1-Los comienzos de la química

La química tiene sus orígenes en la Grecia clásica y en el interés de los griegos por la filosofía natural, al contrario de los romanos, que no tuvieron interés por la química hasta el siglo VII.

Los árabes asimilaron la cultura helenística, y desarrollaron entre los siglos VII y XVI.

La “al-kimiya”, se introdujo en Europa por España e Italia.

Las investigaciones se basaron en dos caminos, la química y la medicina:

• Buscaban el elíxir capaz de transformar los metales en oro.

• Buscaban la “panacea universal” que otorgaba salud y juventud perpetua.

Los acusaron de brujería por su oscurantismo y secretismo.

Unos de los descubrimientos importantes fueron los ácidos fuertes, más importantes para la humanidad.

La alquimia llegó a Occidente entre XII y XVI, hubo importantes seguidores como: Alberto Magno.

Fue Boyle quien estableció un método científico llamado química.

2-La química se introduce en la sociedad occidental

Los vínculos entre laboratorio y sociedad, evolucionaron mucho hasta el siglo XVIII hasta hoy.

Las primeras fábricas de ácido sulfúrico (H2SO4), llamadas vitrolerías surgieron en Inglaterra y Francia, y hacían reaccionar:

SO3 + H2O= H2SO4

Las industrias de vidrio y jabón necesitaban sosa.

Las coquerias eran una fuente de materias.

La obtención de hierro en el alto horno, el coque sustituye al carbón, lo que casi provocó la destrucción de los bosques ingleses en 1730.

Las coquerias sirvieron de materia prima para:

• Gas de coquerías formados por hidrógeno, metano y otros gases y en 1800 se utilizó para el gas alumbrado.

• De alquitrán de hulla se obtiene anilina; se crea una química síntesis, llamada así porque sintetiza sustancias en otras nuevas.

En el siglo XIX se desarrolla la industria de colorantes.

Los conflictos entre fabricantes tuvo grandes consecuencias en el siglo XX.

3- Una sociedad construida sobre la industria química

En torno a las industrias químicas se establecen conexiones inevitables, surgen nuevas materias primas .

El desarrollo de las coquerias tuvo graves consecuencias.

• En el siglo XIX surgen en Inglaterra, Estados Unidos...

• En el plano internacional tendrá dura competencia. Algunos países controlan el mercado de sustancias químicas básicas.

• Nuevos productos, sustancias nuevas.

• Generan nuevos trabajos.

4- Usos bélicos de la química

Los explosivos marcan una diferencia fundamental.

Son sustancias que son capaces de liberar súbitamente una gran cantidad de energía por una reacción química del tipo:

2 KNO3 K20 + N2 + O2

El inicio de la reacción química puede ser por fricción, impacto, choque, chispa...

Los explosivos se usan para dos fines; para explosivos industriales y para armas militares.

• Pólvora negra: Su composición es: nitrato potásico(75%), carbón vegetal(15%) y azufre(10%).

• Nitroglicerina: Líquido aceitoso sensible al choque, descubierto por A.Sobrero.

• Dinamita: En 1866, fue inventada por A.Nobel. La dinamita es capaz de absorber nitroglicerina. Con el tiempo se le añadieron absorbentes y nitratos.

• TNT(trinitrotolueno): Explosivo militar más importante en la Segunda Guerra Mundial.

A partir de nitrógeno se sintetizó el amoníaco y se pudo fabricar pólvora, que se usó durante la Primera Guerra Mundial. En la Primera Guerra Mundial, también se fabricaron gases tóxicos como la iperita o “gas mostaza”, que destruye los bronquios y lesiona la piel.

5- La sociedad usa la química para proteger la vida

Los seres humanos han utilizado las plantas como alimentos para sí mismos y para su ganado. También buscaban remedios medicinales.

El desarrollo de la química ha permitido incorporar al suelo los elementos químicos que éste consume: nitrógeno, fósforo...

• Abonos nitrogenados: Son los más importantes y su principal materia es el amoniaco. Aumentó la demanda de nitratos.

Se superó gracias a la producción de amoníaco a partir de sus elementos: 3 H2 (g) + N2 (g) = 2HN3 (g)+ 21,8 kcal.

El hidrógeno y el nitrógeno se comprimen fuertemente y se introducen en el reactor, el cual tiene unas barras de hierro que actúan como catalizador. La mezcla resultante se refrigera hasta que el NH3 licua y se envasa. Los gases sobrantes se devuelven al proceso.

A partir del amoníaco se obtienen (NH4NO3), (NH2) 2...

• Abonos fosfatados: Se obtienen a partir de fosfato de calcio y sus yacimientos principales están en E.Unidos y Norte de África.

• Abonos potásicos: Son sales de potasio. Sus yacimientos principales se encuentran en Navarra y Cataluña.

• Abonos triples: Mezclando N, P, K.

Hoy la síntesis química ha aportado infinidad de productos, algunos semisintéticos (obtenidos por reacción química sobres sustancias naturales) y otros sintéticos.

Tipos de medicamentos:

• Antibióticos: Sustancias que inhiben el crecimiento de ciertos microorganismos en 1929 Fleming inventó la Penicilina.

• Analgésicos y antipiréticos: Calman el dolor y bajan la fiebre. Los más utilizados son el paracetamol y la aspirina.

• Vitaminas: Son sustancias imprescindibles para el buen funcionamiento del organismo.

• Hormonas: Son sustancias que producen glándulas de secreción interna; las más utilizadas son la insulina, la cortisona...

6- La química y las revoluciones industriales

A finales del siglo XVIII Europa se encontraba en crisis: su población aumentaba rápidamente y la producción agrícola no era capaz de satisfacer la creciente demanda de trabajo y alimentos.

La cantidad de madera disponible disminuyó peligrosamente y necesitan nuevas fuentes de energía.

La crisis fue superada gracias al carbón y a la máquina de vapor.

En Pensilvania, E.Drake improvisó un aparato de percusión para perforar pozos y encontró pozos y encontró pozos y encontró petróleo a unos 25 m de profundidad.

Su poder energético era superior al del carbón.

El petróleo es la principal fuente de obtención de esta ingente masa de compuestos

• Obtenidos en la refinería : metano, etano, propano...

• Se realiza un craqueo para obtener “oleofinas”: etileno, propano...

• En algunos casos la fuente directa gas natural.

Las industrias que se nutren de estos productos son innumerables; además muchos productos inorgánicos se obtienen a partir del petróleo.

Una de las grandes síntesis de nuestro siglos fue la sustitución del caucho natural por un polímero butadieno (Buna-S) que da lugar al caucho artificial.

Para que los cauchos no se vuelvan pegajosos se introducen átomos de azufre( vulcanización).

El petróleo es un líquido de color oscuro y viscoso, de olor fuerte, compuesto por una mezcla compleja de hidrocarburos de diferentes números de carbonos y formado a partir de restos de plancton; se encuentra en el interior de la tierra, y su extracción se realiza perforando el suelo hasta alcanzar el yacimiento.

Para poder aprovechar se debe elaborar en las refinerías mediante un proceso llamado destilación fraccionada, que permite separar los diferentes componentes del petróleo. El proceso se realiza en unas torres llamada columnas de destilación.

El destilado de barriles produce similares fracciones de sus componentes, se transforman los productos pesados mediante un proceso llamado craqueo.

La petroquímica es una rama de la industria química que obtiene productos químicos utilizando como materias primas fracciones petrolíferas.

7- La química y los materiales

En el siglos XX, se utilizaron 2 materiales: el hierro y el cemento, y también el aluminio.

Hierro y acero

Materias primas

El hierro es el material más abundante en la corteza terrestre y se emplean 2 materias primas:

• Mineral de hierro: suelen se óxidos de hierro

• Coque: se forman a partir del carbón de hulla.

El alto horno

Se carga por capas sucesivas de mineral, coque, y fundente, y además se inyecta aire caliente.

De esto se obtiene el arrabio( hierro de fundición)

Acero

Si al hierro fundido se le eliminan las impurezas se obtiene el acero.

El proceso químico consiste en oxidar las impurezas: se usa un convertidor Bessemer.

Aluminio

Se obtiene por electrólisis

La materia prima es la bauxita

Se calcina el producto resultante

La alúmina se introduce en la cuba electrolítica y se funde.

Hace que el aluminio se deposite en el cátodo y el oxígeno en el ánodo.

Cemento de Pórtland

Es un conjunto de sustancias capaces de fraguar con el agua y formar bloque. Se fabrica a partir de piedra caliza y arcilla. Se calcina a más de 1500 ºC.

En el horno sufre una serie de procesos químicos, de los que se produce klinker

El klinker, una vez enfriado se muele.

8- La química ayuda a la sociedad a limpiar sus residuos

La industria química es responsable de sustancias peligrosas, y puede aportar soluciones para eliminarla esas sustancias, los logros a conseguir son:

Controlar el consumo de materias primas

La medida más elemental que se debe tomar es reciclar.

Usar la energía adecuadamente

Cada producto depende del gasto hecho por la industria para producirlo, y se puede ahorrar energía.

C) Controlar los residuos

• Sólidos: Algunas soluciones son incinerar, reciclar...

• Líquidos: Se instalan plantas depuradoras

• Gaseosos: Su fuente principal se el empleo de combustibles fósiles. Sus principales gases son:

a) El monóxido de carbono procedente de la combustión de los combustibles fósiles mediante catalizadores.

b) Los óxidos de azufre y nitrógeno, que en las capas altas forma ácido sulfúrico y nítrico, se puede evitar tratando previamente los combustibles.

La contaminación atmosférica y sus consecuencias

Se llama contaminación atmosférica a la alteración de la pureza del aire debido a la presencia de sustancias nocivas.

• Contaminación ácida: Debida a los óxidos de azufre y nitrógeno en la atmósfera, y que producen la llamada lluvia ácida.

• Contaminación local por partículas en suspensión: Originada por los polvos industriales, humos... Puede producir alergias y afecciones respiratorias.

• Contaminación fotoquímica: En ciudades con mucho tráfico, se produce la niebla fotoquímica. La niebla fotoquímica produce y/o agrava afecciones respiratorias.

El efecto invernadero

El aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera debido a la combustión de residuos fósiles o por causas naturales dificulta la disipación calorífica de la Tierra y produce un aumento gradual de la temperatura media de la atmósfera.

5- Los polímeros

La reacción principal de los alquenos es la adicción y consiste en abrir una unión doble enlace y permitir que un nuevo átomo se una a cada uno de los átomos de carbono del enlace.

La adición más importante se llama polimeración y consiste en la unión de muchas moléculas de eteno llamadas monómeros, para formar moléculas gigantes llamadas polímeros.

La polimeración del eteno se llama polietileno, y se utiliza para fabricar botellas de plástico.

Preparación de diferentes polímeros.

El monómero que se polimeriza puede modificarse para obtener productos diferentes.

Se puede usar una amplia variedad de monómeros con diferentes grupos G unidos a la cadena polimérica.

Los nuevos polímeros son compuestos con propiedades diferentes.

Reacción en cadena-Reactores nucleares y bomba atómica

El principio de la utilización de la energía nuclear consiste en poder realizar una reacción en cadena mediante los neutrones emitidos en la fusión. Al hablar de la velocidad de reacción hemos introducido el concepto de reacción en cadena llamada también reacción autocatalítica.

Sustancialmente, para que la fisión se perpetúe, es preciso que en la primera se libere un número de neutrones útiles( o sea que se dividan los núcleos) tal que se produzca una segunda fisión, y que de una fisión por ejemplo de mil núcleos, la cual libere 1000 neutrones secundarios, más de mil de estos sirvan para dividir nuevos núcleos. La condición para que la fisión se propague como un fuego de artificio en el que cada estallido enciende un número creciente de ruedas, es ésta, que la relación entre el número de los neutrones primarios, que se llama factor de multiplicación, sea mayor que la unidad.

El hacer el factor de multiplicación mayor que uno no es nada fácil empleando uranio natural, porque en el mismo los neutrones pueden: a) escapar saliendo del metal, b) ser capturados por núcleos de 238U que no se fisionan (captura no fisionada), c) ser capturados por impurezas, d) chocar con los núcleos de 235U y provocar su fisión. Es preciso que el cuarto supere la suma de los otros tres. Eso se obtiene a) disminuyendo la velocidad de los neutrones mediante moderadores de velocidad de los que ya se ha hablado, b) empleando materiales de elevada pureza para disminuir las colisiones y captura por parte de los núcleos no fisionables una parte de boro 500 000 hace al grafito inservible para ser usado como moderador, c) aumentando las dimensiones del volumen ocupado por la materia fisionable de forma que sea más largo el recorrido de los neutrones en el mismo, inferior al número de los que escapar y mayor la probabilidad de capturar con fisión, d) actuando sobre la concentración de los núcleos fisionables, o sea separando y concentrando el isótopo 235 del uranio en las formas descritas. Los dos últimos artificios son evidentemente complementarios. Cuanto más elevada es la con tracción de los núcleos fisionables tanto más pequeña es la dimensión por encima de la cual se inicia la reacción en cadena.

Se llama dimensión crítica, para cada sistema capaz de dar reacción en cadena, aquella a la cual se alcanzan las condiciones críticas( factor de multiplicación >1) y la reacción, iniciada por cualquier neutrón causal, se perpetúe por si misma llevando, si está controlada, a una producción constante de energía; si no es controlada, a la explosión.

La reacción en cadena, cuando los núcleos fisionables están suficientemente concentrados tiene lugar también con neutrones no moderados y adquiere una marcha explosiva, o sea enorme velocidad: es lo que ocurre en la bomba atómica, en la cual, juntando rápidamente 2 partes de material fisionable, concentrado, cuya mesa crítica esté entre los 10 y 30 Kgs, se provoca una explosión de inaudita violencia en la cual se desarrollan temperaturas de millones de grados, una luminosidad solar y efectos destructivos en un orden de magnitud y a pesar de los dispositivos especiales para embutir el material fisionable dentro de envueltas pesadas, sólo del 1 al 2% de la masa total sufre la fisión y sólo una pequeñísima cantidad de materia se transforma en energía.

Desde el punto de vista del aprovechamiento de la energía nuclear y de su transformación en otras formas de energía más manejables la pila atómica o reactor nuclear es bastante más importante que la bomba atómica. Ya en 1939 E.Fermín había sugerido la posibilidad de una reacción explosiva usando neutrones rápidos, o de una reacción controlable usando neutrones lentos, térmicos.

Poco tiempo después Fermi y Szilard afirmaban que era posible alcanzar las dimensiones críticas convenientes, para una reacción en cadena controlada, usando el uranio natural ( mezcla que contiene el 0,7% de 235U) y grafito como moderador. Con un grandioso esfuerzo coordinado de técnicos, físicos y químicos, realizado en el que se llamó Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago y que permanecerá imborrable en la historia de la investigación científica, el 2 de Diciembre de 1942 fue iniciada por vez primera una reacción nuclear en cadena capaz de mantenerse “encendida”. La pila de Fermi estaba constituida por cerca de 6 toneladas de uranio dispuesto en bloques, a guisa de un retículo cúbico, en una masa de ladrillo de grafito: la pila funcionó primero dando ½ vatio y poco después su potencia fue llevada a 200 vatios.

Para absorber los neutrones, disminuir la potencia de la pila y eventualmente “apagarla” llevando el factor de multiplicación por debajo de la unidad, se revelaron eficaces barras de cadmio que se introducían más o menos profundamente en la estructura reticular de la pila. Poco después otras 2 pilas de dimensiones experimentales eran construidas: una en Clinton, de 1000 KW, y otra en el Laboratorio Argonne, cerca de Chicago. Para la pila construida en Francia por los esposos Juliot-Curieu se usó agua pesada, D2O, como material para frenar los neutrones en lugar de grafito.

En torno a los 2/3 del siglo XX los reactores nucleares instalados en el mundo son varios centenares, contándose por millares de megavatios la potencia térmica extraída de los núcleos capaces de fisión.

Pólvora, polvo explosivo utilizado en balística, en particular pólvora negra, una mezcla explosiva de un 75% de nitrato potásico, un 15% de carbón y un 10% de azufre aproximadamente. La pólvora fue el primer explosivo conocido; su fórmula aparece ya en el siglo XII, en los escritos del monje inglés Roger Bacon, aunque parece haber sido descubierta por los chinos, que la utilizaron varios siglos antes en la fabricación de fuegos artificiales. Es probable que la pólvora se introdujera en Europa procedente del Oriente Próximo. Berthold Schwarz, un monje alemán, a comienzos del siglo XIV, puede haber sido el primero en utilizar la pólvora para impulsar un proyectil. Sean cuales sean los datos precisos y las identidades de sus descubridores y primeros usuarios, lo cierto es que la pólvora se fabricaba en Inglaterra en 1334 y que en 1340 Alemania contaba con instalaciones para su fabricación. El primer intento de utilización de la pólvora para minar los muros de las fortificaciones se llevó a cabo durante el sitio de Pisa en 1403. En la segunda mitad del siglo XVI, la fabricación de pólvora en la mayoría de los países era un monopolio del Estado, que reglamentó su uso a comienzos del siglo XVII. Fue el único explosivo conocido hasta el descubrimiento del denominado oro fulminante, un poderoso explosivo utilizado por primera vez en 1628 durante las contiendas bélicas que se desarrollaron en el continente europeo.

Armas nucleares, dispositivos explosivos, utilizados sobre todo por militares, que liberan energía nuclear a gran escala. La primera bomba atómica (o bomba A) fue probada el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo México. Se trataba de un tipo completamente nuevo de explosivo. Hasta ese momento todos los explosivos obtenían su potencia de la descomposición o combustión rápida de algún compuesto químico. Las reacciones químicas de este tipo sólo liberan la energía de los electrones más externos del átomo.

En cambio, los explosivos nucleares ponen en juego la energía contenida en el núcleo del átomo. La bomba A obtenía su potencia de la ruptura o fisión de los núcleos atómicos de varios kilos de plutonio. Una esfera del tamaño de una pelota de béisbol produjo una explosión equivalente a 20.000 toneladas de Trinitrotolueno (TNT).

La bomba A se desarrolló, construyó y probó en el marco del Proyecto Manhattan. Se trataba de una extraordinaria empresa estadounidense iniciada en 1942 durante la II Guerra Mundial.

En ella participaron muchos científicos eminentes, como los físicos Enrico Fermi, Richard Feynman y Edward Teller, y el químico Harold Urey. El director militar era el ingeniero del Ejército de los Estados Unidos comandante general Leslie Groves. El director científico del proyecto, localizado en Los Álamos (Nuevo México) fue el físico estadounidense J. Robert Oppenheimer.

Terminada la guerra, la Comisión para la Energía Atómica de los Estados Unidos se responsabilizó de todas las cuestiones nucleares, incluida la investigación armamentística.

Se construyeron otro tipo de bombas que obtenían la energía de elementos más ligeros como el hidrógeno. En ellas la reacción que proporciona la energía es la fusión. Durante este proceso los núcleos de los isótopos de hidrógeno se combinan y forman un núcleo, más pesado, de helio (ver más adelante Armas termonucleares o de fusión). La investigación en este campo dio como resultado la producción de bombas cuya potencia oscila de una fracción de kilotón (equivalente a 1.000 toneladas de TNT) hasta muchos megatones (equivalentes a un millón de toneladas de TNT). Además se ha reducido de forma drástica el tamaño físico de las bombas, con lo que han podido desarrollarse bombas nucleares de artillería y pequeños mísiles que pueden ser disparados desde lanzadores portátiles en pleno campo de batalla. Aunque en un principio se pretendía que las bombas atómicas fuesen armas estratégicas transportadas por grandes bombarderos, en la actualidad las armas nucleares pueden utilizarse para diversos fines, tanto estratégicos como tácticos. No sólo se pueden lanzar desde diferentes tipos de avión, sino en cohetes o mísiles guiados con cabeza nuclear desde la tierra, el aire o bajo el agua. Los cohetes grandes pueden transportar varias cabezas con diferentes objetivos. La investigación en armas nucleares prosigue hoy en día en Los Álamos y en el Laboratorio Lawrence Livermore (California), en los Estados Unidos y en Aldermaston, en Gran Bretaña.

Armas de fisión

En 1905 Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad. De acuerdo con ella, la relación entre la masa y la energía viene dada por la ecuación E = mc2. Esto significa que a una masa m dada, corresponde una cantidad de energía E, equivalente a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz c. Una pequeña cantidad de materia equivale a una gran cantidad de energía. Por ejemplo: un kilogramo de materia que se convirtiese por completo en energía equivaldría a la energía liberada por la explosión de 22 megatones de TNT.

En sus experimentos, los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann dividieron el átomo de uranio en dos partes casi iguales bombardeándolo con neutrones. Más tarde, en 1939, la física austriaca Lise Meitner y su sobrino, el físico británico Otto Frisch, explicaron la reacción de la fisión nuclear, lo que posibilitó la liberación de la energía atómica.

La reacción en cadena

Cuando el uranio u otro núcleo apropiado se fisiona, produce un par de fragmentos nucleares y libera energía. Al mismo tiempo el núcleo emite enseguida cierto número de neutrones rápidos, la misma partícula que inició la fisión del núcleo de uranio. Esto hace posible que se produzcan una serie de reacciones de fisión nuclear de forma automantenida: los neutrones que se emiten durante la fisión provocan una reacción en cadena y una liberación sostenida de energía.

El isótopo ligero del uranio, el uranio 235, se divide sin dificultad a causa de los neutrones producto de la fisión y al hacerlo emite una media de 2,5 neutrones. Para sostener una reacción en cadena basta con un neutrón por cada generación de fisiones nucleares. Otros pueden perderse al escapar del material reactivo, o ser absorbidos por las impurezas o por los isótopos más pesados como el uranio 238, si existen. Cualquier sustancia capaz de mantener una reacción de fisión en cadena se llama material físil.

Masa crítica

Una pequeña esfera, del tamaño de una pelota de golf, de un material físil puro, como el uranio 235, no mantendría una reacción en cadena. Escaparían demasiados neutrones de la reacción en cadena a través de su superficie que es demasiado grande respecto a su volumen. Sin embargo, en el caso de una masa de uranio 235 del tamaño de una pelota de béisbol, el número de neutrones perdidos en la superficie se compensaría por el número de neutrones generados por las reacciones internas de fisión. La cantidad mínima de material físil con una forma dada necesaria para mantener la reacción en cadena se llama masa crítica.

Al aumentar el tamaño de la esfera producimos una configuración supercrítica en la que las sucesivas generaciones de fisiones aumentan con mucha rapidez, con lo que se puede llegar a una posible explosión, como resultado de la liberación en extremo rápida de una gran cantidad de energía.

Por tanto, en una bomba atómica se debe ensamblar y mantener en contacto una masa de material físil mayor que la crítica durante una millonésima de segundo. Esto permite que la reacción en cadena se propague antes de la explosión. Un contenedor, hecho de algún material pesado, rodea el material físil y evita su explosión prematura. El contenedor también reduce el número de neutrones que se escapan.

Si se dividiese cada átomo de 0,5 kilogramos de uranio, la energía producida equivaldría a la potencia explosiva de 9,9 kilotones de TNT. En este hipotético caso la eficiencia de la reacción sería del 100%. En las primeras pruebas de la bomba A no se acercaron a ella. Además 0,5 kilos de uranio es poco para alcanzar la masa crítica.

Detonación de las bombas atómicas

Se han creado varios sistemas para detonar una bomba atómica. El más simple es utilizar una pistola: se dispara un proyectil de material físil a un objetivo del mismo material, para que ambos se fundan y formen un conjunto supercrítico. La bomba atómica que Estados Unidos hizo explotar sobre Hiroshima (Japón) el 6 de agosto de 1945 fue un arma de ese tipo. Su energía era equivalente a 20 kilotones de TNT.

Un sistema más complejo, llamado de implosión, se utiliza con bombas de forma esférica. La parte exterior de la esfera consiste en una capa de dispositivos llamados lentes con una forma y ensamblado especial. Están hechos de material explosivo y diseñados para concentrar la explosión en el centro de la bomba. Cada sección de este material altamente explosivo tiene un detonador que a su vez está unido por cable con las demás secciones. Una señal eléctrica hace explotar todas las partes del material explosivo de forma simultánea, lo que provoca una onda explosiva que converge en el núcleo de la bomba. En éste hay una esfera de material físil que se comprime por la poderosa presión ejercida hacia el interior, es decir, la implosión. Esto aumenta la densidad del material y produce un conjunto supercrítico. La bomba que se probó en Alamogordo y la que Estados Unidos lanzó sobre Nagasaki (Japón), el 9 de agosto de 1945, fueron de este tipo. Cada una de ellas equivalía a 20 kilotones de TNT.

Con independencia del método utilizado para alcanzar una configuración supercrítica, la reacción en cadena se produce durante una millonésima de segundo y libera grandes cantidades de energía térmica. La liberación tan rápida de una cantidad tan grande de energía en un volumen relativamente pequeño, provoca que la temperatura alcance decenas de millones de grados. La posterior expansión y vaporización del material de la bomba provoca una potente explosión.

Producción de material físil

Fueron necesarios muchos experimentos para hacer factible la producción de material físil.

Separación de los isótopos de uranio

El isótopo físil uranio 235 representa sólo el 0,7% del uranio natural.

El resto se compone del más pesado uranio 238. Los métodos químicos no son suficientes para separar el uranio 235 del uranio normal, porque ambos isótopos del uranio son idénticos en su forma química. Se han creado varias técnicas para separarlos, pero todas ellas se basan en la pequeña diferencia de peso que hay entre los dos tipos de átomos de uranio.

Durante la II Guerra Mundial se construyó en Oak Ridge (Tennessee) una inmensa planta de difusión gaseosa. Esta planta se amplió después de la guerra y se construyeron dos similares cerca de Paducah (Kentucky) y de Portsmouth (Ohio).

El material de base para este tipo de planta es el gas hexafluoruro de uranio, que es muy corrosivo. Este gas se bombea sobre barreras que tienen millones de pequeños agujeros, a través de los cuales las moléculas más ligeras (que contienen átomos de uranio 235) se difunden a una velocidad mayor que las moléculas más pesadas que contienen átomos de uranio 238 . Una vez que el gas se ha difundido a través de miles de estas barreras (también llamadas fases), se hace muy rico en el isótopo más ligero del uranio. El producto final es uranio apto para fabricar bombas con más de un 90% de uranio 235.

Producción de plutonio

Aunque el isótopo de uranio 238 no puede mantener una reacción en cadena, sí puede convertirse en material físil si se bombardea con neutrones. Este proceso puede llevar a la obtención de un nuevo elemento. Cuando el átomo de uranio 238 captura un neutrón en su núcleo se transforma en un isótopo más pesado: el uranio 239. Éste se desintegra con mucha rapidez y forma neptunio 239 que es un isótopo del elemento 93. Una nueva desintegración convierte este isótopo en otro del elemento 94, llamado plutonio 239. Éste, como el uranio 235, se fisiona después de la absorción de un neutrón y puede usarse como material para bombas. La producción de plutonio 239 en grandes cantidades requiere una intensa fuente de neutrones. Esta fuente se obtiene de la reacción en cadena controlada que se produce en un reactor nuclear. Véase Física nuclear.

Durante la II Guerra Mundial se diseñaron reactores que proporcionaban los neutrones necesarios para producir el plutonio. Se construyeron algunos capaces de producir grandes cantidades de plutonio en Hanford (Washington) y cerca de Aiken, en Carolina del Sur.

Armas termonucleares o de fusión

Antes de que se fabricara la primera bomba atómica los científicos ya se dieron cuenta de que en teoría era posible una reacción nuclear diferente de la fisión, como fuente de energía nuclear. En vez de aprovechar la energía que se produce en una reacción en cadena en el material físil, las armas nucleares podrían utilizar la energía liberada en la fusión de los elementos más ligeros. Esta reacción es la opuesta a la fisión, ya que consiste en la fusión de dos núcleos de isótopos de algún átomo ligero como el hidrógeno. Por esta razón, las bombas de fusión nuclear se llaman muchas veces bombas de hidrógeno o bombas H. De los tres isótopos de hidrógeno, los dos más pesados, deuterio y tritio, son los que se combinan con más facilidad para formar helio. Aunque la liberación de energía por reacción nuclear durante la fusión es menor que en la fisión, la cantidad de átomos en 0,5 kilogramos de un material ligero es mucho mayor. La energía que liberan 0,5 kilogramos de un isótopo de hidrógeno es equivalente a 29 kilotones de TNT, es decir, tres veces más que la misma cantidad de uranio. Pero esta estimación presupone la fusión de todos los átomos de hidrógeno. La fusión se produce sólo a temperaturas de varios millones de grados y su velocidad sufre un incremento espectacular con la temperatura. Estas reacciones se llaman, por tanto, reacciones termonucleares (inducidas por calor).

Hablando en términos estrictos, la palabra termonuclear denota que los núcleos tienen un rango (o distribución) de energías característico para cada temperatura. Este hecho es importante, al posibilitar las reacciones de fusión rápidas mediante un incremento de la temperatura.

El desarrollo de las bombas de hidrógeno era imposible antes de que se perfeccionaran las bombas A, dado que sólo éstas podían proporcionar la tremenda cantidad de calor necesaria para iniciar la fusión de los átomos de hidrógeno. Los científicos atómicos consideraban las bombas A como el detonador del dispositivo termonuclear proyectado.

Pruebas termonucleares

Después de algunas pruebas experimentales llevadas a cabo en la primavera de 1951 en la zona de pruebas de Estados Unidos en las islas Marshall, el 1 de noviembre de 1952 se realizó con éxito la primera prueba a gran escala de un dispositivo de fusión. Esta bomba, llamada Mike, produjo una explosión de la potencia de varios millones de toneladas de TNT (es decir, varios megatones).

La Unión Soviética detonó una bomba termonuclear de más de un megatón en agosto de 1953, mucho antes de lo que se esperaba. El 1 de marzo de 1954, Estados Unidos hizo explotar una bomba de fusión de una potencia de 15 megatones. Provocó una bola de fuego de más de 4,8 kilómetros de diámetro y una enorme nube en forma de hongo, que se elevó con mucha rapidez hasta la estratosfera.

La explosión de marzo de 1954 dio lugar a que se reconociera mundialmente la existencia de la lluvia radiactiva. La lluvia de desechos radiactivos procedentes del hongo atómico reveló también muchas cosas sobre la naturaleza de una bomba termonuclear. Si la bomba hubiese sido una bomba A, como detonador de un núcleo de isótopos de hidrógeno, la única radiactividad persistente hubiera sido la de los restos de la fisión del detonador y la inducida por los neutrones en el agua de mar y en los corales. Pero algunos residuos radiactivos cayeron en un barco japonés llamado el Dragón afortunado, un atunero que se encontraba a 160 kilómetros del lugar de la explosión. El polvo radiactivo fue analizado con posterioridad por científicos japoneses y sus resultados probaban que la bomba cuyos residuos se habían recogido sobre el Dragón afortunado era algo más que una bomba H.

Bombas de fisión-fusión-fisión

La bomba termonuclear de 1954 fue un arma de tres fases. La primera fase era una bomba A que actuaba como detonador. La segunda era una bomba H, resultante de la fusión de deuterio y tritio en el interior. Al detonar se formaban átomos de helio y neutrones de alta energía. La tercera fase se iniciaba con el impacto de estos neutrones en la cubierta exterior de la bomba, que estaba hecha de uranio natural o uranio 238. En este punto no se producía reacción en cadena, pero los neutrones de la fusión tenían suficiente energía como para producir la fisión del núcleo de uranio, lo que se sumaba a la potencia explosiva total y a la radiactividad de los residuos de la bomba.

Efectos de las armas nucleares

Los efectos de las armas nucleares se estudiaron con mucho detenimiento.

Efectos de la onda expansiva

Al igual que con las explosiones de armas convencionales, la mayor parte del daño causado por una explosión nuclear en los edificios y en otras estructuras proviene, de modo directo o indirecto, de los efectos de la onda expansiva. La rápida expansión de los materiales de la bomba produce un impulso de altas presiones, también llamado onda de choque, que se mueve desde la bomba en explosión hacia fuera con mucha rapidez. En el aire, esta onda de choque se llama onda expansiva, porque es equivalente a ésta y la acompañan vientos de una fuerza mucho mayor que los de un huracán.

Los daños son producidos tanto por el gran exceso (o sobrepresión) de aire que anteceden a la onda expansiva como por los vientos tan fuertes que siguen soplando después del paso de la onda expansiva. El alcance de los daños en tierra como consecuencia de la explosión depende de su equivalente en TNT, de la altitud a la que explotó la bomba (altura de la explosión) y de la distancia de la estructura hasta el punto cero (es decir, el punto situado justo bajo la explosión de la bomba en vertical). En el caso de las bombas A que explotaron sobre Japón, la altura de la explosión fue de unos 550 metros, ya que se calculó que esta altura produciría un área de destrucción máxima. Si el equivalente en TNT hubiera sido mayor, se habría escogido también una mayor altitud de explosión.

Si se elige una altura de explosión que maximice el área afectada, una bomba de 10 kilotones provocará daños graves en las casas con estructura de madera (muy comunes en Estados Unidos) a una distancia de más de 1,6 kilómetros del punto cero y provocará daños moderados hasta los 2,4 kilómetros (una casa con graves daños ya no se puede reparar). El radio de devastación se incrementa con la potencia de la bomba, de modo proporcional a su raíz cúbica. Por tanto, si una bomba de 10 megatones (1.000 veces más poderosa que una de 10 kilotones) explota a una altura óptima, las distancias se incrementarán por un factor diez: 16 kilómetros de radio para los daños graves y 24 kilómetros para los daños moderados.

Efectos térmicos

Las altísimas temperaturas que se alcanzan en una explosión nuclear provienen de la formación de una masa de gas incandescente muy caliente que se llama bola de fuego. Por una bomba de 10 kilotones detonada en el aire, la bola de fuego alcanzaría un diámetro de 300 metros y la de una bomba de 10 megatones sería de 4,8 kilómetros. La bola de fuego emite un fogonazo de radiación térmica (es decir, calor), que se extiende sobre una gran área pero con una intensidad cada vez más débil. La cantidad de energía térmica recibida a cierta distancia de la explosión nuclear depende de la potencia de la bomba y de las condiciones de la atmósfera. Si hay poca visibilidad o la bomba explota sobre las nubes, la efectividad de la onda térmica disminuye. La radiación térmica provoca quemaduras en la piel que no está protegida. Una explosión de 10 kilotones en el aire puede producir quemaduras de gravedad moderada (de segundo grado y que requieren atención médica) a 2,4 kilómetros del punto cero. Para una bomba de 10 megatones la distancia se eleva a más de 32 kilómetros. También se producirían quemaduras menos graves de la piel expuesta mucho más lejos. La mayor parte de la ropa ordinaria protege de la radiación térmica, al igual que casi cualquier objeto opaco. Las quemaduras provocadas por el fogonazo térmico sólo se producen si la piel está expuesta de forma directa, o la ropa es demasiado ligera para absorber la radiación térmica.

La radiación térmica puede provocar incendios en materiales inflamables secos, como por ejemplo el papel o algunos tejidos. Estos incendios pueden propagarse si hay condiciones apropiadas. La experiencia de las bombas A detonadas sobre Japón indica que muchos incendios, en especial los de las zonas cercanas al punto cero, se iniciaron por causas secundarias como cortocircuitos, conductos de gas rotos y hornos y calderas industriales volcados. La onda expansiva produjo escombros que ayudaron a mantener los incendios y que dificultaron el acceso de los servicios de bomberos. Por tanto, gran parte de los daños provocados por el fuego en Japón fueron efectos secundarios de la onda expansiva.

Bajo ciertas condiciones, como las que se dieron en Hiroshima pero no en Nagasaki, muchos fuegos dispersos se pueden combinar y producir una tormenta de fuego, como las que acompañan a algunos grandes incendios forestales. El calor del fuego provoca una fuerte corriente ascendente, que a su vez provoca vientos fuertes, dirigidos hacia la zona que está ardiendo. Estos vientos avivan las llamas y convierten la zona en un holocausto en el que se destruye cualquier cosa inflamable. Sin embargo, como el viento lleva las llamas hacia el interior, se puede limitar la zona en que se propague un fuego.

Radiactividad

Aparte de la onda térmica y expansiva, las bombas nucleares tienen un efecto característico. Liberan radiación penetrante que es diferente por completo de la radiación térmica, es decir, del calor . Cuando es absorbida por el cuerpo, la radiación nuclear puede provocar graves daños. Si la explosión ocurre a gran altitud, el radio en que se producen estos daños es menor que el de los daños por incendios y por la onda expansiva o que el de las quemaduras por radiación térmica. Sin embargo, en Japón debido a la radiación murieron más tarde muchas personas que estaban protegidas de la onda expansiva y de las quemaduras.

Existen dos categorías de radiación nuclear provocadas por una explosión: la radiación instantánea y la radiación residual. La radiación instantánea se compone de un fogonazo de neutrones y rayos gamma que se propagan por una zona de varios kilómetros cuadrados. Los efectos de los rayos gamma son idénticos que los de los rayos X. Tanto los neutrones como los rayos gamma pueden atravesar la materia sólida, por lo que para protegerse hacen falta materiales de gran espesor.

La radiación residual conocida como lluvia radiactiva puede ser un peligro en grandes zonas que no sufran ninguno de los otros efectos de la explosión. Las bombas que obtienen su energía de la fisión del uranio 238 o del plutonio 239 producen dos núcleos radiactivos por cada núcleo físil que se divide. Estos productos de la fisión producen una radiactividad permanente en los restos de la bomba, ya que la vida media de estos átomos se puede medir por días, meses o años.

Se conocen dos tipos de lluvia radiactiva, la inicial y la tardía. Si la explosión nuclear se produce cerca de la superficie, la tierra o el agua se levantan formando una nube en forma de hongo. Además el agua y la tierra se contaminan al mezclarse con los restos de la bomba. El material contaminado empieza a depositarse a los pocos minutos y puede seguir haciéndolo durante 24 horas, cubriendo una zona de varios miles de kilómetros cuadrados, en la dirección en que el viento lo lleve. Se llama lluvia radiactiva inicial y supone un peligro inmediato para los seres humanos. Si una bomba nuclear explota a gran altitud, los residuos radiactivos se elevan a gran altura junto con la nube en forma de hongo y cubren una zona aún más extensa.

La experiencia de la lluvia radiactiva en el hombre ha sido mínima. El caso más importante es el de la exposición accidental de isleños y pescadores en la explosión de 15 megatones del 1 de marzo de 1954. La lluvia radiactiva ha afectado a los seres humanos en diversas ocasiones: las secuelas de los experimentos nucleares estadounidenses en Bikini (Micronesia, 1946) y de las bombas nucleares de Hiroshima y Nagasaki en 1945 todavía se manifiestan en la población que sufrió sus efectos y en sus descendientes. El 26 de abril de 1986 estalló el reactor de la central nuclear ucraniana de Chernóbil, y emitió radiación durante 10 días. En el plazo de cinco años el cáncer y la leucemia aumentaron en la zona un 50%. No es posible calcular o predecir las generaciones futuras que todavía se verán sometidas a las consecuencias de los accidentes o explosiones nucleares. Las propiedades de la radiactividad y las inmensas zonas que pueden contaminarse convierten a la lluvia radiactiva en lo que, potencialmente, pudiera ser el efecto más letal de las armas nucleares.

Efectos climáticos

Aparte de los daños por la onda expansiva y por la radiación, una guerra nuclear a gran escala entre naciones tendría casi con certeza un efecto catastrófico sobre el clima mundial. Esta posibilidad, que se planteó en un artículo publicado por un grupo internacional de científicos en diciembre de 1983, se conoce como la teoría del 'invierno nuclear'. Según estos científicos, la explosión de menos de la mitad del total de las cabezas nucleares de Estados Unidos y Rusia enviaría a la atmósfera enormes cantidades de polvo y humo. Esta cantidad sería suficiente para ocultar al Sol durante varios meses, sobre todo en el hemisferio norte, lo que acabaría con las plantas y provocaría un clima de temperaturas bajo cero hasta que se dispersase ese polvo.

La capa de ozono también se vería afectada, lo que agravaría los daños como consecuencia de la radiación ultravioleta solar. Si esta situación se prolongase, significaría el fin de la civilización humana. Desde entonces, la teoría del invierno nuclear ha estado permanentemente envuelta en polémica. En 1985 el Departamento de Defensa de Estados Unidos reconoció la validez de la idea, pero afirmó que no afectaría a la política de defensa.

Bombas H Limpias

Por término medio, un 50% de la potencia de una bomba H proviene de las reacciones termonucleares y otro 50% de la fisión de la bomba A, que actúa como detonante, así como de la fisión de la capa externa de uranio. Se define la bomba H limpia como aquélla en la que menos del 50% de su potencia proviene de la fisión. Dado que la fusión no produce sustancias radiactivas de forma directa, los residuos de una bomba limpia son menores que los de una bomba H media normal con la misma potencia. Si se construyese una bomba H, sin cubierta de uranio pero con un detonador de fisión, sería relativamente 'limpia'. Quizá tan poco como un 5% de la potencia explosiva provendría de la fisión; por tanto, la bomba sería limpia en un 95%. Esta bomba de fusión mejorada, también llamada bomba de neutrones, ha sido probada por Estados Unidos y otras potencias nucleares. Aunque la fisión no libera residuos radiactivos que sean duraderos, sí libera una gran cantidad de los neutrones creados en la reacción termonuclear. Estos neutrones inducen la radiactividad en otros materiales, sobre todo en la tierra y el agua, en un radio relativamente pequeño alrededor de la explosión.

Por eso, la bomba de neutrones se considera un arma táctica, porque puede producir daños graves en el campo de batalla. Destruye los carros blindados y otros vehículos similares y provoca la muerte o deja heridas de escasa gravedad a las personas expuestas, pero no produce los residuos radiactivos que ponen en peligro a seres humanos o a las casas a kilómetros de distancia.

ESQUEMA

1- La química en nuestra sociedad

1.1- Química inorgánica

1.1.1- Ácido Sulfúrico

Industrias de vidrio y jabón

Coquerías

Química orgánica

Gas de coquerías

Alquitrán de hulla

Explosivos químicos

Pólvora

Nitroglicerina

Dinamita

Abonos

Nitrogenados

Fosfatados

Potásicos

Triple

Medicamentos

Antibióticos

Analgésicos

Petróleo y carbón

Cemento hierro y acero

Controlar residuos

OPNIÓN PERSONAL

Yo creo que la química tiene sus cosas buenas y sus cosas malas como todas las cosas; por ejemplo una cosa buena de la química es la producción de medicamentos, la producción de petróleo en las refinerías, etc, y algunas de sus cosas malas son la fabricación de drogas, explosivos, etc.

Hay que reconocer que la química ha provocado grandes avances en nuestra sociedad como por ejemplo la invención de la Penicilina por Alexander Flemming en 1929; pero también tiene ha provocado retrocesos como por ejemplo la explosión de la bomba atómica Durante la II Guerra Mundial, en Hiroshima a mando de los Estados Unidos de América el 6 de Agosto de 1945.

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