]; −5,540 × 10 −16 kJ
- (_ {87} ^ {216} textrm {Fr} rightarrow , _ {85} ^ {212} textrm {At} + , _ {2} ^ 4 alpha ) [19459393 ]; −1,470 × 10 −15 kJ
- (_ {83} ^ {199} textrm {Bi} rightarrow , _ {82} ^ {199} textrm {Pb} + , _ {+ 1} ^ 0 beta ) [ 19459393]; −5,458 × 10 −16 kJ
- (_ {91} ^ {234} textrm {Pa} rightarrow , _ {92} ^ {234} textrm {U} + , _ {- 1} ^ 0 beta ) [ 19459393]; 2.118 × 10 8 kJ / mol
- (_ {88} ^ {226} textrm {Ra} rightarrow , _ {86} ^ {222} textrm {Rn} + , _ {2} ^ 4 alpha ) [19459393 ]; 4.700 × 10 8 kJ / mol
- La desintegración beta del bismuto-208 a polonio es endotérmica (ΔE = 1.400 MeV / átomo, 1.352 × 10 8 kJ / mol).
- La formación de plomo-206 por desintegración alfa del polonio-210 es exotérmica (ΔE = −5.405 MeV / átomo, −5.218 × 10 8 kJ / mol).
- 757 MeV / átomo, 8,70 MeV / nucleón
- 53.438245 amu
- 0,496955 amu
- 463 MeV / átomo
- 8,74 MeV / nucleón
- -173 MeV / átomo; 1.67 × 10 10 kJ / mol
- ΔE = + 9,0 × 10 6 kJ / mol de berilio-8; no
- Fusión D – D: ΔE = −4,03 MeV / núcleo de tritio formado = −3,89 × 10 8 kJ / tritio mol; Fusión D – T: ΔE = −17.6 MeV / núcleo de tritio = −1.70 × 10 9 kJ / mol; Fusión D – T
21.3: Transmutaciones nucleares
Q21.3.1
¿Por qué los científicos creen que el hidrógeno es el componente básico de todos los demás elementos? ¿Por qué los científicos creen que el helio-4 es el componente básico de los elementos más pesados?
Q21.3.2
¿Cómo produce una estrella cantidades tan enormes de calor y luz? ¿Cómo se forman los elementos más pesados que el Ni?
Q21.3.3
Proponga una explicación para la observación de que los elementos con números atómicos pares son más abundantes que los elementos con números atómicos impares.
S21.3.3
La materia prima para todos los elementos con Z> 2 es helio (Z = 2), y la fusión de los núcleos de helio siempre producirá núcleos con un número par de protones.
Q21.3.4
Durante la vida útil de una estrella, se utilizan diferentes reacciones que forman diferentes elementos para alimentar el horno de fusión que mantiene una estrella “encendida”. Explicar las diferentes reacciones que dominan en las diferentes etapas del ciclo de vida de una estrella y su efecto sobre la temperatura de la estrella.
Q21.3.5
Una línea en una canción popular de la década de 1960 por Joni Mitchell declaró: “Somos polvo de estrellas …”. ¿Esta declaración tiene algún mérito o es simplemente poética? Justifica tu respuesta.
Q21.3.6
Si las leyes de la física fueran diferentes y el elemento principal en el universo fuera el boro-11 (Z = 5), ¿cuáles serían los siguientes cuatro elementos más abundantes? Proponer reacciones nucleares para su formación.
Q21.3.7
Escribe una reacción nuclear equilibrada para la formación de cada isótopo.
- 27 Al de dos 12 Núcleos C
- 9 Ser de dos 4 Él núcleos
Q21.3.8
Al final del ciclo de vida de una estrella, puede colapsar, lo que resulta en una explosión de supernova que conduce a la formación de elementos pesados por múltiples eventos de captura de neutrones. Escriba una reacción nuclear equilibrada para la formación de cada isótopo durante tal explosión.
- 106 Pd de níquel-58
- selenio-79 de hierro-56
Q21.3.9
Cuando una estrella alcanza la mediana edad, el helio-4 se convierte en berilio-8 de corta duración (masa = 8.00530510 amu), que reacciona con otro helio-4 para producir carbono-12. ¿Cuánta energía se libera en cada reacción (en megaelectronvoltios)? ¿Cuántos átomos de helio se deben “quemar” en este proceso para producir la misma cantidad de energía obtenida de la fusión de 1 mol de átomos de hidrógeno para dar deuterio?
21.4: Tasas de descomposición radiactiva
Q21.4.1
¿Qué quieren decir los químicos con la vida media de una reacción?
Q21.4.2
Si una muestra de un isótopo sufre más desintegraciones por segundo que la misma cantidad de átomos de otro isótopo, ¿cómo se compara su vida media?
Q21.4.3
Las vidas medias para la reacción A + B → C se calcularon con tres valores de [A] 0 , y [B] fue igual en todos los casos. Los datos se enumeran en la siguiente tabla:
| [A] 0 (M) | t½ (s) |
| 0,50 | 420 |
| 0,75 | 280 |
| 1,0 | 210 |
¿Esta reacción sigue una cinética de primer orden? ¿En qué basas tu respuesta?
S21.4.3
- No; la reacción es de segundo orden en A porque la vida media disminuye al aumentar la concentración de reactivo de acuerdo con t 1 / 2 = 1 / k [19459453 ] [A 0 ].
Q21.4.4
2-nitrobenzoato de etilo (NO 2 C 6 H 4 CO 2 C 2 H 5 ) se hidroliza en condiciones básicas. Una gráfica de [NO 2 C 6 H 4 CO 2 C 2 H 5 [ 19459436]] versus t se usó para calcular t ½, con los siguientes resultados:
| [NO 2 C 6 H 4 CO 2 C 2 H ] 5 ] (M / cm 3 ) | t ½ (s) |
| 0,050 | 240 |
| 0,040 | 300 |
| 0,030 | 400 |
¿Es esta una reacción de primer orden? Explica tu razonamiento.
Q21.4.5
Azometano (CH 3 N 2 CH 3 ) se descompone a 600 K a C 2 H 6 ] y N 2 . La descomposición es de primer orden en azometano. Calcule t ½ a partir de los datos de la siguiente tabla:
| Hora (s) |
(P _ { large { mathrm {CH_3N_2CH_3}}} ) (atm)
|
| 0 | 8,2 × 10 −2 |
| 2000 | 3,99 × 10 −2 |
| 4000 | 1,94 × 10 −2 |
¿Cuánto tiempo tomará para que la descomposición se complete en un 99.9%?
S21.4.5
t 1 / 2 = 1,92 × 10 3 so 1920 s; 19100 so 5.32 hrs.
Q21.4.6
La descomposición de primer orden del peróxido de hidrógeno tiene una vida media de 10,7 ha 20 ° C. ¿Cuál es la constante de velocidad (expresada en s −1 ) para esta reacción? Si comenzara con una solución que era 7.5 × 10 −3 M H 2 O 2 , ¿cuál sería la tasa inicial de descomposición (M / s)? ¿Cuál sería la concentración de H 2 O 2 después de 3,3 h?
21.6: Cambios de energía en reacciones nucleares
Problemas conceptuales
Respuestas conceptuales
Problemas numéricos
21.7: Fisión nuclear
Problemas conceptuales
Respuestas conceptuales
Problemas numéricos
21.8: Fusión nuclear
Problemas conceptuales
Respuestas conceptuales
Problemas numéricos
21.9: Efectos biológicos de la radiación
Problemas conceptuales
Respuestas conceptuales
Problemas numéricos
21.4: Tasas de descomposición radiactiva
Q21.4.1
¿Qué quieren decir los químicos con la vida media de una reacción?
Q21.4.2
Si una muestra de un isótopo sufre más desintegraciones por segundo que la misma cantidad de átomos de otro isótopo, ¿cómo se compara su vida media?
Q21.4.3
Las vidas medias para la reacción A + B → C se calcularon con tres valores de [A] 0 , y [B] fue igual en todos los casos. Los datos se enumeran en la siguiente tabla:
| [A] 0 (M) | t½ (s) |
| 0,50 | 420 |
| 0,75 | 280 |
| 1,0 | 210 |
¿Esta reacción sigue una cinética de primer orden? ¿En qué basas tu respuesta?
S21.4.3
- No; la reacción es de segundo orden en A porque la vida media disminuye al aumentar la concentración de reactivo de acuerdo con t 1 / 2 = 1 / k [19459453 ] [A 0 ].
Q21.4.4
2-nitrobenzoato de etilo (NO 2 C 6 H 4 CO 2 C 2 H 5 ) se hidroliza en condiciones básicas. Una gráfica de [NO 2 C 6 H 4 CO 2 C 2 H 5 [ 19459436]] versus t se usó para calcular t ½, con los siguientes resultados:
| [NO 2 C 6 H 4 CO 2 C 2 H ] 5 ] (M / cm 3 ) | t ½ (s) |
| 0,050 | 240 |
| 0,040 | 300 |
| 0,030 | 400 |
¿Es esta una reacción de primer orden? Explica tu razonamiento.
Q21.4.5
Azometano (CH 3 N 2 CH 3 ) se descompone a 600 K a C 2 H 6 ] y N 2 . La descomposición es de primer orden en azometano. Calcule t ½ a partir de los datos de la siguiente tabla:
| Hora (s) |
(P _ { large { mathrm {CH_3N_2CH_3}}} ) (atm)
|
| 0 | 8,2 × 10 −2 |
| 2000 | 3,99 × 10 −2 |
| 4000 | 1,94 × 10 −2 |
¿Cuánto tiempo tomará para que la descomposición se complete en un 99.9%?
S21.4.5
t 1 / 2 = 1,92 × 10 3 so 1920 s; 19100 so 5.32 hrs.
Q21.4.6
La descomposición de primer orden del peróxido de hidrógeno tiene una vida media de 10,7 ha 20 ° C. ¿Cuál es la constante de velocidad (expresada en s −1 ) para esta reacción? Si comenzara con una solución que era 7.5 × 10 −3 M H 2 O 2 , ¿cuál sería la tasa inicial de descomposición (M / s)? ¿Cuál sería la concentración de H 2 O 2 después de 3,3 h?
21.6: Cambios de energía en reacciones nucleares
Problemas conceptuales
Conceptual Answers
Numerical Problems
21.7: Nuclear Fission
Conceptual Problems
Conceptual Answers
Numerical Problems
21.8: Nuclear Fusion
Conceptual Problems
Conceptual Answers
Numerical Problems
21.9: Biological Effects of Radiation
Conceptual Problems
Conceptual Answers
Numerical Problems