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Física y Química 3.º ESO · Los isótopos

Propiedades y aplicaciones de los isótopos

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar por qué los isótopos de un elemento tienen el mismo comportamiento químico y describir aplicaciones de los isótopos en medicina, datación, energía e industria.

Explicación

Mismo comportamiento químico

Lo que decide cómo se comporta un átomo en las reacciones químicas (con qué se une, cómo reacciona) son sus electrones, sobre todo los más externos. Los isótopos de un elemento tienen el mismo número de protones y, por tanto, el mismo número de electrones. Por eso:

Los isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas.

El carbono-12 y el carbono-14 arden igual y forman el mismo $\text{CO}_2$ ; una planta los absorbe igual en la fotosíntesis; nuestro cuerpo no distingue el yodo-127 del yodo-131.

Distinta masa: propiedades físicas algo distintas

Como tienen distinto número de neutrones, los isótopos tienen distinta masa. Eso cambia un poco algunas propiedades físicas (densidad, temperatura de fusión y de ebullición…).

Ejemplo: el agua pesada, $\text{D}_2\text{O}$ , es agua en la que el hidrógeno es deuterio ( ${}^{2}_{1}\text{H}$ , que se escribe también D). Químicamente es agua, pero:

	Agua normal, $\text{H}_2\text{O}$	Agua pesada, $\text{D}_2\text{O}$ (valores aproximados)
Densidad (líquido)	1,00 g/cm³	1,11 g/cm³
Temperatura de ebullición	100 °C	101,4 °C
Temperatura de fusión	0 °C	3,8 °C

Isótopos estables y radiactivos

La mayoría de los isótopos que encontramos son estables. Otros tienen un núcleo inestable: con el tiempo se transforma y emite radiación. Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos (los estudiarás más adelante). Por ejemplo, el carbono-12 es estable y el carbono-14 es radiactivo.

Aplicaciones de los isótopos

Medicina. Diagnóstico: el tecnecio-99m se inyecta para hacer gammagrafías, y el flúor-18 se usa en las pruebas PET. Tratamiento: el yodo-131 se acumula en la tiroides y destruye células enfermas; la radiación de algunos isótopos se usa en radioterapia contra el cáncer.
Datación. El carbono-14 permite saber la antigüedad de restos de seres vivos (madera, huesos, tejidos) de hasta unas decenas de miles de años.
Energía. El uranio-235 es el combustible de las centrales nucleares, como las de Almaraz (Cáceres) o Trillo (Guadalajara).
Industria y alimentación. Como trazadores (se añade un poco de radioisótopo para seguir un líquido y localizar fugas en tuberías); el cobalto-60 se usa para esterilizar material quirúrgico y algunos alimentos; el americio-241 está en muchos detectores de humo.
Investigación. El agua pesada se usa en algunos reactores; el oxígeno-18 del hielo de la Antártida ayuda a conocer el clima de hace miles de años.

Puntos clave

Los isótopos de un elemento tienen el mismo número de electrones y, por eso, las mismas propiedades químicas.
Tienen distinta masa, así que algunas propiedades físicas (densidad, temperaturas de fusión y ebullición) cambian un poco.
Hay isótopos estables e isótopos radiactivos (radioisótopos), cuyo núcleo inestable emite radiación.
Aplicaciones: medicina (diagnóstico y tratamiento), datación con carbono-14, energía nuclear con uranio-235, industria (trazadores, esterilización).

Errores frecuentes

ErrorPensar que el agua pesada es «otra sustancia» con otras reacciones químicas.
Cómo corregirloEs agua: sus moléculas tienen dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y reacciona igual. Solo es más pesada porque su hidrógeno tiene un neutrón más.
ErrorCreer que todos los isótopos son radiactivos o peligrosos.
Cómo corregirloLa mayoría de los isótopos naturales son estables (como el carbono-12 o el carbono-13). Solo algunos son radiactivos.
ErrorDecir que los isótopos tienen propiedades químicas distintas porque tienen distinta masa.
Cómo corregirloLa masa influye en propiedades físicas; las químicas dependen de los electrones, que son los mismos.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Un cubito que se hunde experimental (propiedades físicas)
En un vídeo de laboratorio se ve un cubito de hielo de agua pesada ( $\text{D}_2\text{O}$ ) que se hunde en un vaso de agua normal, mientras que un cubito de agua normal flota. a) Calcula la masa aproximada de una molécula de $\text{H}_2\text{O}$ y de una de $\text{D}_2\text{O}$ (toma la masa de cada átomo, en u, igual a su número másico: H = 1, D = 2, O = 16). b) ¿Cuántas veces es más pesada una molécula de agua pesada? c) Explica por qué se hunde el cubito. ¿Es el agua pesada una sustancia con otras propiedades químicas?

Resolución
a) $\text{H}_2\text{O}$ : $2 \cdot 1 + 16 = 18$ u. $\text{D}_2\text{O}$ : $2 \cdot 2 + 16 = 20$ u.

b) $\dfrac{20}{18} \approx 1{,}11$ : cada molécula es un 11 % más pesada, aproximadamente.

c) En el mismo volumen caben más o menos las mismas moléculas, pero cada una pesa más, así que el agua pesada es más densa (unos 1,11 g/cm³ en estado líquido; su hielo también es más denso que el agua normal) y el cubito se hunde. Es una diferencia en una propiedad física. Químicamente es agua: tiene los mismos electrones y reacciona igual.
Ejemplo 2. Yodo-131 en un hospital de Madrid situación real (aplicación médica)
En el servicio de medicina nuclear de un hospital de Madrid tratan a un paciente con un problema de tiroides dándole a beber una pequeña cantidad de yodo-131, un isótopo radiactivo del yodo ( $Z = 53$ ). La tiroides es el órgano que acumula el yodo que tomamos con los alimentos (casi todo, yodo-127). a) ¿Cuántos neutrones tienen el yodo-127 y el yodo-131? b) ¿Por qué el yodo-131 va a parar precisamente a la tiroides? c) ¿Para qué sirve que sea radiactivo?

Resolución
a) Yodo-127: $127 - 53 = 74$ neutrones. Yodo-131: $131 - 53 = 78$ neutrones.

b) Los dos son yodo: tienen 53 protones y 53 electrones, y por tanto el mismo comportamiento químico. El cuerpo no los distingue y lleva el yodo-131 a la tiroides igual que el yodo-127.

c) Su radiación destruye las células enfermas de la tiroides sin tener que operar. (En dosis muy pequeñas, también permite obtener imágenes de la tiroides.)

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil

Relaciona cada isótopo con su aplicación:

Isótopo	Aplicación
1. Carbono-14	A. Combustible de una central nuclear
2. Uranio-235	B. Gammagrafía (imagen médica)
3. Yodo-131	C. Datación de restos de seres vivos
4. Tecnecio-99m	D. Esterilización de material quirúrgico
5. Cobalto-60	E. Tratamiento de enfermedades de la tiroides

Ver solución

1-C, 2-A, 3-E, 4-B, 5-D.

Carbono-14 → datación; uranio-235 → combustible nuclear; yodo-131 → tiroides; tecnecio-99m → gammagrafía; cobalto-60 → esterilización.

2. Fácil
Clasifica cada característica como igual o distinta en el carbono-12 y el carbono-14: a) Número de protones. b) Número de neutrones. c) Número de electrones (átomos neutros). d) Masa del átomo. e) Forma $\text{CO}_2$ al arder. f) Estabilidad del núcleo.

Ver solución
Iguales: a, c, e. Distintas: b, d, f.
a) Igual (6). b) Distinta (6 y 8). c) Igual (6). d) Distinta: el carbono-14 tiene 2 neutrones más. e) Igual: tienen los mismos electrones y las mismas propiedades químicas. f) Distinta: el carbono-12 es estable y el carbono-14 es radiactivo.
3. Media
El agua «tritiada» es agua en la que los dos átomos de hidrógeno son tritio ( ${}^{3}_{1}\text{H}$ , también escrito T). a) Calcula la masa aproximada de una molécula de $\text{T}_2\text{O}$ (toma O = 16 u, T = 3 u) y compárala con la de $\text{H}_2\text{O}$ (18 u). ¿Cuántas veces es más pesada? b) ¿Crees que su densidad será mayor o menor que la del agua normal? ¿Y su comportamiento químico?

Ver solución
a) 22 u; unas 1,22 veces (un 22 % más pesada). b) Mayor densidad; mismo comportamiento químico.
a) $2 \cdot 3 + 16 = 22$ u. $\dfrac{22}{18} \approx 1{,}22$ → alrededor de un 22 % más pesada. b) Las moléculas son más pesadas y ocupan más o menos lo mismo, así que su densidad será mayor. Su comportamiento químico es el mismo, porque el tritio tiene el mismo número de electrones que el hidrógeno normal.
4. Difícil
Lee y responde: «Para separar el uranio-235 del uranio-238 no sirve ninguna reacción química; hay que usar centrifugadoras que giran muy deprisa y aprovechan una diferencia muy pequeña de masa». a) ¿Por qué no sirve una reacción química para separarlos? b) ¿Cuántos neutrones más tiene el uranio-238 ( $Z = 92$ )? c) ¿Qué propiedad aprovechan las centrifugadoras? ¿Es física o química?

Ver solución
a) Porque los isótopos tienen las mismas propiedades químicas. b) 3 neutrones más (146 frente a 143). c) La masa (distinta densidad): propiedad física.
a) Los dos isótopos tienen 92 electrones y reaccionan exactamente igual: ninguna reacción «elige» uno de ellos. b) U-235: $235 - 92 = 143$ n; U-238: $238 - 92 = 146$ n → 3 neutrones más. c) La diferencia de masa: en la centrifugadora los átomos (en un compuesto gaseoso) más pesados tienden a ir hacia fuera. Es una propiedad física.

Para practicar más

1. Fácil
Completa las frases: a) Los isótopos de un elemento tienen el mismo número de ______ y de ______, y por eso tienen las mismas propiedades ______. b) Como tienen distinto número de ______, tienen distinta ______, y algunas propiedades ______ cambian un poco. c) Los isótopos cuyo núcleo es inestable y emite radiación se llaman ______.

Ver solución
a) protones, electrones, químicas. b) neutrones, masa, físicas. c) radiactivos (radioisótopos).
a) protones y electrones → propiedades químicas. b) neutrones → masa → propiedades físicas (densidad, temperaturas de cambio de estado). c) isótopos radiactivos o radioisótopos.
2. Fácil
Muchos detectores de humo que hay en las casas llevan una cantidad muy pequeña de americio-241, un isótopo radiactivo del americio ( $Z = 95$ ). a) Calcula sus protones, neutrones y electrones (átomo neutro). b) Escribe su notación ${}^{A}_{Z}\text{X}$ (símbolo: Am).

Ver solución
a) 95 p, 146 n, 95 e. b) ${}^{241}_{95}\text{Am}$ .
a) Protones = electrones = 95; neutrones $= 241 - 95 = 146$ . b) ${}^{241}_{95}\text{Am}$ .
3. Media
Explica con tus palabras, usando la idea de isótopo, por qué una planta absorbe en la fotosíntesis el $\text{CO}_2$ que contiene carbono-14 igual que el que contiene carbono-12.

Ver solución
Porque el carbono-12 y el carbono-14 tienen los mismos electrones y, por tanto, las mismas propiedades químicas: la planta no los distingue.
Los dos son carbono (6 protones y 6 electrones). Las reacciones químicas, como la fotosíntesis, dependen de los electrones; por eso el $\text{CO}_2$ con carbono-14 reacciona igual que el que tiene carbono-12. Solo se diferencian en el núcleo (2 neutrones más) y en que el carbono-14 es radiactivo.
4. Difícil
En un yacimiento de la Comunidad de Madrid aparecen un trozo de madera quemada y una punta de flecha de sílex (piedra). a) ¿Cuál de los dos se puede datar con carbono-14? ¿Por qué? b) ¿Por qué un ser vivo tiene carbono-14 mientras está vivo y deja de incorporarlo al morir?

Ver solución
a) La madera, porque procede de un ser vivo que incorporó carbono (con algo de carbono-14); el sílex es un mineral que no lo incorporó. b) Mientras vive toma carbono del ambiente (fotosíntesis, alimentación); al morir deja de tomarlo y el carbono-14 que tenía va desapareciendo poco a poco.
a) El carbono-14 sirve para restos de seres vivos: la madera viene de un árbol. El sílex es una roca: no se formó incorporando carbono de la atmósfera, así que no se puede datar así. b) Las plantas toman $\text{CO}_2$ del aire (con una pequeña parte de carbono-14) y los animales comen plantas: mientras viven, la proporción de carbono-14 se mantiene. Al morir dejan de incorporar carbono, y el carbono-14, que es radiactivo, se va transformando poco a poco. Midiendo cuánto queda se estima la antigüedad.