Isótopos QUÍM.

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Química

Se denominan i. los elementos químicos (v.) que tienen igual número de protones en su núcleo y distinto contenido neutrónico (V. ÁTOMO I). En un sentido amplio se da esta denominación a los elementos que ocupan el mismo lugar en el Sistema periódico, químicamente idénticos e indiferenciables por sus características físicas ordinarias. Esta segunda definición es una aproximación a la realidad, ya que los núcleos de los elementos i. contienen un número distinto de neutrones, es decir, tienen un peso diferente. Esta aproximación es tanto mayor cuanto más parecidas a la unidad son las relaciones entre las masas de los i.

Las diferencias físicas o químicas que presentan los i. o sus compuestos reciben el nombre de efectos isotópicos, que son en general muy débiles, pero pueden permitir en ocasiones el fraccionamiento, e incluso la separación isotópica, debido a la desigualdad de las masas de sus núcleos y a otras propiedades nucleares, como, p. ej., el spin (v. ELECTRÓN). En algunos casos, como en el hidrógeno (v.), las diferencias isotópicas se manifiestan marcadamente en la densidad, puntos de fusión y de ebullición, velocidades de difusión, calores latentes, etc.

Desde el punto de vista químico, los efectos isotópicos se manifiestan en los potenciales químicos y en las diferencias cinéticas. Las diferencias en los potenciales químicos han encontrado aplicación en las separaciones isotópicas. La velocidad de reacción de los i., o de moléculas isotópicas, puede presentar valores algo distintos, debido a las diferencias en las energías de activación (v. REACCIONES QUÍMICAS I).

Separación de isótopos. Toda propiedad que varíe con la masa puede ser útil para realizar una separación isotópica. En algunos casos sólo se consigue un enriquecimiento limitado, en uno de los componentes, sin alcanzar la separación total. En otros se logra una separación completa.

Destilación fraccionada. La separación se realiza en este caso en función de las tensiones de vapor de las dos moléculas isotópicas puras:

PIa= P 2

donde a es el factor de separación; P, y P2 son las tensiones de vapor. En el caso del H20-16 y H2O-18, a vale 1,007.

La destilación se realiza a reflujo, según el principio de contracorriente, El rendimiento de la destilación fraccionada es siempre muy débil y el método sólo interesa si la mezcla isotópica abunda y no es costosa.

Difusión. De acuerdo con la ley de Graham, la velocidad de difusión de un gas a través de un sólido poroso es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular, con la condición de que el diámetro de los poros sea muy pequeño en relación al recorrido libre medio de las moléculas. En el caso de la mezcla de dos moléculas isotópicas la difusión se caracteriza por un factor de separación inicial:

a= JM1/M2.

Difusión térmica. Está basada en el efecto Soret y posee gran eficacia. La creación de un gradiente de temperatura en una mezcla fluida, inicialmente homogénea, lleva consigo la existencia de un gradiente de concentración mediante un fenómeno de difusión, encontrándose las moléculas más ligeras en las zonas calientes y las más pesadas en las zonas frías.

Centrifugación. Una mezcla gaseosa sometida al campo de gravitación terrestre, o bien a una acción de centrifugación, experimenta un fraccionamiento. El factor de separación no depende en este caso de la relación de las masas, sino de su diferencia.

Métodos químicos. Se han desarrollado varias técnicas basadas en cambios fónicos (v.). Estos cambios pueden ser llevados a cabo mediante una resina (v.) cambiadora de iones dispuesta en una columna cromatográfica. El factor de separación elemental depende de la constante de equilibrio del cambio fónico o de la isoterma de absorción. La separación global es función de la altura de la columna, velocidad del proceso de elución, finura de los granos, etc.

Métodos electroquímicos. La electrólisis (v.) ha resultado especialmente útil para la separación de i. del hidrógeno y obtención del agua pesada. El i. ligero se descarga en el cátodo y la solución se enriquece en deuterio (v. HIDRÓGENO).

Espectrometría de masa y separaciones electromagnéticas. Mediante el uso de técnicas electromagnéticas se logran factores de separación muy elevados, consiguiendo al propio tiempo elevadas cantidades y considerable pureza en las separaciones isotópicas. Se pueden separar elementos ligeros y pesados e incluso es susceptible de llevar a cabo una separación simultánea de diferentes i. La técnica de separación se basa en la variación de la trayectoria de los iones gaseosos en función de su carga, su masa y su energía en el seno de un campo eléctrico y otro magnético combinados. Dempster ha desarrollado el primer espectrómetro de masas que permite determinar la composición isotópica por medida de corrientes eléctricas. Los vapores del elemento se ionizan mediante bombardeo con un haz de electrones, emitidos por un filamento incandescente. Los iones, después de atravesar un campo eléctrico y un campo magnético, homogéneo e intenso, son localizados sobre un electrómetro (v. ESPECTROMETRÍA DE MASAS).

Aplicaciones de los radioisótopos en agricultura. Una de las aplicaciones más importantes de los radioisótopos en agricultura consiste en producir modificaciones genéticas. Mediante el empleo de radiaciones beta, y sobre todo gamma (v. RADIACTIVIDAD), se han originado una serie de mutaciones en diversos vegetales, con lo que se han logrado variedades dotadas de propiedades especiales (V. GENÉTICA I).

En el campo de experimentación del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Long Island (USA), se disponen las plantas en círculos concéntricos, alrededor de una fuente de cobalto radiactivo que emite radiación gamma. Puesto que la intensidad de la radiación decrece con la distancia, las mutaciones producidas son variables, tanto más atenuadas cuanto mayor sea el radio del círculo. Por este procedimiento se han producido variedades nuevas con mayor concentración de clorofila, más resistentes a ciertos hongos patógenos, mejor adaptadas a suelos pobres, etc. Una conquista importante ha sido la obtención de variedades de maduración temprana, así como la de otras de mayor riqueza en semillas. Se han obtenido coloraciones más intensas en cierta clase de manzanas y peras con una forma diferente de la habitual; trigo y avena con alta resistencia a los hongos, etc. Se piensa en la obtención de variedades de plantas que se adapten a las regiones polares, lo que supondría una conquista importante para la humanidad.

Se trata en definitiva de "modernizar", mediante mutaciones inducidas por las radiaciones, las especies vegetales haciéndolas más útiles al hombre. El procedimiento requiere encontrar la dosis de radiación exacta para producir la variedad útil y no una variedad monstruosa u originar la muerte del vegetal. En general, las radiaciones ionizantes son demasiado toscas para el delicado mecanismo cromosómico y por este motivo algunos genetistas consideran que esta técnica es equivalente a la que supondría arreglar un reloj con un martillo de carpintero. El encontrar la dosis adecuada es un problema de repetidos ensayos y tanteos. La respuesta de las distintas plantas es diferente e incluso la sensibilidad de las células depende de la fase en que se encuentren.

Otra aplicación importante de los radioisótopos ha permitido conocer con detalle una de las síntesis más importantes: la fotosíntesis (v.). Este proceso ha podido ser estudiado con detalle gracias al uso de carbono radiactivo, es decir, el C-14, que se suministra a las plantas en forma de C02. También se ha utilizado oxígeno radiactivo y se ha demostrado que todo el oxígeno puesto en libertad en el proceso de fotosíntesis procede del agua. Se han realizado asimismo experiencias con cloroplastos, obtenidos a partir de células de plantas, y se ha llegado a la misma conclusión.

Siguiendo una técnica semejante a la indicada para el carbono y oxígeno se ha podido estudiar el itinerario biológico de los principales elementos. Utilizando fósforo-32, p. ej., es posible conocer los problemas referentes a la absorción de fósforo por las plantas a partir del suelo. El fósforo interviene en la estructura de moléculas complejas, entre las que se encuentran los ácidos nucleicos; también integra compuestos inestables que juegan un papel importante en los tejidos meristemáticos. Se puede demostrar la alta concentración de fósforo existente en las semillas. La mayor demanda de fósforo se presenta en las yemas y raíces, donde las células se encuentran en activa división.

El uso de fosfatos marcados (con P-32) sirve para conocer en qué época tiene la planta mayores necesidades de fósforo, bajo qué forma es más efectivo el abono, profundidad óptima en relación con las raíces, tamaño más conveniente del granulado, etc. Todos estos conocimientos significan una mayor eficacia en el abonado, con la consiguiente economía y aumento de cosecha.

La cantidad de fósforo radiactivo incorporado al fertilizante es muy pequeña, ya que su único fin es servir de trazador y, por consiguiente, no cabe pensar que la radiación pueda afectar al metabolismo de la planta.

La absorción de fertilizantes foliares se ha estudiado detenidamente gracias al uso de radioisótopos, en especial P-32 y K-42. El calcio radiactivo ha permitido conocer que el calcio se absorbe también a través de las hojas, pero presenta pequeña movilidad y no alcanza las raíces, a diferencia del fósforo y potasio. En determinados periodos, como en la floración y formación del fruto, la demanda de nutrientes es considerable y se puede complementar a través de las hojas el suministro procedente del suelo (V. ABONOS Y FERTILIZANTES I).

Los radioisótopos en la lucha contra las plagas. Las pérdidas que cada año ocasionan las plagas en las cosechas mundiales se estiman en un 30% de la cosecha anual. Para combatir con eficacia una plaga es necesario conocer con detalle su ciclo biológico. En el caso de las plagas de insectos, p. ej., se procede a marcarlos con un radioisótopo, frecuentemente cobalto-60, y de este modo se les localiza fácilmente. Incluso se puede detectar la presencia de larvas "marcadas", situadas a varios centímetros por bajo de la superficie del suelo. Veinte milicurios de cobalto-60 es una cantidad adecuada para marcar un insecto. A fin de que el cobalto-60 no se, elimine del interior del cuerpo del insecto se suele envolver la pequeña aguja de cobalto con una delgada cubierta de oro.

Una vez que se conocen con exactitud las características biológicas y el habitat de una plaga se puede predecir la época en que se originará su ataque y recurrir a los medios de protección adecuados. Se logra reducir así la cantidad y el gasto de insecticidas, con una mayor eficacia.

Además del cobalto-60 se han utilizado con éxito el circonio-95, el sulfato de radio, el tántalo-182, etc. Cuando se trata de insectos muy pequeños se les incorpora el radioisótopo siguiendo otra técnica: se suministra fósforo-32 a determinadas plantas que sintetizan compuestos en los que interviene el radiofósforo. Estos compuestos forman parte del néctar que es asimilado por los insectos. Para obtener una información completa de la acción del insecticida se le marca, incorporándole determinados átomos radiactivos.

En el almacenaje de las cosechas, se ha empleado con éxito la radiación con fines insecticidas. En algunos casos se necesita una dosis de 65.000 roentgen (v. IONIZACIÓN) para producir la muerte de los insectos. Dosis inferiores, del orden de los 30.000 roentgen, pueden detener la reproducción y son suficientes si el grado de infección no es muy acentuado.

Mediante la inyección de bromuro potásico radiactivo (bromo-82) a un árbol (Quercus ellipsoidales), en un bosque, se ha podido demostrar la intercomunicación que existe a través de las raíces. Esta circunstancia justifica la facilidad de la contaminación, el recrecimiento de árboles cortados, etc. Se ha determinado también la velocidad de movimiento de la savia ascendente y se ha encontrado que es mayor en días soleados y secos que en días nublados y húmedos.

Conservación de alimentos. Un campo en el que pueden encontrar aplicación los subproductos radiactivos de las centrales nucleares (V. REACTORES NUCLEARES) es la conservación de alimentos. Los productos resultantes de la fisión pueden ser utilizados como fuentes /3 y y. Si los alimentos son tratados con rayos v o con rayos X de intensidad muy elevada, se puede inducir en ellos radiactividad. Es necesario, por consiguiente, no pasar de una determinada intensidad, que varía con la sustancia.

Como regla general, los animales superiores son más sensibles a la radiación que los animales inferiores. Las bacterias y los hongos que causan la putrefacción de los alimentos pueden sobrevivir ante una dosis de radiación suficiente para matar una drosophila. Para matar el 99,99% de una población de bacterias ordinarias hay que usar una dosis de 100.000 roentgen. Para matar las esporas de esas mismas especies se necesita una dosis aún mayor.

La dosis necesaria para esterilizar un alimento determinado depende de la naturaleza del alimento y de sus condiciones físicas. Es necesario calcular mediante tanteo la dosis adecuada. La radiación puede modificar también el olor y el color del alimento.

Empleo de los radioisótopos en Zootecnia. La mejora de plantas lograda por técnicas radiactivas puede redundar en una mejor alimentación del ganado. Directamente los radioisótopos se han utilizado en la selección de ganado vacuno, p. ej., determinando en las terneras la actividad del tiroides mediante suministro de 1-131; función de la actividad tiroidea será la capacidad lactógena futura. El empleo del cobre radiactivo ha servido para controlar y mejorar las calidades de lana en Australia.

Los radioisótopos en terapéutica. Exploraciones clínicas. Se utilizan con éxito los radioelementos, tal como el P-32, en la localización exacta de tumores cerebrales. Los tejidos cancerosos tienen mayor apetencia por el fósforo que los tejidos normales. El radiogalio también se ha utilizado para el diagnóstico de tumores malignos en huesos. Los estudios acerca de la circulación de la sangre se realizan con radiofósforo, radiosodio, radiohierro, etc. Se han podido medir la duración de la circulación pulmonar, las condiciones óptimas para las transfusiones de sangre, etc.

El yodo radiactivo se ha empleado con éxito en enfermedades del tiroides; los rayos beta que emite pueden producir una irradiación eficaz de la zona tumoral (cáncer de tiroides). El radiofósforo se ha mostrado eficaz en el tratamiento de poliglomelias (eritremia), formando la eritropoyesis.

El radiocobalto (Co-60) emite una radiación gamma análoga a la del radio, razón por la que se utiliza la telecobaltoterapia, mucho más barata y asequible que la radioterapia. El radiocesio también se utiliza en la lucha contra el cáncer.

Industria. También en la industria han encontrado los radioisótopos numerosas aplicaciones, tales como control de espesores, medida de densidades, estudios de lubricación, gammagrafía y autorradiografía, etc.

V. t.: RADIACTIVIDAD; NÚCLEO; CINÉTICA, TEORÍA.

J. RODRÍGUEZ MARTÍNEZ.

BIBL.: J. RODRÍGUEZ MARTÍNEZ, introducción a la radiactividad, Madrid 1971; H. HAYSSINSKY, La Chimie nucleaire et ses applications, París 1957; F. LOT, Les radio-isotopes au service de 1’homine, ed. UNESCO, 1958.