Radiaciones ionizantes: efectos en la salud y medidas de protección

Datos y cifras

• La radiación ionizante es un tipo de energía liberada por los átomos en forma de ondas electromagnéticas o partículas.
• Las personas están expuestas a fuentes naturales de radiación ionizante, como el suelo, el agua o la vegetación, y a fuentes artificiales, tales como los rayos X y algunos dispositivos médicos.
• Las radiaciones ionizantes tienen muchas aplicaciones beneficiosas en la medicina, la industria, la agricultura y la investigación.
• A medida que aumenta el uso de las radiaciones ionizantes también lo hacen los posibles peligros para la salud si no se utilizan o contienen adecuadamente.
• Cuando las dosis de radiación superan determinados niveles pueden tener efectos agudos en la salud, tales como quemaduras cutáneas o síndrome de irradiación aguda.
• Las dosis bajas de radiación ionizante pueden aumentar el riesgo de efectos a largo plazo, tales como el cáncer.

¿Qué es la radiación ionizante?

La radiación ionizante es un tipo de energía liberada por los átomos en forma de ondas electromagnéticas (rayos gamma o rayos X) o partículas (partículas alfa y beta o neutrones). La desintegración espontánea de los átomos se denomina radiactividad, y la energía excedente emitida es una forma de radiación ionizante. Los elementos inestables que se desintegran y emiten radiación ionizante se denominan radionúclidos.

Cada radionúclido se caracteriza por el tipo de radiación que emite, la energía de la radiación y su semivida.

La actividad, utilizada como medida de la cantidad de un radionúclido, se expresa en una unidad llamada becquerel (Bq): un becquerel corresponde a una desintegración por segundo. La semivida es el tiempo necesario para que la actividad de un radionúclido disminuya por la desintegración a la mitad de su valor inicial. La semivida de un elemento radiactivo es el tiempo que tarda la mitad de sus átomos en desintegrarse, y puede variar desde una fracción de segundo a millones de años (por ejemplo, el yodo 131 tiene una semivida de 8 días mientras que el carbono 14 tiene una semivida de 5730 años).

Fuentes de radiación

Las personas están expuestas a la radiación natural a diario. La radiación natural proviene de muchas fuentes, como los más de 60 materiales radiactivos naturales presentes en el suelo, el agua y el aire. El radón es un gas natural que emana de las rocas y la tierra y es la principal fuente de radiación natural. Diariamente inhalamos e ingerimos radionúclidos presentes en el aire, los alimentos y el agua.

Asimismo, estamos expuestos a la radiación natural de los rayos cósmicos, especialmente a gran altura. Por término medio, el 80% de la dosis anual de radiación de fondo que recibe una persona procede de fuentes de radiación naturales, terrestres y cósmicas. Los niveles de la radiación de fondo varían debido a diferencias geológicas. En determinadas zonas la exposición puede ser más de 200 veces mayor que la media mundial.

La exposición humana a la radiación proviene también de fuentes artificiales que van desde la generación de energía nuclear hasta el uso médico de la radiación para fines diagnósticos o terapéuticos. Hoy día, las fuentes artificiales más comunes de radiación ionizante son los aparatos de rayos X y otros dispositivos médicos.

Tipos de exposición

La exposición a la radiación puede ser interna o externa, y puede tener lugar por diferentes vías.

La exposición interna a la radiación ionizante se produce cuando un radionúclido es inhalado, ingerido o entra de algún otro modo en el torrente sanguíneo (por ejemplo, inyecciones o heridas). La exposición interna cesa cuando el radionúclido se elimina del cuerpo, ya sea espontáneamente (por ejemplo, en los excrementos) o gracias a un tratamiento.

La contaminación externa se puede producir cuando el material radiactivo presente en el aire (polvo, líquidos, aerosoles) se deposita sobre la piel o la ropa. Generalmente, este tipo de material radiactivo puede eliminarse del organismo por simple lavado.
La exposición a la radiación ionizante también puede resultar de la irradiación externa (por ejemplo, la exposición médica a los rayos X). La irradiación externa se detiene cuando la fuente de radiación está blindada o la persona sale del campo de irradiación.

Efectos de las radiaciones ionizantes en la salud

El daño que causa la radiación en los órganos y tejidos depende de la dosis recibida, o dosis absorbida, que se expresa en una unidad llamada gray (Gy). El daño que puede producir una dosis absorbida depende del tipo de radiación y de la sensibilidad de los diferentes órganos y tejidos.
El sievert (Sv) es una unidad de dosis de radiación ponderada, también llamada dosis efectiva. Es una manera de medir la radiación ionizante en términos de su potencial para causar daño. El sievert tiene en cuenta el tipo de radiación y la sensibilidad de los tejidos y órganos. El sievert es una unidad muy grande, por lo que resulta más práctico utilizar unidades menores, como el milisievert (mSv) o el microsievert (μSv). Hay 1000 μSv en 1 mSv, y 1000 mSv en 1 Sv. Además de utilizarse para medir la cantidad de radiación (dosis), también es útil para expresar la velocidad a la que se entrega esta dosis (tasa de dosis), por ejemplo en μSv/hora o mSv/año.

Más allá de ciertos umbrales, la radiación puede afectar el funcionamiento de órganos y tejidos, y producir efectos agudos tales como enrojecimiento de la piel, caída del cabello, quemaduras por radiación o síndrome de irradiación aguda. Estos efectos son más intensos con dosis más altas y mayores tasas de dosis. Por ejemplo, la dosis liminar para el síndrome de irradiación aguda es de aproximadamente 1 Sv (1000 mSv).

Si la dosis es baja o se recibe a lo largo de un periodo amplio (tasa de dosis baja) hay más probabilidades de que las células dañadas se reparen con éxito. Aun así, pueden producirse efectos a largo plazo si el daño celular es reparado, pero incorpora errores, transformando una célula irradiada que todavía conserva su capacidad de división. Esa transformación puede producir cáncer pasados años o incluso decenios. No siempre se producen efectos de este tipo, pero la probabilidad de que ocurran es proporcional a la dosis de radiación. El riesgo es mayor para los niños y adolescentes, ya que son mucho más sensibles que los adultos a la exposición a la radiación.

Los estudios epidemiológicos de poblaciones expuestas a la radiación (sobrevivientes de la bomba atómica o pacientes sometidos a radioterapia) muestran un aumento significativo del riesgo de cáncer con dosis superiores a 100 mSv.

La radiación ionizante puede producir daños cerebrales en el feto tras la exposición prenatal aguda a dosis superiores a 100 mSv entre las 8 y las 15 semanas de gestación y a 200 mSv entre las semanas 16 y 25. Los estudios en humanos no han demostrado riesgo para el desarrollo del cerebro fetal con la exposición a la radiación antes de la semana 8 o después de la semana 25. Los estudios epidemiológicos indican que el riesgo de cáncer tras la exposición fetal a la radiación es similar al riesgo tras la exposición en la primera infancia.

Exposición a la radiación en emergencias nucleares

Durante los accidentes en plantas de energía nuclear puede liberarse material radiactivo al medio ambiente. Los radionúclidos más preocupantes para la salud humana son el yodo y el cesio.

Durante la respuesta a esas emergencias es probable que se produzca exposición ocupacional, interna o externa, de los rescatadores, del personal de primero auxilios y trabajadores de las centrales nucleares. Las dosis de radiación pueden ser suficientemente altas como para causar efectos agudos, tales como quemaduras en la piel o síndrome de irradiación aguda.

Quienes viven muy cerca de centrales nucleares pueden sufrir exposición externa a los radionúclidos presentes en una nube radiactiva o depositados en el suelo. También se pueden contaminar externamente por partículas radiactivas depositadas en la piel o la ropa. También puede haber exposición interna si los radionúclidos se inhalan, ingieren o introducen en heridas abiertas.
La población en general no es probable que se vea expuesta a dosis suficientemente altas para causar efectos agudos, pero sí a dosis bajas que podrían aumentar el riesgo de efectos a largo plazo, como el cáncer. El consumo de agua o alimentos contaminados contribuye a la exposición global a la radiación.
Si se libera yodo radiactivo en el medio ambiente y penetra en el organismo por inhalación o ingestión, se concentrará en el tiroides aumentando el riesgo de cáncer de tiroides. El riesgo de cáncer de tiroides es mayor en los niños que en los adultos, en particular en los menores de 5 años y en aquellos cuyas dietas son generalmente carentes en yodo.

Medidas de protección de la salud en las emergencias nucleares

Durante las emergencias nucleares pueden aplicarse medidas de protección de la salud pública para limitar la exposición a la radiación y sus riesgos para la salud.

En la fase inicial de las emergencias (primeras horas o días) deben aplicarse medidas protectoras urgentes para prevenir la exposición a la radiación, teniendo en cuenta las dosis previsibles que se pueden haber recibido en el corto plazo (por ejemplo, dosis efectiva en 2-7 días, dosis tiroidea en una semana). Las decisiones se basan en las condiciones de las centrales nucleares, la cantidad de radiactividad real o potencialmente liberada a la atmósfera, las condiciones meteorológicas (por ejemplo, velocidad y dirección del viento, precipitación) y otros factores. Las autoridades locales pueden anunciar medidas urgentes como la evacuación, el refugio bajo techo o la administración de yodo no radiactivo.
La evacuación es más eficaz cuando se utiliza como medida de precaución antes de una emisión a la atmósfera. El refugio bajo techo (por ejemplo, en casas, escuelas o edificios de oficinas) también puede reducir significativamente la exposición al material radiactivo liberado y dispersado.

La administración de yodo no radiactivo puede impedir la captación del yodo radiactivo por el tiroides. La toma de pastillas de yoduro de potasio antes o poco después de la exposición satura el tiroides de yodo y reduce la dosis de yodo radiactivo y el riesgo de cáncer de tiroides. Los comprimidos de yoduro de potasio no protegen de la radiación externa ni de otras sustancias radiactivas distintas del yodo.

Las pastillas de yoduro de potasio deben tomarse solo cuando así lo indiquen las autoridades competentes. Es importante seguir las recomendaciones de dosis, especialmente en los niños. Las embarazadas deben tomar pastillas de yoduro de potasio cuando así lo indiquen las autoridades competentes para proteger tanto su tiroides como el del feto. Cuando esté indicado, las mujeres lactantes también deben tomar pastillas de yoduro de potasio para protegerse a si mismas y proporcionar al lactante yoduro de potasio con leche materna.

Se pueden tomar medidas con respecto a los alimentos, el agua y la agricultura a fin de reducir la exposición a la radiación durante la fase inicial de una emergencia (por ejemplo, restricción del consumo de agua y de alimentos y lácteos de producción local).

El apoyo psicológico para paliar el estrés agudo tras un accidente nuclear puede acelerar la recuperación y evitar consecuencias a largo plazo, como el trastorno de estrés post-traumático u otros trastornos mentales persistentes. Las reacciones pueden ser intensas y prolongadas, y tener un impacto emocional profundo, sobre todo en los niños.

A medida que se vayan acumulando datos sobre la situación medioambiental y humana se pueden adoptar medidas de protección, como la reubicación de la población en viviendas temporales o, a veces, en reasentamientos permanentes. Estas medidas de protección se aplican teniendo en cuenta las dosis que puede recibir la población a largo plazo (por ejemplo, dosis efectiva a lo largo de un año). Deben establecerse programas de control de los alimentos y el agua para fundamentar decisiones a más largo plazo sobre la restricción de alimentos, el consumo de agua y el control del comercio internacional de productos alimentarios.
La fase de recuperación puede durar bastante tiempo. El cese de las medidas de protección debe vincularse a los datos del control medioambiental, de los alimentos y de la salud humana, y basarse en análisis de los riesgos y beneficios. Deben establecerse programas apropiados de seguimiento a largo plazo para evaluar las consecuencias para la salud pública y la necesidad de medidas posteriores.

Fuente: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs371/es/

Aplicaciones tecnológicas de los radioisótopos y de las radiaciones

Las características particulares que presentan las sustancias radiactivas y las radiaciones hacen que se puedan emplear en una gran diversidad de campos y con distintos fines. Como ya vimos los radionucleidos emiten uno o más tipos de radiación, ya sean de naturaleza electromagnética ( X g ) o partícula ( e-,e+, n, a, p). Algunas de estas radiaciones también pueden ser producidas por máquinas como equipos de rayos X, aceleradores de partículas o reactores nucleares. Las radiaciones interactúan con la materia de distintas formas, por ejemplo: fotoeléctrica, efecto Compton y formación de pares, produciendo efectos que pueden utilizarse en varias aplicaciones.
Los radioisótopos son detectables, a través de las radiaciones que se emiten átomo por átomo. La sensibilidad de la detección y la magnitud de su medición dependen del tipo de radiación, de su energía y de su intensidad. Detectar y medir las radiaciones que emite una sustancia radiactiva significa detectar y medir la sustancia misma y eventualmente el sistema en que se halla.
Las radiaciones atraviesan los materiales e interactúan con ellos, hecho que se utiliza para estudiarlos o afectarlos de distintas maneras. El alcance y el modo de interacción dependen también del tipo de radiación, de su energía y de su intensidad, además de las propiedades del material. Pueden utilizarse tanto los efectos que las radiaciones producen en los materiales, como los efectos que los materiales provocan en las radiaciones.
http://caebis.cnea.gov.ar/IdEN/CONOC_LA_ENERGIA_NUCX/CAPITULO_5_Difusion/LA_TECNOLOGIA_NUCLEAR/Aplic_tecnol_de_rad_y_rad.htm

La Argentina exporta tecnología nuclear

Invap, una empresa argentina radicada en la provincia de Río Negro, ganó una licitación para instalar un reactor nuclear en Australia.

El gobierno de Australia se propone construir un nuevo reactor nuclear que tendrá fines pacíficos, como producir algunas sustancias radiactivas utilizadas en medicina. Para la construcción de la obra, que requiere conocimientos muy específicos, se realizó un concurso en el que participaron las principales empresas del mundo especializadas en esta tecnología. Luego de un riguroso proceso de selección, resultó ganadora la empresa argentina Invap. Para nuestro país, obtener esta licitación significa confirmar el lugar de reconocimiento mundial adquirido en el área de construcción de reactores nucleares.

http://www.educ.ar/dinamico/UnidadHtml__get__849207e2-6161-45e6-ad65-bd8a94a128fd/91466/data/e3416c65-7a07-11e1-8226-ed15e3c494af/index.html

Reacciones controladas y espontáneas

La fisión nuclear controlada

Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio.
Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barra de control.

Fisión nuclear espontánea

En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de un neutrón exterior. En determinados isótopos del uranio, y sobre todo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fisiona espontáneamente.

La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea de uranio 235.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado. Generalmente esta unión va acompañada con la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de deuterio se emite un neutrón). Esta reacción de fusión nuclear libera o absorbe una gran cantidad de energía en forma de rayos gamma y también de energía cinética de las partículas emitidas. Esta gran cantidad de energía permite a la materia entrar en estado de plasma.
Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía.
No confundir la fusión nuclear con la fusión del núcleo de un reactor, que se refiere a la fusión del núcleo del reactor de una central nuclear debido al sobrecalentamiento producido por la deficiente refrigeración. Durante el accidente nuclear de Fukushima, se utilizaba esta expresión frecuentemente.

Fusión nuclear en la naturaleza

Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio liberando una enorme cantidad de energía. La energía liberada llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.
Las fuerzas de gravedad en el universo generan las condiciones perfectas para la fusión nuclear.
A las reacciones de fusión nuclear también se les llama reacciones termonucleares debido a las altas temperaturas que experimentan. En el interior del Sol, la temperatura es cercana a los 15 millones de grados Celsius.

Requisitos técnicos para la fusión nuclear

Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes requisitos:
Conseguir una temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por los electrones libres y los átomos altamente ionizados se denomina plasma.
Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo.
Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear.

Confinamiento para la fusión nuclear

Los confinamientos convencionales que se utilizan en los reactores nucleares de fisión no son posibles debido a las altas temperaturas del plasma que deben soportar. Por este motivo, se han desarrollado dos importantes métodos de confinamiento:

- Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocándose su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear.
- Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak.

Reacciones de fusión nuclear

Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear son el Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D) y el Tritio (T). Las reacciones de fusión más importantes son:
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV 
Fusionando un núcleo de Deuterio con un núcleo de Tritio, se obtiene un núcleo de Helio formado por dos neutrones y dos protones, liberando 1 neutrón y 17,6 MeV de energía.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Fusionando dos núcleos de Deuterio,  se obtiene un núcleo de Helio formado por un neutrón y dos protones, liberando un neutrón y 3,2 MeV de energía.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Fusionando dos núcleos de Deuterio,  se obtiene un núcleo de Tritio, un protón y 4,03 MeV de energía.
Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas, como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas.
El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que se escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear. En principio, por cada miligramo de deuterio-tritio se pueden obtener 335 MJ.

Combustible utilizado para las reacciones de fusión nuclear

Para las reacciones de fusión nuclear se necesitan núcleos ligeros. Básicamente se utilizan deuterio y Tritio, que son dos isótopos del hidrógeno.
El Deuterio es un isótopo estable del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Su abundancia en el agua es de un átomo por cada 6.500 átomos de hidrógeno. Esto supone que en el agua de mar hay una concentración de 34 gramos de deuterio por metro cúbico de agua. El contenido energético del deuterio es tan elevado que la energía que se puede obtener del deuterio de un litro de agua de mar es equivalente a la energía que se puede obtener de 250 litros de petróleo.
Por este motivo, teniendo en cuenta, que tres cuartas partes del Planeta están cubiertas por agua, se considera la fusión  nuclear cómo una fuente de energía inagotable.
El otro elemento empleado en la fusión nuclear, el Tritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez. Aunque el Tritio es escaso en la naturaleza, se puede generar por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio. El Litio es un material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.

Fisión nuclear

Para poder obtener energía manipulando los núcleos de uno o varios átomos podemos hacerlo de dos formas distintas. Uniendo núcleos de átomos distintos (entonces hablamos de fusión nuclear) o partiendo núcleos de un determinado átomo (caso de la fisión nuclear)

En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.

La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein (E=mc²). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de la que hablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s².

La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir espontáneamente debido a la inestabilidad del isotopo (fisión espontánea).

 

Reacción nuclear en cadena

Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual los neutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite.
Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serían las reacciones nucleares producidas en centrales nucleares en que el objetivo es generar energía eléctrica de forma constante. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares.

Si en cada fisión provocada por un neutrón   liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 10²³ fisiones.

Masa crítica

La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena.

Aunque en cada fisión nuclear  se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si los neutrones liberados por cada reacción nuclear se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, la reacción en cadena no será autosostenible y se detendrá.

La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores: propiedades físicas, propiedades nucleares, de su geometría y de su pureza.

Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Si además bordeamos el material fisionable con un reflector de neutrones se pierden muchos menos neutrones y se reduce la masa crítica.

Velocidad de reacción

La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tomar muchos años,^[pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo.

Se define la velocidad de una reacción química como la cantidad de sustancia formada (si tomamos como referencia un producto) o transformada (si tomamos como referencia un reactivo) por unidad de tiempo.

La velocidad de reacción no es constante. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den choques entre las moléculas de reactivo, y la velocidad es mayor. a medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de choques y con ella la velocidad de la reacción. La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, esto es, en moles/s.

La teoría de colisiones

La teoría de colisiones, propuesta hacia 1920 por Gilbert N. Lewis (1875-1946) y otros químicos, afirma que para que ocurra un cambio químico es necesario que las moléculas de la sustancia o sustancias iniciales entren en contacto mediante una colisión o choque.

Pero no todos los choques son iguales. El choque que provoca la reacción se denomina choque eficaz y debe cumplir estos dos requisitos:

• Que el choque genere la suficiente energía para romper los enlaces entre los átomos.
• Que el choque se realice con la orientación adecuada para formar la nueva molécula.

Los choques que no cumplen estas condiciones y, por tanto, no dan lugar a la reacción, se denominan choques ineficaces.

A veces, el paso de reactivo a producto se realiza mediante la formación de un compuesto intermedio o complejo activado que se transformará posteriormente en los productos.

La energía de activación ( ) en química es la energía que necesita un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y poseer una cantidad de energía mínima.

Factores que afectan a la velocidad de una reacción química
 

¿De qué depende que una reacción sea rápida o lenta? ¿Cómo se puede modificar la velocidad de una reacción? Una reacción química se produce mediante colisiones eficaces entre las partículas de los reactivos, por tanto, es fácil deducir que aquellas situaciones o factores que aumenten el número de estas colisiones implicarán una mayor velocidad de reacción. Veamos algunos de estos factores.

Temperatura

Al aumentar la temperatura, también lo hace la velocidad a la que se mueven las partículas y, por tanto, aumentará el número de colisiones y la violencia de estas. El resultado es una mayor velocidad en la reacción. Se dice, de manera aproximada, que por cada 10 °C de aumento en la temperatura, la velocidad se duplica.

Esto explica por qué para evitar la putrefacción de los alimentos los metemos en la heladera o en el congelador. Por el contrario, si queremos cocinarlos, los introducimos en el horno o en una cazuela puesta al fuego.

Grado de pulverización de los reactivos

Si los reactivos están en estado líquido o sólido, la pulverización, es decir, la reducción a partículas de menor tamaño, aumenta enormemente la velocidad de reacción, ya que facilita el contacto entre los reactivos y, por tanto, la colisión entre las partículas.

Por ejemplo, el carbón arde más rápido cuanto más pequeños son los pedazos; y si está finamente pulverizado, arde tan rápido que provoca una explosión.

Naturaleza química de los reactivos que intervienen en la reacción

Dependiendo del tipo de reactivo que intervenga, una determinada reacción tendrá una energía de activación:

• Muy alta, y entonces será muy lenta.
• Muy baja, y entonces será muy rápida.

Así, por ejemplo, si tomamos como referencia la oxidación de los metales, la oxidación del sodio es muy rápida, la de la plata es muy lenta y la velocidad de la oxidación del hierro es intermedia entre las dos anteriores.

Concentración de los reactivos

Si los reactivos están en disolución o son gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea su concentración, más alta será la velocidad de la reacción en la que participen, ya que, al haber más partículas en el mismo espacio, aumentará el número de colisiones.

El ataque que los ácidos realizan sobre algunos metales con desprendimiento de hidrógeno es un buen ejemplo, ya que este ataque es mucho más violento cuanto mayor es la concentración del ácido.

La variación de la velocidad de reacción con los reactivos se expresa, de manera general, en la forma:

v = k [A]^α [B]^β

Donde α y β son coeficientes que no coinciden necesariamente con los coeficientes estequiométricos de la reacción general antes considerados. La constante de velocidad k, depende de la temperatura.

Catalizadores

Los catalizadores son sustancias que facilitan la reacción modificando el mecanismo por el que se desarrolla. En ningún caso el catalizador provoca la reacción química; no varía su calor de reacción.

Los catalizadores se añaden en pequeñas cantidades y son muy específicos; es decir, cada catalizador sirve para unas determinadas reacciones. El catalizador se puede recuperar al final de la reacción, puesto que no es reactivo ni participa en la reacción.

Introducción al concepto de velocidad de reacción

Cinética química. velocidad de reacción from Felipe Sepulveda

Indicador Ácido - Base

Indicadores

Algunas sustancias tienen la particularidad de presentar dos colores en sus formas ácido – base  conjugadas, por lo que pueden utilizarse, ya sea para conocer aproximadamente si una solución es ácida o básica, o para determinar el punto final en una valoración ácido- base. Uno de los indicadores más conocidos es la fenolftaleína, que es incoloro en medio ácido y rosa en medio alcalino (se utiliza mucho en series como CSI). Muchas sustancias comunes como el té, vino tinto, extracto de flores y el repollo colorado presentan distintos colores según el pH del medio. Para poder utilizarlos como indicadores, es necesario investigar con ácidos o bases conocidas, que color toman. Tener en cuenta que los morados o violetas, como el repollo colorado o la campanilla -común en tejidos y cercas- presentan gran variación de colores según el grado de acidez o alcalinidad del medio (rojo,rosa, violáceo, azul, verde, amarillo)

Algunos ácidos y bases conocidos para poder probar si los indicadores funcionan:

Ácidos: limón, vinagre, ácido muriático (usado en limpieza), gaseosas

Bases: productos de limpieza con amoníaco, limpiahornos, destapa cañerías, soda caustica (lejía), leche de magnesia.

Actividad: hervir repollo colorado y utilizar el agua coloreada como indicador para determinar el grado de acidez de productos de uso cotidiano.

Puede hacerse lo mismo con flores, machacando los pétalos con un poco de agua. Algunas de ellas, especialmente las moradas o rojas fuertes, presentan una gama interesante de colores según la acidez del medio. (Probar con las alegrías del hogar).

Desde tiempos muy antiguos, se conocen distintas sustancias de origen orgánico que tienen la propiedad de cambiar su color, dependiendo de las características ácidas o básicas  de las sustancias a las que son añadidas. En la actualidad, estas sustancias, y muchas otras, que se han introducido en el uso habitual de los laboratorios químicos, se utilizan con la finalidad de determinar el valor del pH de las disoluciones, así como también, el punto final de las valoraciones ácido –base. Dichas sustancias reciben el nombre de indicadores ácido-base.

Así podemos definir a un indicador ácido-base como, una sustancia que puede ser de carácter ácido o básico débil, que posee la propiedad de presentar coloraciones diferentes dependiendo del pH de la disolución en la que dicha sustancia se encuentre diluida.

Los indicadores presentan un comportamiento muy sencillo de comprender. Para realizar los ejemplos, supongamos a un indicador que está constituido por un ácido débil monoprótico con formula general Hln, de este modo, en una disolución acuosa se ionizará débilmente produciendo la base conjugada correspondiente ln^-.

Hln + H2O   ↔   H3O^+ + ln^-
Fórmula ácida   Fórmula básica
(Amarilla)                (Azul)

Una característica de los indicadores es que la forma ácida (Hln) y la forma básica (ln^), tienen colores diferentes, por ejemplo, amarillo y azul, como en el caso de nuestro ejemplo. De las cantidades de una u otra forma que se encuentran presentes en la disolución, es de lo que depende el color de ésta.

Si se le añade a una disolución ácida HA, una pequeña cantidad de la disolución indicadora, se producen al mismo tiempo dos procesos, el equilibrio de ionización del indicador, y también el del ácido.

Hln + H2O ↔ H3O^+ + ln^-
HA + H2O ↔ H3O^+ + A^-

Cuando aumenta la concentración de [H3O^+], por efecto del ión común, el equilibrio que tiene el indicador se desplaza a la izquierda. En consecuencia, el color que predomina en la disolución será el color de la forma ácida, Hln.

Si añadimos una pequeña cantidad de indicador a una disolución básica:

Hln + H2O ↔ H3O^+ + ln^-
B + H2O ↔ BH^+ + OH^-

La concentración [H3O^+], se verá disminuida por la combinación de los iones H3O^+, con los iones OH^-, Y el equilibrio del indicador se ve afectado, desplazándose hacia la derecha. En consecuencia, dominará en la disolución el color de la forma básica ln^-

Cada uno de los indicadores posee un intervalo de viraje que lo caracteriza, es decir, un entorno en mayor o menor medida, reducido de unidades de pH. Dentro de dicho intervalo es donde se produce el cambio de color, o viraje. Un indicador tiene mayor utilidad, cuanto más pequeño es su intervalo de viraje, produciéndose así de forma más clara y sencilla el cambio de color.

En la tabla siguiente se muestran algunas indicadores ácidos-base, junto a los datos de sus intervalos de viraje y el color que tienen cuando el pH es menor o superior, a dicho intervalo.

Ejemplo:

Pongamos como ejemplo el comportamiento del indicador azul de bromotimol, en tres soluciones diferentes: la solución ácida, neutra y básica.

·         Al añadir nuestro indicador azul de bromotimol, en un tubo de ensayo que contenga una disolución de HCl por ejemplo, veremos un color amarillo en la solución, que tendrá un pH < 6.0.

·         Si añadimos el mismo indicador a otro tubo de ensayo, esta vez relleno de agua, veremos que tendrá una coloración verde, con un pH= 7.

·         Por último, cuando añadimos el indicador de azul de bromotimol, a un tubo de ensayo que contenga una disolución de NaOH, veremos como ésta se tiñe de azul, con un pH > 7.6. Se comprueba de este modo que el intervalo de viraje está entre 6.0 y 7.6.

El papel indicador universal, es gran utilidad en los laboratorios para poder medir de manera muy sencilla los diferentes pH de las disoluciones. Su manejo es extremadamente sencillo, pues basta con introducir un trocito de papel en la disolución problema, y éste inmediatamente mostrará un color determinado, que puede ir desde el rojo al azul, dependiendo si es ácida o básica.

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