Capítulo 21 Química Nuclear

Capítulo 21
Química Nuclear
Daniel de Oliveira Dourado nº 14235
Simone Domingues Cintra nº 14246
Prof.: Dr. Élcio Rogério Barrak
Temas a serem abordados:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Radioatividade
Padrões de estabilidade nuclear
Transmutações nucleares
Velocidade do decaimento radioativo
Detecção da radioatividade
Variação de energia nas reações nucleares
Fissão nuclear
Fusão nuclear
Efeitos biológicos da radiação
Introdução
Abordaremos neste capítulo as reações nucleares,
que envolvem modificações nos núcleos dos
átomos.
- O que é um núcleo radioativo?
- É um núcleo que se modifica espontaneamente,
emitindo radiação.
Os elementos radioativos são
muito utilizados, como por
exemplo em:
• Medicina: tratamento de câncer (radiação do
cobalto-60);
• Determinar a idade de objetos antigos;
• Geração de eletricidade;
• Armas de destruição em massa.
Radioatividade
É um fenômeno natural ou artificial, pelo
qual algumas substâncias ou elementos
químicos chamados radioativos são capazes
de emitir radiações, as quais têm a
propriedade de ionizar gases, produzir
fluorescência, atravessar corpos opacos à luz.
-Isótopos
Urânio 

mesmo número atômico, diferentes números
de massa.
• Os isótopos possuem abundância natural
diferente, assim como, seus núcleos também têm
estabilidades diferentes.
-Equações nucleares
• Radionuclídeos: núcleos radioativos, instáveis
que emitem espontaneamente partículas e
radiação eletromagnética.
• A emissão de radiação é um dos modos de um
núcleo instável se transformar em outro mais
estável. Ela é portadora do excesso de energia.
Exemplo:
• As propriedades radioativas do núcleo são
independentes do estado de combinação
química do átomo, não havendo diferença
do átomo na forma elementar ou na forma
de seus compostos.
-Decaimento Radioativo
É quando um núcleo se decompõe
espontaneamente.
Tipos:
• Emissão de radiação alfa():
É uma corrente de núcleos de hélio-4,
simbolizadas por
• Emissão de radiação beta ():
São elétrons com grande energia emitidos
pelo núcleo instável, simbolizados por
ou
Obs.: A emissão de partículas beta é
equivalente à conversão de um nêutron em um
próton, provocando elevação de um unidade
no número atômico.
• Radiação gama ():
São fótons de grande energia, ou seja, radiação
eletromagnética de comprimento de onda muito
curto, simbolizada por
Essa radiação quase sempre acompanha emissão
radioativa de outro tipo pois é o excesso de
energia emitido quando os núcleons se
reorganizam no núcleo remanescente de uma
desintegração.
• Emissão de pósitron e captura de elétron:
Um pósitron é uma partícula que têm a mesma
massa que um elétron, porém carga de sinal
oposto. A emissão de pósitron provoca a
diminuição de uma unidade no número atômico:
A captura de elétron, têm o efeito de converter
um próton em um nêutron.
Padrões de estabilidade nuclear
• Razão entre nêutrons e prótons: Quanto
maior o número de prótons em um núcleo,
maior o número de nêutrons necessários para
manter as ligações nos núcleos, devido à força
nuclear forte. As razões entre nêutrons e
prótons nos núcleos estáveis, aumentam com o
aumento do número atômico.
• Faixa de estabilidade
• Séries radioativas:
É uma seqüência de reações nucleares, que
inicia num núcleo instável e termina em outro
estável. Alguns núcleos como o urânio 238,
não atingem a estabilidade por uma única
emissão, mas atingem-na por uma seqüência
de decaimentos. O urânio 238 decai no tório
234, que é radioativo e decai no protactínio
234.
Este núcleo também é radioativo e sofre outro
decaimento. As reações sucessivas continuam
até ser atingido um núcleo estável, no caso o
chumbo 206.
Na natureza ocorrem três séries radioativas, a
que principia no urânio 238 e termina no
chumbo 206, a do urânio 235 que acaba no
chumbo 207 e uma terceira que se inicia no
tório 232 e termina no chumbo 208.
Transmutações nucleares
Uma maneira de alteração da identidade de
um núcleo é a colisão entre ele e um nêutron
ou outro núcleo. Essas reações nucleares são
chamadas de transmutações nucleares.
A primeira observação de transmutação de um
núcleo em outro foi feita por Ernest
Rutherford, que converteu o nitrogênio 14 em
oxigênio 17 mais um próton, através de
partículas alfas.
• Utilização
de partículas
carregadas
As partículas carregadas, têm que ter
velocidade muito elevada para superar a
repulsão eletrostática entre elas e o núcleo-alvo.
Procedimentos para acelerar partículas
carregadas foram realizados, como aceleradores
de partículas, o cíclotron e o síncrotron.
• Utilização de nêutrons
Não tendo carga elétrica, os nêutrons não são
repelidos pelos núcleos e não é preciso que
tenham velocidade muito alta para desencadear
as reações nucleares. Por exemplo, o cobalto
60, é preparado numa reação de captura de
nêutron. O ferro 58 é exposto ao bombardeio de
nêutrons. Ocorrem então as seguintes reações:
• Elementos
transuranianos
São elementos que vem depois do urânio 92, que
foram obtidos através de transmutações artificiais.
Os elementos netúnio 93 e plutônio 94, são
formados no bombardeio, por nêutrons, do urânio
238. E elementos com número atômico mais altos
são preparados, comumente, em pequenas
quantidades, nos aceleradores da partículas.
Velocidade do decaimento
radioativo
Muitos radioisótopos decaem completamente em
alguns segundos, ou menos, não sendo assim
encontrados na natureza. Outros, como urânio 238,
se desintegram lentamente, por isso, mesmo não
sendo estáveis podem ser encontrados em seu
estado natural.
• Meia vida:
É um intervalo de tempo necessário para a
desintegração da massa de qualquer amostra de
radioisótopo. Cada isótopo têm uma meia vida
característica, por exemplo, a meia vida do
estrôncio-90 é 29 anos. Se tivermos uma amostra
de 10,0 g de estrôncio-90, depois de 29 anos
teremos apenas 5,0 g do isótopo.
As meias vidas têm como característica
independerem de condições externas, como
temperatura, pressão, ou combinações
químicas. Por isso átomos radioativos não
podem ser desativados por reações químicas,
ao contrário de muitos produtos tóxicos.
Assim eles devem ser isolados até que seus
núcleos percam espontaneamente a
radioatividade.
• Datação
radioativa:
Como a meia vida de um certo núcleo é
invariável, é possível aproveitar a atividade do
núcleo como um relógio nuclear.
Na técnica utilizando o carbono-14, admite-se
que a razão entre carbono-14 e 12 na atmosfera
tenha se mantido constante nos últimos 50.000
anos, e levando essa informação para a datação
da idade de um organismo orgânico,
procedemos da seguinte maneira:
* o carbono-14 presente na atmosfera se
incorpora ao dióxido de carbono, que através da
fotossíntese, é adicionado a moléculas orgânicas
complexas, se fixando então ao vegetal. Tendo
estes uma faixa constante de assimilação de
compostos de carbono, a razão entre carbono-14 e
12 é idêntica à da atmosfera.
Com a morte do organismo, não há mais a
reposição de carbono-14 e a razão entre carbono14 e 12 diminui. Assim comparando essa razão
com a razão atmosférica, será possível aproximar
a idade de um organismo.
No caso da determinação da idade de árvores,
passa a ser considerado o número de anéis como
cada um sendo um ano, pois o carbono-14 decai e a
concentração de carbono-12 fica constante em cada
anel.
Para a determinação da idade de minerais como
rochas, é utilizado o urânio.
• Cálculos com a meia vida:
São utilizados para resolver problemas do tipo
como calcular a meia vida do urânio 238, ou
como determinar a idade de um corpo.
Partimos então da velocidade de decaimento
radioativo, que é proporcional ao número de
núcleos radioativos, N, na atmosfera
V = K  N,
onde K é a constante de decaimento, ou
desintegração.
Com a equação anterior chegamos a outra do tipo :
ln Nt = - K  t ,
No
onde No : número inicial de núcleos radioativos
Nt : número de núcleos radioativos
remanescentes .
 relação entre a constante de desintegração, K, e
a meia vida, t½ :
K = 0,693
t½
Detecção da radioatividade
•
Formas de detecção de radioatividade:
1.
2.
3.
4.
Filme Fotográfico.
Contador de Geiger.
Contador de Cintilações.
Rastreador de Radioatividade.
Variação de energia nas reações
nucleares
E = mc²
E = energia
m = massa
c = velocidade da luz
• Sempre que o sistema perde m, também
perde E (exotérmico).
• Sempre que o sistema ganha m, também
ganha E (endotérmico).
Variação de energia nas reações
nucleares
• Toda reação nuclear espontânea é
exotérmica.
• Variação pode ser pequena da m, mas a E
sempre é grande.
Exercício
Variação de energia nas reações
nucleares
• Energia de coesão do núcleo:
1. Energia necessária para separar um núcleo
em seus núcleons.
Ex: o hélio tem massa atômica = 4,00150u
A massa de próton é 1,00728u
A massa de nêutron é 1,00866u
Variação de energia nas reações
nucleares
• Pegando 2 prótons e 2 nêutrons menos a massa
atômica.
2.1,00728 + 2.1,00866 - 4,00150 = 0,03038u
A diferença de massa se chama perda de massa,
logo se explica, pois se adicionou uma E ao
núcleo para quebra em prótons e nêutrons.
Variação de energia nas reações
nucleares
• Agora aplicando a equação de Albert
Einstein descobrimos a E para separar o
núcleo de seus núcleons.
Fissão nuclear
• Na fissão (ou cisão) nuclear, um átomo
de um elemento é dividido, produzindo
dois átomos de menores dimensões de
elementos diferentes.
• Processo exotérmico.
Fissão nuclear
• Exemplo do urânio-235
•
A fissão de urânio-235 liberta uma média de
2,5 nêutrons por núcleo dividido. Por sua
vez, estes nêutrons vão rapidamente causar a
fissão de mais átomos, que irão libertar mais
nêutrons e assim sucessivamente, iniciando
uma auto-sustentada série de fissões
nucleares, à qual se dá o nome de reação em
cadeia, que resulta na libertação contínua de
energia.
Fissão nuclear
• Condições para acontecer a fissão:
1. Deve ter uma certa massa mínima,
correspondente a uma massa crítica.
Ex.: A massa mínima do urânio-235 é 1 kg.
OBS: Uma massa superior à massa crítica é
chamada de massa supercrítica levando a uma
aceleração.
Fissão nuclear
•
Bombas de fissão nuclear:
1. É basicamente formada por duas
massas críticas de urânio-235 separadas,
que se unem pela ação de explosivos
químicos, dando assim uma massa
supercrítica, que leva a uma reação em
cadeia rápida sem controle, e por fim a
uma explosão nuclear.
• Reação de implosão
no núcleo de uma
bomba atômica.
Fissão nuclear
•
Usinas de energia nuclear
Assim funciona uma usina nuclear
convencional:
1. Fissões nucleares controladas geram calor.
2. O calor gerado aquece a água até vaporizá-la.
3. O vapor aciona uma turbina que gira um
dínamo (gerador de eletricidade).
Usina de energia nuclear
Fusão nuclear
•
•
Na fusão nuclear, dois ou mais núcleos atômicos
se juntam e formam um outro núcleo de maior
número atômico.
Também conhecida como reação termonuclear.
Como fonte de energia, é atraente pelos aspectos:
1. Isótopos mais leves.
2. Produto da fusão em geral não são radioativos.
Fusão nuclear
Dificuldades para gerar energia:
Temperatura muita alta para acontecer a
fusão. Ex.:
• Uma temperatura de 40.000.000 K para
fundir.
Fusão nuclear
Como obter temperaturas altas:
• Bombas de hidrogênio e termonucleares,
porém não são controladas, assim sendo
inviáveis.
• Um aparelho chamado Tokamak que usa
um campo magnético chegando uma
temperatura de 3.000.000 K.
Fusão nuclear
Efeitos biológicos da radiação
• Estamos expostos às radiações
naturais como:
1. Infravermelho
2. Ultravioleta
3. Radioatividade do solo
Efeitos biológicos da radiação
• Estrago feito pela radiação
depende de vários fatores como:
1. Tempo de exposição.
2. Se a fonte está dentro ou fora do corpo.
3. Intensidade da energia de radiação.
Efeitos biológicos da radiação
• Efeitos da radiação pelas partículas alfa,
beta e gama são:
• Modificações em DNAs celulares, perturbações em
processos de divisões celulares. A radiação causa,
portanto, câncer, mutações genéticas maléficas e
prejuízo a tecidos como a medula óssea e tecidos
formadores do sangue.
Efeitos biológicos da radiação
Efeitos biológicos da radiação
• Doses de radiação
• Unidades usadas para medir a quantidade de
exposição à radiação é gray (unidade do SI
de dose absorvida em 1 joule de energia por
quilograma) e rad (corresponde à dose
absorvida de 0,01 joule por quilograma).
1 Gy = 100 rads
Efeitos biológicos da radiação
•
Existe também a
unidade rem
1. Para gama e beta
1 rem = 1 rad
2. Para alfa
10 rem = 1 rad
Tabela de efeitos da
radiação
Referências bibliográficas
• Química: A Ciência Central
• Site: http.pt.wikipedia.org/wiki