Title: 3.2. Ions, isòtops i radioactivitat: efectes i aplicacions.
Course: Física i química 3r ESO 1r T

Ions: anions i cations

Ions

La matèria que ens envolta, generalment és neutra per definició perquè els àtoms que la formen tenen el mateix nombre de de càrregues positives i negatives al seu interior, per tant, el mateix nombre d' electrons ➖ i protons ➕.

Ara bé, els àtoms no sempre són del tot estables, o millor dit, els àtoms dels elements guanyen estabilitat quan poden relacionar-se amb altres àtoms i obtenir així un entorn electrònic més estable. Per aquest motiu, els elements, excepte els gasos nobles, tenen tendència a guanyar o perdre electrons i, gràcies a això, es formen compostos i, en definitiva, tot allò que permet la vida.

Quan un àtom perd o guanya electrons ➖ la seva càrrega elèctrica queda, doncs afectada. El nucli no canvia (té el mateix nombre de protons ➕ i neutrons 🔘) però el total de càrregues elèctriques sí.

Fixem-nos en un àtom com el liti, per exemple...

- Element: Liti
- Símbol: Li
- Nombre atòmic (Z): 3
- Isòtops estables: ^3Li, ^4Li

  - Si l'àtom és neutre veurem al nucli 3 protons ➕➕➕,  3 o 4 neutrons, i al voltant 3 electrons ➖➖➖
  - Per aconseguir una configuració electrònica estable similar a la dels gasos nobles, el Liti pot perdre o cedir un electró
  - El liti es queda amb 2 electrons ➖ ➖
  - El liti es queda amb 3 càrregues positives al nucli ➕➕➕

En la primera imatge veiem un àtom de Liti neutre, amb 3 electrons al voltant. En la segona imatge veiem que en l'última capa o orbital ja no hi ha l'electró que l'ocupava. Com queda carregat quan les altres partícules (protons i electrons) es neutralitzen entre elles?

➕➕➕  ➖ ➖ \( \Rightarrow \)  ➕

Li^+

Anions i cations

Per diferenciar la càrrega elèctrica que té un àtom i poder trobar més fàcilment la relació entre compostos, es fa la següent classificació:

- Els ions negatius ➖ s'anomenen ANIONS
- Els ions positius ➕ s'anomenen CATIONS

Aquests són els ions més comuns:

ANIONS ( - ) CARACTERÍSTICS
anió | nom |  | anió | nom
O^2- | ió òxid | - | S^2- | ió sulfur
H^– | ió hidrur | - | Se^2– | ió selenur
C^4– | ió carbur | - | Te^2– | ió tel·lurur
F^– | ió fluorur | - | N^3– | ió nitrur
Cl^– | ió clorur | - | P^3– | ió fosfur
Br^- | ió bromur | - | As^3– | ió arsenur
I^– | ió iodur | - | Si^4–^ | ió silicur

CATIONS ( + ) CARACTERÍSTICS
catió | nom |  | catió | nom
Li^+^ | ió liti | - | Fe^2+^ | ió ferrós
Na^+^ | ió sodi | - | Fe^3+^ | ió fèrric
K^+^ | ió potassi | - | Cu^+ | ió cuprós
Be^2+^ | ió beril·li | - | Cu^2+^ | ió cúpric
Mg^2+^ | ió magnesi | - | Cr^2+^ | ió crom (II)
Ca^2+^ | ió calci | - | Cr^3+ | ió crom (III)
Al^3+^ | ió alumini | - | Ag^+^^ | ió plata

🧩 [Aplicació Interactiva] Per entendre-ho millor farem una activitat amb l'aplicació: BUILD AN ATOM. Veureu que és interactiva i es pot utilitzar en una pissarra digital, una tauleta o un telèfon mòbil. Podeu provar-la a casa o a l'aula si és el cas. Vegeu què passa quan afegiu o treieu protons, neutrons o electrons. Observeu els ions que es formen i si són estables o no els isòtops.

Drets d'us embedit PhET: Use this HTML to embed a running copy of this simulation.
You can change the width and height of the embedded simulation by changing the "width" and "height" attributes in the HTML.

Drets de la imatge/autoria (elements Liti i taules de ions) @annacasamitjana sota sota llicència
Drets de la imatge: imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels Creative Commons BY-NC-ND

Isòtops

Isòtops

Com ja hem vist, cada àtom d'un element pot ser diferent del del costat segons el seu nombre màssic .

Aquest fet fa que els àtoms d'un mateix element puguin tenir propietats diferenciades que, només pel fet de tenir un nombre de neutrons diferent, ja propiciïn utilitats o reaccions molt diferents.

Els ISÒTOPS són elements amb igual nombre atòmic (Z) però diferent nombre màssic (A).

Un cas significatiu d'isòtops són els isotops de l'Hidrogen que, fins i tot, agafen noms particulars: Proti, Deuteri i Triti. Els tres isòtops tenen tots 1 protó com a àtoms d'hitrogen que són (Z = 1) però cada un té un nombre màssic diferent.

By derivative work: Uvainio (talk)Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-ja.svg: Dirk Hünniger, translated by user:was a bee - Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-ja.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4530502

ISÒTOPS en relació al
NOMBRE ATÒMIC i al NOMBRE MÀSSIC
Isòtop | Símbol | Protons ( Z ) | Neutrons ( n ) | Nombre màssic ( A )
Proti | ^1H | 1 | 0 | 1
Deuteri | ^2H | 1 | 1 | 2
Triti | ^^3H | 1 | 2 | 3
Ferro - 52 | ^52Fe | 26 | 26 | 52
Ferro - 53 | ^53Fe | 26 | 27 | 53
Carboni - 12 | ^12C | 6 | 6 | 12
Carboni - 13 | ^^13C | 6 | 7 | 13
Carboni - 14 | ^^14C | 6 | 8 | 14
Urani - 235 | ^235U | 92 | 143 | 235
Urani - 238 | ^238U | 92 | 146 | 238

💡 [Curiositats] La prova del Carboni 14: segur que heu vist alguna pel·lícula de ciència-ficció o d'investigació on es fan proves per determinar qui ha estat l'assassí d'un crim, analitzant el DNA obtingut de mostres de sang o fent la prova per datació de carboni en restes d'ossos o teixits. En què consisteix? Doncs en el fet que tots els éssers vius tenen als seus texits un contingut específic de l'isòtop de Carboni 14, que és radioactiu i inestable (té tendència a perdre aquests neutrons i quedar-se en carboni 12). Això no ens ha d'espantar. Tots en tenim perquè mengem vegetals i aquests fixen el Carboni del diòxid de carboni atmosfèric quan fan la fotosíntesi. Mentre el vegetal està viu aquesta proporció és la mateixa que en l'atmosfera. En morir, el C-14, es descompon a un ritme constant i la seva abundància ens ajudarà a determinar quina quantitat se n'ha desintegrat ja.  I això ho fa a un ritme molt ben determinat. El percentatge de ^14C que hi ha a l’atmosfera és tan sols d'un 0.0000000001% que és molt poc però com ens explica en Daniel Closa al seu bloc^1 el podem mesurar: "sabem que si avui ajuntem una certa quantitat de carboni 14, d’aquí a 5.730 anys tant sols en quedarà la meitat. I 5.730 anys més tard ens quedarà la meitat de la meitat. I així successivament.". Una altra cosa que hem de tenir en compte és que les estructures de pedra, doncs, o trossos de minerals o de vidre, no es poden datar amb aquest mètode, precisament perquè no contenen material biològic. En tot cas, han de contenir restes fòssils que ens ajudin a determinar-ho.

+ Info 1: Blog Centpeus , Daniel Closa; Naturalsom , Blocs XTEC, Míriam Redondo Díaz.

Radioactivitat

Imatge lliure de drets d’autor sota sota llicència Creative Commons - Piqsels

Radioactivitat

La radioactivitat es dona en isòtops o nuclis atòmics inestables que, de manera espontània, emeten en energia en forma de radiació, en transformar-se a nuclis més estables. Aquesta energia té una freqüència de vibració molt elevada (o longituds d'ona molt petita) i pot penetrar en cossos molt densos, ionitzar l'aire, impressionar plaques fotogràfiques o excitar àtoms.... es pot aprofitar per a diferents usos o per focalitzar-la en punts concrets (cas de la radioteràpia per a la cura de malalties). és l'emissió espontània de partícules o radiacions, o d'ambdues alhora.

Aplicacions

- Diagnòtics per la imatge i tractaments mèdics: radiografies, radioteràpia...
- Obtenció d'energia elèctrica en centrals nuclears.
- Acceleradors de partícules.
- Armament nuclear.

L'Urani es troba a la natura com una barreja de dos isòtops: l'Urani 238 (99,3%) ^238U i l'Urani 235 (0,7%) ^235U.

- L'Urani ^235U és l'isòtop  de l'àtom d'Urani (Z=92) que conté 235-92=143 neutrons.
- L'Urani ^238U (el més abundant a la naturalesa) és l'isòtop de l'àtom d'Urani (Z=92) que conté 238-92=146 neutrons.
- En les reaccions de fissió nuclear, s'utilitza l'urani ^235U , però com que és el que es troba en menys abundància cal enriquir l'urani ^238U agumentant el percentatge en massa de l'Urani 235.

💡 [Vídeo] La imatge que il·lustra aquesta part del document no és casualitat. Diries que enmig del bosc hi pot haver radioactivitat? Això ens pot sorprendre, perquè d'entrada, sembla que hi hauria d'haver molta radioactivitat al voltant d'una central nuclear, però el fum que s'allibera de les conegudes xemeneies de les centrals nuclears és un fum blanc de vapor d'aigua... mira aquest fragment de vídeo de Què Qui Com (a partir del min: 1:44) i us sorprendrà la radiació que es pot captar en diferents zones on mai diríem que hi podria haver radioactivitat.

+ Info 1: Què és la radioactivitat: https://ca.energia-nuclear.net/