Le reazioni chimiche sono molto pericolose. Non si possono fare reazioni
chimiche da soli, ma serve un laboratorio chimico ben attrezzato, diversi
operatori presenti in laboratorio, per gli eventuali soccorsi di emergenza;
serve un medico disponibile 24 ore su 24; serve un buon ospedale per i soccorsi
di emergenza.
Purtroppo i morti sul lavoro sono molti; le cause sono la inesperienza del
lavoratore, cioè non sempre il lavoratore si è istruito in modo adeguato sui
pericoli che corre.
L'esempio classico è quello del fumatore; si lavora, ci si stanca, si prende un
caffè o si fuma una sigaretta. Va sempre tutto bene.
Poi un giorno ti trovi a pulire un serbatoio, ovviamente è vuoto. Ma sembra che
sia vuoto; all'interno si possono formare dei gas esplosivi. Se non fumi ti
salvi, forse, ma non è detto. Basta accendere una sigaretta, il serbatoio
esplode prima ancora di pulirlo. Muore l'operaio fumatore, ma possono subire
conseguenze nefaste anche gli altri operai vicini. Poi, siccome si usa costruire
molti serbatoi a poca distanza, l'urto dello scoppio può causare danni nelle
vicinanze con altre esplosioni o fuoriuscite di gas nocivi nell'aria e
nell'ambiente.
Vi è, quindi, il pericolo che la produzione sia nociva sia per l'operaio sia per
le persone vicine.
Poi vi sono sulla terra sostanze nocive; in alcune parti della terra vi sono
deserti immensi e enormi distese di sabbia, come alle pendici dei monti più alti
del mondo, cioè le catene di monti dell'Himalaya, tra cui il Monte Everest.
A sud dei monti suddetti si estendono fertili pianure; a nord dei monti suddetti
si estendono pianure nocive per l'umanità; montagne di sabbia che il vento
solleva in alto. Se qualcuno ha fatto delle prove di bombe nucleari, cioè di
bombe che usano sostanze radioattive, quella sabbia il vento la porta in alto
nelle nubi e la trascina a molta distanza, disseminando la morte anche in territori
abitati e fertili.
Ma vediamo come è costituito un atomo. Consideriamo il nucleo atomico.
Il
nucleo è costituito da un certo numero di protoni e da un certo numero di
neutroni.
Sono stati fatti degli esperimenti sui nuclei atomici; vi sono due tipi di
esperimenti. Un primo consiste nell'unire due nuclei atomici tra di loro e
tenerli uniti; questo esperimento si chiama fusione nucleare, cioè unione tra
due nuclei. Per la fusione occorre applicare dall'esterno una notevole energia,
in quanto i due nuclei sono carichi positivamente e si respingono. Anche se la
fusione determina un aumento di temperatura, cioè si tratta di una reazione che
genera calore, tuttavia l'energia necessaria da applicare dall'esterno è molto
elevata; per questo la fusione non viene utilizzata nelle industrie e nelle
centrali, in quanto complessivamente si ha una perdita di energia e non una
trasformazione chimica utile per scopi industriali come per il procedimento
opposto, detto fissione nucleare.
Cimica organica
La fissione nucleare
Un secondo modo di operare sul nucleo atomico è quello di spezzarlo
dall'esterno colpendolo con forza mediante dei neutroni, cioè bombardandolo con
neutroni. In tal modo il nucleo si divide in più parti, cioè si scinde; questo
procedimento si chiama scissione nucleare o fissione nucleare.
La reazione di fissione nucleare è vantaggiosa in quanto inizia una reazione
a catena che porta a riscaldare i nuclei degli atomi presenti attorno all'atomo
bombardato, che a loro volta si scindono generando energia che fa scindere altri
atomi. Complessivamente l'energia generata sotto forma di calore è molto
elevata. Essa viene, quindi, impiegata nelle centrali elettriche per riscaldare
l'acqua trasformandola in vapore acqueo ad alta temperatura in grado di far
ruotare, se indirizzato sulle pale, attorno al proprio asse una macchina, detta
turbina a vapore, simile alle pompe elettriche, ma funzionante in senso inverso.
Cioè la turbina fa ruotare un alternatore elettrico collegato meccanicamente ad
essa; l'alternatore trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica con
tensione alternata utile per essere trasportata a grande distanza mediante dei
sottili fili di rame e giungere nelle industrie e nelle abitazioni civili.
Una centrale elettrica si dice centrale nucleare se sfrutta la reazione
atomica di fissione nucleare.
La fissione nucleare viene usata solo con i materiali radioattivi, tipo
l'uranio. L'uranio è nocivo per l'uomo anche a grande distanza, in quanto emette
delle radiazioni che bruciano le cellule e non permettono la vita né di piante
né di animali. Vi è una differenza tra onde radio cioè onde elettromagnetiche
utilizzate nei telefonini, nella televisione e nelle stazioni radio e le
radiazioni dei materiali radioattivi come plutonio e uranio o i raggi X usati in
alcune apparecchiature mediche. In particolare le radiazioni nocive sono quelle
che scindono gli atomi in due parti, una positiva detta ione e una negativa
detta elettrone. La radiazione nociva è detta radiazione ionizzante, cioè che genera
ioni, cioè distrugge gli atomi e le cellule determinando la morte.
L'uranio ha numero atomico 92 e peso atomico 238. Per l'uso dell'uranio nelle
centrali elettriche e nelle prime bombe atomiche è necessario uranio con peso
atomico 235. In natura l'uranio si trova mischiato con diversi isotopi cioè
uranio con lo stesso numero atomico 92, ma con differente peso atomico.
In particolare abbonda sino al 99% l'isotopo 238U, che non è utile
per la fissione nucleare; mentre per la fissione serve l'uranio con peso atomico
235 cioè l'uranio 235U.
Si chiama uranio arricchito l'uranio con molta parte di 235U
rispetto alla composizione naturale che è di circa 0,72 %. L'uranio si dice
arricchito se ha percentuali di 235U superiori al 3%. L'uranio
si dice impoverito se ha percentuali di 235U inferiori al 0,72%, di
solito tra 0,25% e 0,4%.
La reazione nucleare per usi civili ed industriali richiede delle particolari
apparecchiature. Il contenitore in cui avviene la reazione nucleare si chiama
reattore.
Reattore nucleare
La reazione nucleare di tipo industriale deve essere controllata, cioè non
deve superare dei limiti prestabiliti nella produzione di calore; qualora i
limiti venissero superati si avrebbe la rovina del reattore con emissione di
radiazione ionizzanti anche all'esterno, con pericolo di morte per le persone.
La reazione nucleare è simile alla accensione di un fuoco, ma la energia
generata è molto più potente, circa 50 milioni di volte più potente. La reazione
nucleare inizia bombardando non neutroni un atomo di uranio 235U;
l'atomo si scinde, cioè si rompe e butta fuori ad enorme velocità alcuni dei
suoi neutroni. Se uno di questi neutroni veloci va a colpire gli altri atomi di
uranio 235U, questi altri si scindono a loro volta generando altri
neutroni veloci, che vanno a colpire gli altri atomi di uranio 235U
presenti nel reattore. Si ha cioè una reazione a catena. Questa reazione deve
essere controllata, cioè deve essere limitata in modo che non superi il valore
previsto.
Importante nella reazione è il numero 1 inteso come rapporto tra i neutroni
prodotti dalla reazione rispetto ai neutroni che hanno iniziato la fissione.
Se il rapporto k è maggiore di 1 si ha una reazione a catena, cioè la
temperatura aumenta di molto e il reattore si rovina; se il rapporto è minore di
1 la reazione non è utile, in quanto si spegne. Se, invece, il rapporto è pari
ad 1 si dice che si ha la massa critica, cioè un numero di reazioni nucleari
sufficienti a far continuare la reazione, senza apporto di energia dall'esterno,
ma con produzione sia di calore sia di radiazioni necessarie per mantenere
la fissione nucleare. Per gli usi industriali il rapporto k non deve superare di
molto il valore 1; di solito si fissa k = 1,005; per le armi nucleari si fissano
valori di k = 1,2 in modo da sviluppare al massimo la reazione a catena.
I neutroni possono essere lenti o veloci; un neutrone lento ha un effetto
termico, cioè di riscaldamento, e si chiama neutrone termico. Un neutrone si
dice veloce se prevale l'energia cinetica, cioè l'energia di movimento rispetto
alla energia termica. Un materiale radioattivo si dice fissile se può essere
scisso da neutroni lenti, cioè da neutroni termici. Un materiale radioattivo si
dice fissionabile se può essere scisso da neutroni veloci ma non da elettroni
lenti.
Per quanto riguarda l'uranio si ha che l'uranio 235U è fissile,
cioè può avere la reazione a catena anche con neutroni lenti, oltre che con
neutroni veloci. Mentre l'uranio 238U non è fissile, ma solo
fissionabile, cioè ha bisogno di neutroni veloci per mantenere una reazione a
catena.
Il materiale fissile è detto anche combustibile nucleare, anche se la
reazione non è di combustione, cioè di bruciatura normale, ma di fissione, cioè
di rottura di atomi mediante neutroni.
Per controllare a scopi industriali una reazione a catena servono dei
materiali moderatori, cioè materiali che rallentino la velocità dei neutroni,
trasformandoli in neutroni termici, cioè neutroni lenti. I materiali moderatori
usati sono la grafite, l'acqua normale, detta acqua leggera, e l'acqua pesante.
L'acqua è detta acqua pesante se contiene idrogeno sotto forma di deuterio.
Nella reazione di fissione si generano oltre al calore utile da usare nelle
turbine, delle scorie, cioè dei rifiuti radioattivi. Una scoria particolare è il
plutonio, simbolo Pu, sotto forma di plutonio 239Pu, plutonio che
viene usato nelle bombe nucleari.
Domanda al professore di Chimica e Scienze
Corso di
Chimica e Scienze
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Elettrica
