Isótopo

Propiedades químicas y molecularesEditar

Un átomo neutro tiene el mismo número de electrones que de protones. Así, los diferentes isótopos de un elemento determinado tienen todos el mismo número de electrones y comparten una estructura electrónica similar. Dado que el comportamiento químico de un átomo está determinado en gran medida por su estructura electrónica, los diferentes isótopos presentan un comportamiento químico casi idéntico.

La principal excepción a esto es el efecto cinético de los isótopos: debido a sus mayores masas, los isótopos más pesados tienden a reaccionar algo más lentamente que los isótopos más ligeros del mismo elemento. Esto es más pronunciado, con diferencia, en el caso del protio (1
H
), el deuterio (2
H
) y el tritio (3
H
), ya que el deuterio tiene el doble de masa que el protio y el tritio tiene el triple de masa que éste. Estas diferencias de masa también afectan al comportamiento de sus respectivos enlaces químicos, al cambiar el centro de gravedad (masa reducida) de los sistemas atómicos. Sin embargo, en el caso de los elementos más pesados, la diferencia de masa relativa entre los isótopos es mucho menor, por lo que los efectos de la diferencia de masa en la química suelen ser insignificantes. (Los elementos pesados también tienen relativamente más neutrones que los elementos más ligeros, por lo que la relación entre la masa nuclear y la masa electrónica colectiva es ligeramente mayor). También existe un efecto isotópico de equilibrio.

Vida media de los isótopos. Z = número de protones. N = número de neutrones. El gráfico de los isótopos estables diverge de la línea Z = N a medida que el número del elemento Z se hace mayor

De forma similar, dos moléculas que difieren sólo en los isótopos de sus átomos (isotopólogos) tienen una estructura electrónica idéntica y, por tanto, propiedades físicas y químicas casi indistinguibles (de nuevo, el deuterio y el tritio son las principales excepciones). Los modos vibracionales de una molécula vienen determinados por su forma y por las masas de los átomos que la componen, por lo que diferentes isotopologos tienen diferentes conjuntos de modos vibracionales. Debido a que los modos vibracionales permiten a una molécula absorber fotones de energías correspondientes, los isotopólogos tienen diferentes propiedades ópticas en el rango infrarrojo.

Propiedades nucleares y estabilidadEditar

Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones unidos por la fuerza fuerte residual. Como los protones tienen carga positiva, se repelen entre sí. Los neutrones, que son eléctricamente neutros, estabilizan el núcleo de dos maneras. Su copresencia separa ligeramente los protones, reduciendo la repulsión electrostática entre ellos, y ejercen la fuerza nuclear de atracción entre ellos y sobre los protones. Por esta razón, son necesarios uno o más neutrones para que dos o más protones se unan en un núcleo. A medida que aumenta el número de protones, también lo hace la relación entre neutrones y protones necesaria para garantizar un núcleo estable (véase el gráfico de la derecha). Por ejemplo, aunque la relación neutrones:protones del 3
2He
es de 1:2, la relación neutrones:protones del 238
92U
es superior a 3:2. Varios elementos más ligeros tienen núclidos estables con la relación 1:1 (Z = N). El nucleido 40
20Ca
(calcio-40) es el nucleido estable más pesado con el mismo número de neutrones y protones. Todos los nucleidos estables más pesados que el calcio-40 contienen más neutrones que protones.

Número de isótopos por elementoEditar

De los 80 elementos con un isótopo estable, el mayor número de isótopos estables observado para cualquier elemento es diez (para el elemento estaño). Ningún elemento tiene nueve u ocho isótopos estables. Cinco elementos tienen siete isótopos estables, ocho tienen seis isótopos estables, diez tienen cinco isótopos estables, nueve tienen cuatro isótopos estables, cinco tienen tres isótopos estables, 16 tienen dos isótopos estables (contando 180m
73Ta
como estable), y 26 elementos tienen un solo isótopo estable (de estos, 19 son los llamados elementos mononucleidos, que tienen un solo isótopo estable primordial que domina y fija el peso atómico del elemento natural con gran precisión; También hay 3 elementos mononucleidos radiactivos). En total, hay 252 nucleidos cuya desintegración no se ha observado. Para los 80 elementos que tienen uno o más isótopos estables, el número medio de isótopos estables es de 252/80 = 3,15 isótopos por elemento.

Núcleos pares e imparesEditar

La relación protón:neutrón no es el único factor que afecta a la estabilidad nuclear. También depende de la paridad o imparidad de su número atómico Z, del número de neutrones N y, en consecuencia, de su suma, el número de masa A. La imparidad tanto de Z como de N tiende a disminuir la energía de enlace nuclear, haciendo que los núcleos impares sean, en general, menos estables. Esta notable diferencia de energía de enlace nuclear entre núcleos vecinos, especialmente de isobaras impares-A, tiene importantes consecuencias: los isótopos inestables con un número no óptimo de neutrones o protones decaen por desintegración beta (incluyendo la emisión de positrones), captura de electrones u otros modos de desintegración menos comunes como la fisión espontánea y la desintegración en racimo.

La mayoría de los nucleidos estables son pares-protones-pares-neutrones, donde todos los números Z, N y A son pares. Los núclidos estables impares-A se dividen (más o menos por igual) en nucléidos impares-protón-par-neutrón, y nucléidos pares-protón-do-neutrón. Los núcleos estables impares-protón-do-neutrón son los menos comunes.

Número atómico parEditar

Los 146 nucleidos pares-protón, pares-neutrón (EE) comprenden ~58% de todos los nucleidos estables y todos tienen espín 0 debido al emparejamiento. También hay 24 nucleidos pares-pares primordiales de larga vida. Como resultado, cada uno de los 41 elementos pares del 2 al 82 tiene al menos un isótopo estable, y la mayoría de estos elementos tienen varios isótopos primordiales. La mitad de estos elementos pares tienen seis o más isótopos estables. La extrema estabilidad del helio-4, debida al doble emparejamiento de 2 protones y 2 neutrones, impide que cualquier nucleido que contenga cinco (5
2He
, 5
3Li
) u ocho (8
4Be
) nucleones exista durante el tiempo suficiente como para servir de plataforma para la formación de elementos más pesados a través de la fusión nuclear en las estrellas (véase proceso triple alfa).

53 nucleidos estables tienen un número par de protones y un número impar de neutrones. Son una minoría en comparación con los isótopos pares, que son aproximadamente 3 veces más numerosos. Entre los 41 elementos pares-Z que tienen un nucleido estable, sólo dos elementos (argón y cerio) no tienen nucleidos estables pares-impares. Un elemento (el estaño) tiene tres. Hay 24 elementos que tienen un nucleido par y 13 que tienen dos nucleidos impares. De los 35 radionúclidos primordiales existen cuatro núclidos pares (véase la tabla de la derecha), incluido el 235
92U
fisible. Debido a sus números neutrónicos impares, los nucleidos pares tienden a tener grandes secciones transversales de captura de neutrones, debido a la energía que resulta de los efectos de emparejamiento de neutrones. Estos núclidos pares-impares estables tienden a ser poco comunes por su abundancia en la naturaleza, generalmente porque, para formarse y entrar en la abundancia primordial, deben haber escapado de la captura de neutrones para formar otros isótopos pares estables, tanto durante el proceso s como el proceso r de captura de neutrones, durante la nucleosíntesis en las estrellas. Por esta razón, sólo 195
78Pt
y 9
4Be
son los isótopos más abundantes en la naturaleza de su elemento.

Número atómico imparEditar

Cuarenta y ocho nucleidos estables impares-pares-neutrón, estabilizados por sus neutrones emparejados, forman la mayoría de los isótopos estables de los elementos impares; los muy pocos nucleidos impares-pares-neutrón comprenden los demás. Hay 41 elementos impares con Z = 1 a 81, de los cuales 39 tienen isótopos estables (los elementos tecnecio (
43Tc
) y prometio (
61Pm
) no tienen isótopos estables). De estos 39 elementos Z impares, 30 elementos (incluyendo el hidrógeno-1 donde 0 neutrones son pares) tienen un isótopo estable par-impar, y nueve elementos cloro (
17Cl
),potasio (
19K
),cobre (
29Cu
),galio (
31Ga
),bromo (
35Br
),plata (
47Ag
),antimonio (
51Sb
),iridio (
77Ir
),y talio (
81Tl
), tienen dos isótopos estables impares cada uno. Esto hace un total de 30 + 2(9) = 48 isótopos impares estables.

También hay cinco isótopos impares radiactivos primordiales de larga vida, 87
37Rb
, 115
49In
, 187
75Re
, 151
63Eu
y 209
83Bi
. Los dos últimos se han desintegrado recientemente, con vidas medias superiores a 1018 años.

Sólo cinco núclidos estables contienen un número impar de protones y un número impar de neutrones. Los cuatro primeros núclidos «impares» se dan en núclidos de baja masa, para los que cambiar un protón por un neutrón o viceversa conduciría a una relación protón-neutrón muy desigual (2
1H
, 6
3Li
, 10
5B
, y 14
7N
; espines 1, 1, 3, 1). El único otro nucleido impar completamente «estable», el 180m
73Ta
(espín 9), se cree que es el más raro de los 252 isótopos estables, y es el único isómero nuclear primordial, cuya desintegración aún no se ha observado a pesar de los intentos experimentales.

Se conocen muchos radionúclidos impares (como el tantalio-180) con vidas medias comparativamente cortas. Por lo general, sufren una desintegración beta en sus isobaras pares cercanas que tienen protones emparejados y neutrones emparejados. De los nueve nucleidos pares primordiales (cinco estables y cuatro radiactivos con vidas medias largas), sólo el 14
7N
es el isótopo más común de un elemento común. Esto es así porque forma parte del ciclo del CNO. Los núclidos 6
3Li
y 10
5B
son isótopos minoritarios de elementos que a su vez son raros en comparación con otros elementos ligeros, mientras que los otros seis isótopos sólo constituyen un porcentaje ínfimo de la abundancia natural de sus elementos.

Número de neutrones imparesEditar

iv id=»3609.0

Los actínidos con número de neutrones impar son generalmente fisibles (con neutrones térmicos), mientras que los de número neutrónico par no lo son, aunque son fisionables con neutrones rápidos. Todos los nucleidos impares estables desde el punto de vista de la observación tienen un espín entero no nulo. Esto se debe a que el único neutrón no apareado y el protón no apareado tienen una mayor fuerza de atracción nuclear entre sí si sus espines están alineados (produciendo un espín total de al menos 1 unidad), en lugar de antialineados. Véase el deuterio para el caso más simple de este comportamiento nuclear.

Sólo 195
78Pt
, 9
4Be
y 14
7N
tienen número de neutrones impar y son los isótopos más abundantes naturalmente de su elemento.