Química Nuclear

Química Nuclear
Valentim M. B. Nunes
Departamento de Engenharia Química e do Ambiente
Maio de 2009
Introdução: reacções nucleares
A Química Nuclear é o estudo das reacções que envolvem
transformações no núcleo atómico.
Com excepção do 11 H todos os núcleos contêm dois tipos de
partículas fundamentais, os protões e os neutrões. Alguns
núcleos são instáveis, e emitem espontaneamente partículas
e/ou radiação electromagnética. A este fenómeno chama-se
radioactividade.
Os núcleos também podem sofrer transformações quando
bombardeados por neutrões, electrões e outros núcleos. Este
processo é designado por transmutação nuclear.
Reacções nucleares
Reacções Químicas
Reacções Nucleares
Quebra e formação de
ligações químicas
Elementos (ou isótopos do
mesmo elemento) são
convertidos uns nos outros
Só estão envolvidos electrões Podem estar envolvidos
em orbitais atómicas
protões, neutrões, electrões e
outras partículas elementares
Absorção ou libertação de
pequenas quantidades de
energia
Velocidade da reacção
depende de p e T.
Absorção ou libertação de
enormes quantidades de
energia
Velocidades não são em regra
afectadas por p e T.
Partículas elementares
Partículas elementares
protão
Símbolo
1
1
p ou 11H
1
0
neutrão
electrão
0
1
positrão
0
1
partícula 
4
2
n
e ou -10
e ou 10
He ou 24
O símbolo 10 e indica um electrão de uma orbital atómica ou
proveniente de uma orbital atómica. O símbolo -10 representa
um electrão que embora fisicamente idêntico provém de um
núcleo atómico.
Acerto de equações nucleares
Ao acertar uma equação nuclear deve-se obedecer às seguintes
regras:
>>> O número total de protões + neutrões nos produtos e
reagentes deve ser o mesmo (conservação do número de massa)
>>> O número total de cargas nucleares nos produtos e
reagentes deve ser o mesmo (conservação do número atómico)
Exemplos
212
84
78
33
Po 
208
82
Pb  X
X?
As-10  X X  ?
Estabilidade nuclear
Como sabemos, o núcleo ocupa uma porção muito pequena do
tamanho de um átomo, mas contém a maior parte da massa
(neutrões + protões). Considerando um núcleo típico com r =
510-3 pm e m = 110-22 g, obtemos:

110 22 g


3
4
13
 5 10 cm
3
 2 1014 g / cm3
21011 kg de H2O são aproximadamente 21011 L ou 2108 m3. Uma
piscina olímpica (50x16x2) leva aproximadamente 1600 m3 de água.
Assim a densidade do núcleo equivale a colocar a água de 125 000
piscinas olímpicas num volume de 1 cm3 !!!
Forças nucleares
Qual o tipo de forças que mantém as partículas tão fortemente
ligadas?
Existe repulsão (forças de Coulomb) p-p, mas também forças
atractivas de curto alcance p-p, p-n e n-n (para além do âmbito
deste curso). O factor principal que determina a estabilidade
do núcleo é a razão n/p. Em átomos estáveis de elementos de
baixo número atómico a razão é n/p  1. Á medida que o
número atómico aumenta a razão n/p > 1.
Faixa de estabilidade
Consequências
Os isótopos acima da faixa de estabilidade têm tendência a
1
1
0
emitir uma partícula beta: 0 n1 p  1 
C N  
14
6
14
7
0
1
Abaixo da faixa de estabilidade emitem um positrão, ou
capturam um electrão.
38
19
K  Ar  
55
26
38
18
0
1
Fe e Mn
0
1
55
25
Energia de coesão nuclear
Uma medida quantitativa da estabilidade nuclear é a energia de
coesão nuclear, que é a energia necessária para decompor o
núcleo nos seus componentes, protões e neutrões.
A massa de um núcleo é sempre menor que a soma da massa
de protões + neutrões. Exemplo: 199 F
massa atómica do 199F  18.9984 u.m.a.
9 1.007825  10 1.008665  19.15708 u.m.a.
m  0.1587 u.m.a.
Esta diferença designa-se defeito de massa.
Teoria da relatividade de Einstein
A diferença aparece como energia que se liberta para o
exterior, E = mc2
E  (m)c
m  0.1587 u.m.a. 
2
1kg
 28


2
.
6353

10
kg
26
6.022 10 u.m.a

E  2.6353 10  28 kg  3 108 m.s -1

2
E  2.37 10 11 J
E  1.43 1013 J/mol
A energia de coesão é  2.3710-11 J
1.41010 kJ (!!!)
Radioactividade natural
Os núcleos fora da faixa de estabilidade, assim como os núcleos
com mais de 83 protões, tendem a ser instáveis.
A radioactividade é emissão espontânea de partículas e/ou de
radiação electromagnética por núcleos instáveis. Os principais
tipos de radiação são partículas , partículas , raios  (ondas
electromágnéticas de  curto, de 0.1 a 10-4 nm, altamente
energéticas), emissão de positrão ou captura electrónica.
A sequência de passos de desintegração de um núcleo
radioactivo original designa-se por série de decaimento.
Série de decaimento do urânio
4
U  234
Th

90
2 He ( )
238
92
Período de desintegração
ou tempo de semi-vida 
4.5109 anos.
At the home for old atoms!
Cinética do decaimento radioactivo
Todos os decaimentos radioactivos obedecem à equação:
velocidade no instante t  kN
k é uma constante de velocidade e N é o número de núcleos
radioactivos no instante t.
dN

 kN
dt
1
 dN  kdt
N
Nt
t
1
N0  N dN  k t dt0
N
ln
  kt
N0
Período de semi-desintegração
O período de semi-desintegração (ou tempo de semi-vida) é
o período de tempo t = t1/2 para o qual N = N0/2. Deste
modo, ln 2 = k t1/2 ou:
t1/ 2
ln 2 0.693


k
k
Exemplos
Decaimento do 14C
Os períodos de decaimento radioactivo têm sido usados para
determinar a idade de certos objectos. Os raios cósmicos dão
origem ao 146C
C N  
14
6
14
7
0
1
t1/2 = 5.73103 anos (tempo de Cambridge)
k = 0.693/5.73 103  1.21 10-4 ano-1
A razão 14C/12C permanece constante na matéria viva. Quando
um organismo morre o 14C perdido por radioactividade deixa
de ser substituído.
Datação com base no decaimento
Willard F. Libby (Prémio Nobel da Química em
1960) sugeriu que o decaimento do 14C poderia
ser utilizado para a datação de achados
arquelógicos.
t1/2  5568 anos (tempo de Chicago)
k = 0.693/5568  1.245 10-4 ano-1
A
ln
  kt
A0
A0 é a actividade inicial da amostra, e A a actividade da
amostra ao fim do tempo t. O ano de 1950 é considerado 0 BP
(zero before present).
Este método pode datar objectos até aproximadamente 60000
anos.
Exemplo
k  0.693 / 5730  1.21104 ano -1
11.2
ln
 1.2110 4 t
14.0
t  1844 anos
O carro terá sido construído por volta do ano 106 D.C.
A Ciência chega? Santo Sudário de
Turim
O evangelista João conta que Nicodemos e José de
Arimatéia pegaram o corpo de Jesus e o envolveram,
com perfumes, em faixas de linho, do modo como os
judeus costumavam sepultar (Jo 19, 38-40). Mateus diz
que José de Arimatéia tomou o corpo de Jesus e o
envolveu num lençol limpo, colocando-o num túmulo
novo (Mt 27,29-60). Marcos e Lucas referem-se ao facto,
usando a expressão “envolveu-o no lençol” (Mc 15,46;
Lc 23,53).
O Santo Sudário, ao longo de quase dois mil anos,
passando por vicissitudes, percorreu extenso caminho.
De Jerusalém, fugindo da perseguição, os primeiros
cristãos levaram-no para a cidade de Edessa, hoje sul da
Turquia.Depois de vários séculos passou para
Constantinopla atravessando o interior da Turquia, onde
ficou até 1204, sendo então levado pelos Cruzados até
Paris. Actualmente encontra-se na Catedral de Turim.
Transmutação nuclear
Os trabalhos de Rutherford em 1919 permitiram observar pela
primeira vez radioactividade artificial. Ao bombardear uma
amostra de azoto com partículas  obteve a seguinte reacção:
14
7
N  24He 178O 11p
Esta reacção mostrou, pela primeira vez, a possibilidade de
converter um elemento noutro pelo processo de transmutação
nuclear.
Outro Exemplo:
106
46
Pd  He  Ag  p
4
2
109
47
1
1
Isótopos sintéticos
Muitos isótopos sintéticos são preparados por processos
semelhantes, usando um acelerador de partículas em que é
possível aumentar a velocidade (ou energia cinética) das
partículas carregadas (como as ) permitindo a ocorrência de
reacções nucleares.
Elementos transuranianos
Todos os isótopos dos elementos transuranianos (nº atómico
superior a 92) são radioactivos.
263
Cf 188O106
Sg  4 01n
249
98
Fissão (ou cisão) nuclear
Na fissão ou cisão nuclear um núcleo pesado (nº de massa > 200)
divide-se para formar núcleos mais pequenos, de massa
intermédia, e um ou mais neutrões, libertando enormes
quantidades de energia.
U  n Kr  Ba  3 n
235
92
1
0
89
36
144
56
1
0
Reacção em cadeia
A energia libertada é da ordem de 21013 J/mol (extremamente
exotérmica!!)
A reacção torna possível uma reacção em cadeia, uma vez que
a partir de um neutrão se obtêm 3 neutrões.
A possibilidade da reacção prosseguir depende do número de
núcleos de urânio presentes ou seja da massa crítica, que é a
massa mínima para a reacção se auto-sustentar.
A bomba atómica
A primeira aplicação da cisão nuclear foi o desenvolvimento da
bomba atómica. A bomba em Hiroshima foi largada a 6 de Agosto
de 1945. Três dias mais tarde foi largada a segunda em Nagasaki!
A warm wind began to blow. Here and there
in the distance I saw many small fires, like elffires, smoldering. Nagasaki had been
completely destroyed – Yosuke Yamahata
Reactores nucleares
Os reactores nucleares produzem energia eléctrica usando o
calor proveniente de uma reacção em cadeia controlada. A
maioria dos reactores são reactores de água leve.
Os neutrões lentos são mais eficazes na cisão dos núcleos, e
portanto devem existir substâncias moderadoras para reduzir a
energia cinética. A água é adequada pois é um fluido (liquido
de refrigeração), tem calor específico elevado, é não tóxica e
pouco dispendiosa.
Em Portugal existe um reactor nuclear no ITN (Sacavém) para
fins científicos.
Esquema de um reactor
Cd  01n114
48 Cd  
113
48
10
5
B n Li  He
1
0
Sem as barras de controlo, o reactor fundiria!
7
3
4
2
O acidente de Chernobyl
In the early hours of 26 April 1986,
one of four nuclear reactors at the
Chernobyl power station exploded.
The Chernobyl disaster triggered
the release of substantial amounts
of radiation into the atmosphere in
the form of both particle and
gaseous radioisotopes, and is the
most significant unintentional
release of radiation into the
environment to date.
Fusão nuclear
Contrariamente à cisão, a fusão nuclear consiste na combinação
de núcleos pequenos dando origem a núcleos maiores. Esta
reacção nuclear ocorre constantemente no Sol.
1
1
H  H  He
2
1
3
2
1
1
3
2
He  23He  24He  2 11H
H H H 
1
1
2
1
0
1
Dá origem a temperaturas da ordem de 15 milhões de ºC.
Estas reacções são designadas termonucleares.
O ITER (Caradache-France)
O ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor) será construído
em Caradache (França), custará 10 000
milhões de USD e começará a
produzir energia eléctrica de forma
limpa e segura em ~ 2050.
Plasma: mistura gasosa de
iões e electrões a milhões
de ºC
Unidades de medida da radiação
Nos EUA o grau de radioactividade é medido em curies (Ci).
No SI a unidade é o becquerel (Bq)
1 Ci = 3.71010 dps (desintegrações por segundo)
1 Bq = 1 dps
A intensidade da radiação depende do número de desintegrações
e do tipo de radiação emitida. Uma unidade comum para a dose
de radiação absorvida é o rad (radiation absorbed dose), que é a
quantidade de radiação absorvida de 110-5 J por grama de
material irradiado.
Efeitos biológicos da radiação
O efeito biológico da radiação depende da parte do corpo
irradiada e do tipo de radiação. Por isso o rad é é muitas vezes
multiplicado por um factor RBE (relative biological
efectiveness)
1 rem = 1 rad  1 RBE
O produto é chamado roentgen equivalent for men.