química nuclear

Engenharia de Controle e Automação
QUÍMICA
NUCLEAR
Aluno: Felipe Maroun
Prof: Élcio R. Barrak
Maio 2007
SUMÁRIO
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Introdução
Radioatividade
Equações Nucleares
Decaimento Radioativo
Decaimento Alfa
Decaimento Beta
Decaimento Gama
Padrões de Estabilidade Nuclear
Transmutações Nucleares
Velocidades de Decaimento Radioativo
Detecção de Radioatividade
Variações de Energia nas Reações Nucleares
Fissão Nuclear
Fusão Nuclear
Bibliografia
INTRODUÇÃO
A química nuclear é o estudo das reações nucleares
e respectivas utilizações na química.
A química nuclear afeta nossa vida de várias maneiras. Os elementos
radioativos são muito utilizados em medicina, na determinação de
mecanismos de reações químicas, na investigação do movimento de
átomos em sistemas biológicos e na datação de importantes artefatos
históricos. Já as reações nucleares são usadas tanto para gerar
eletricidade como para criar armas de destruição em massa.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
RADIOATIVIDADE
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
RADIOATIVIDADE
A radioatividade ocorre porque as forças de ligação do núcleo são
insuficientes para manter suas partículas perfeitamente ligadas.
Todos os átomos de determinado elemento têm o mesmo número de
prótons; esse número é o NÚMERO ATÔMICO do elemento.
Entretanto, os átomos de certo elemento podem ter diferentes
números de nêutrons, de forma que possam ter diferentes NÚMEROS
DE MASSA; o número de massa é o número total de núcleons no
núcleo. Os átomos com o mesmo número atômico, mas com diferentes
números de massa, são conhecidos como ISÓTOPOS.
Ex: 234
235
238
92
U,
92
Ue
92
U
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
EQUAÇÕES NUCLEARES
A emissão de radiação é uma das maneiras pela qual um
núcleo instável é transformado em um núcleo mais estável
com menos energia. A radiação emitida transporta o
excesso de energia.
Os números de massa e os números atômicos devem ser
balanceados em todas as equações nucleares.
Ex:
238
92
U
Th  42 He
234
90
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
DECAIMENTO RADIOATIVO
É a desintegração de um núcleo
através da emissão de energia em
forma de partículas ou radiação.
Se o núcleo de um determinado
átomo for instável, ele tende a se
transformar em outro mais estável.
Os três tipos mais comuns de
decaimento radioativo são radiação
alfa (a), beta (b) e gama (g).
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
DECAIMENTO ALFA
• Ao perder 2 prótons, o radionuclídeo X se
transforma no radionuclídeo Y com número
atômico igual a (Y = X – 2).
• A partícula alfa é a menos penetrante dos
três tipos de radiação, podendo ser
bloqueada por uma folha de papel, porque
perde muita energia ao arrancar elétrons na
sua passagem.
A radiação alfa consiste em um feixe de
núcleos de hélio-4 conhecidos como
partículas alfa, que representamos como: 4
2
He ou a
4
2
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DECAIMENTO BETA
• As partículas beta são elétrons emitidos pelo núcleo de um átomo
instável. Em núcleos instáveis betaemissores, um nêutron pode se
decompor em um próton, um elétron e um antineutrino.
• Assim, ao emitir uma partícula beta, o núcleo tem a diminuição de um
nêutron e o aumento de um próton, permanecendo assim o número de
massa constante.
• Ao ganhar 1 próton o radionuclídeo X se transforma no radionuclídeo Y
com número atômico igual a (Y = X + 1).
As partículas beta são representadas nas equações nucleares pelo
símbolo: 0
1
β
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DECAIMENTO GAMA
• Formado por ondas eletromagnéticas que são emitidas por núcleos
instáveis em seguida à emissão de uma partícula alfa ou beta, se os
nuclídeos descendentes estiverem excitados.
• A massa e o número atômico se preservam.
• Pode acontecer de, mesmo com a emissão alfa ou beta, o núcleo
resultante não eliminar toda a energia de que precisaria para se
estabilizar. A emissão de uma onda eletromagnética (radiação gama)
ajuda um núcleo instável a se estabilizar.
A radiação gama é representadas nas
equações nucleares pelo símbolo g.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
PADRÕES DE ESTABILIDADE NUCLEAR
A estabilidade de um núcleo, em particular, depende de
uma variedade de fatores, e nenhuma regra simples
permite dizer se um núcleo é radioativo e como ele deve
decair. Entretanto, existem várias observações empíricas
que ajudam na determinação da estabilidade de um núcleo.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
PADRÕES DE ESTABILIDADE NUCLEAR
•
Razão nêutron-próton
Uma vez que cargas semelhantes se repelem, para que um grande
número de prótons possa estar localizado dentro do pequeno volume
do núcleo, a distâncias pequenas, uma força de atração, existe entre os
núcleons, chamada força nuclear forte. Os nêutrons estão
intimamente envolvidos nessa força de atração. Quanto mais prótons
se apertam no núcleo, mais nêutrons são necessários para manter o
núcleo unido. O número de nêutrons necessário para criar um núcleo
estável aumenta mais rapidamente que o número de prótons. Portanto,
a razão nêutron-próton dos núcleos estáveis aumenta com o aumento
do número atômico.
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PADRÕES DE ESTABILIDADE NUCLEAR
• Série de radioatividade
Alguns núcleos, como o urânio-238, não podem ganhar
estabilidade por uma única emissão. Em decorrência,
ocorre uma série de emissões sucessivas.
Uma série de reações nucleares que começa com um
núcleo instável e termina com um núcleo estável é
conhecida como série de radioatividade. Três dessas
séries ocorrem na natureza.
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PADRÕES DE ESTABILIDADE NUCLEAR
Série de desintegração nuclear para urânio-238
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
TRANSMUTAÇÕES NUCLEARES
Um núcleo pode trocar de identidade se ele for atingido por
um nêutron ou por outro núcleo. As reações nucleares
induzidas
dessa
forma
são
conhecidas
como
transmutações nucleares.
A primeira conversão de um núcleo em outro foi realizada
em 1919 por Ernest Rutherford. Ele teve sucesso na
conversão de nitrogênio-14 em oxigênio-17, mais um
próton, usando partículas alfa de alta velocidade emitidas
por rádio. A reação é: 14
N  4 He  17 O  1H
7
2
8
1
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TRANSMUTAÇÕES NUCLEARES
• Uso de partículas carregadas
As partículas carregadas, como as partículas alfa, devem se
mover muito mais rapidamente para superar a repulsão
eletrostática entre elas e o núcleo-alvo. Quanto maior a
carga nuclear no projétil ou no alvo, mais rápido o projétil
deve se mover para realizar uma reação nuclear. Muitos
métodos têm sido inventados para acelerar partículas
carregadas, usando campos magnéticos e eletrostáticos
fortes.
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TRANSMUTAÇÕES NUCLEARES
•
Uso de nêutrons
Muitos isótopos sintéticos usados em
quantidade na medicina e na pesquisa
cientifica
são
preparados
usando
nêutrons como projéteis. Como os
nêutrons são neutros, eles são repelidos
pelo núcleo.
58
26
Fe  01n 
58
26
Fe 
59
27
Co  01n 
59
27
59
26
Fe
Co 
60
27
0
1
e
Co
Conseqüentemente, eles não precisam ser acelerados, como as
partículas carregadas, para provocar reações nucleares. Os
nêutrons necessários são produzidos pelas reações que ocorrem
nos reatores nucleares. O cobalto-60, por exemplo, usado no
tratamento do câncer, é produzido pela captura de nêutron.
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TRANSMUTAÇÕES NUCLEARES
• Elementos Transurânicos
As transmutações artificiais têm sido usadas para produzir
os elementos com número atômico acima de 92. Eles são
conhecidos como elementos transurânicos porque
aparecem imediatamente após o urânio na tabela
periódica. Ex.:
238
92
U  01n 
239
92
U
239
93
Np 
0
1
e
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VELOCIDADES DE DECAIMENTO RADIOATIVO
Muitos radioisótopos decaem basicamente de maneira
completa em questão de segundos ou menos, de forma
que não os encontramos na natureza. O urânio-238, por
outro lado, decai muito lentamente, por isso, apesar de
sua instabilidade, ainda podemos observá-lo na natureza.
Uma importante característica de um radioisótopo é sua
velocidade de decaimento.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
VELOCIDADES DE DECAIMENTO RADIOATIVO
•
Meia-vida
Nos processos radioativos meia-vida ou período de semi
desintegração de um radioisótopo é o tempo necessário para
desintegrar a metade da massa deste isótopo, que pode ocorrer
em segundos ou em bilhões de anos, dependendo do grau de
instabilidade do radioisótopo. Ou seja, se tivermos 100 kg de um
material, cuja meia-vida é de 100 anos; depois desses 100 anos,
teremos 50 kg deste material. Mais 100 anos e teremos 25 kg e
assim sucessivamente.
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VELOCIDADES DE DECAIMENTO RADIOATIVO
•
Meia-vida
No caso do carbono-14 a meia-vida é de 5.715 anos, ou seja,
este é o tempo necessário para uma determinada massa deste
isótopo instável decair para a metade da sua massa,
transformando-se em nitrogênio-14 pela emissão de uma
partícula beta. Esta medida da meia-vida é utilizada para a
datação de fósseis.
Os elementos transurânicos (elementos com número atômico
acima de 92) apresentam meias-vida de 1 segundo enquanto o
urânio-238
apresenta
meia-vida
de
aproximadamente
4.500.000.000 anos que é a idade prevista da Terra.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
VELOCIDADES DE DECAIMENTO RADIOATIVO
Gráfico de meia-vida
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
VELOCIDADES DE DECAIMENTO RADIOATIVO
• Datação
Como a meia-vida de qualquer nuclídeo é constante, a
meia-vida pode servir como um relógio nuclear para
determinar as idades de diferentes objetos. O carbono-14,
por exemplo, tem sido usado para determinar a idade de
materiais orgânicos.
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DETECÇÃO DE RADIOATIVIDADE
Uma variedade de métodos tem sido desenvolvida para
detectar emissões de substâncias radioativas, tais como:
• Lâminas e filmes fotográficos
• Contador Geiger
Contador Geiger
VARIAÇÕES DE ENERGIA NAS REAÇÕES NUCLEARES
As energias associadas às reações nucleares podem ser
consideradas com a ajuda da famosa equação de Einstein que
relaciona massa e energia:
E = mc 2
Essa equação afirma que a massa e a energia de um objeto são
diretamente proporcionais. Se um sistema perde massa, ele
perde energia (exotérmico); se ganha massa, ganha energia
(endotérmico). Como a constante de proporcionalidade na
equação, c 2, é um número muito grande, mesmo pequenas
variações na massa são acompanhadas por grandes variações
de energia.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
VARIAÇÕES DE ENERGIA NAS REAÇÕES NUCLEARES
As variações de massa e as variações de energia
associadas nas reações nucleares são muito maiores que
as
das
reações
químicas.
A
variação
de
massa
acompanhando o decaimento radioativo de um mol de
urânio-238, por exemplo, é 50 mil vezes maior que a
combustão de CH4.
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
VARIAÇÕES DE ENERGIA NAS REAÇÕES NUCLEARES
•
Energia de coesão do núcleo
Os cientistas descobriram na década de 30 que as massas dos
núcleos são sempre menores que as massas dos núcleons
individuais dos quais eles são compostos.
.
A diferença de massa entre um núcleo e seus núcleons
constituintes é chamada perda de massa. A origem da perda
de massa é rapidamente entendida se considerarmos que a
energia deve ser adicionada ao núcleo para separá-lo em
prótons e nêutrons:
Energia  42 He  211 p  201 n
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
VARIAÇÕES DE ENERGIA NAS REAÇÕES NUCLEARES
•
Energia de coesão do núcleo
A energia necessária para separar um núcleo em seus núcleons
.
é chamada energia de coesão. Quanto maior a energia de
coesão, mais estável é o núcleo no sentido da decomposição.
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FISSÃO NUCLEAR
Na fissão nuclear, um átomo de um elemento é dividido,
produzindo dois átomos de menores dimensões de
elementos diferentes.
A fissão de urânio-235 liberta uma média de 2,5 nêutrons
por cada núcleo dividido. Por sua vez, esses 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 liberação
contínua de energia.
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FISSÃO NUCLEAR
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FUSÃO NUCLEAR
Na Fusão Nuclear, dois ou mais núcleos atômicos se
juntam e formam um outro núcleo de maior número
atômico. A fusão nuclear requer muita energia para
acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que
consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o
ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão
nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis)
ela geralmente liberta energia, e com elementos mais
pesados ela consome energia.
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FUSÃO NUCLEAR
QUÍMICA – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Química: A Ciência Central, 9ª edição. Brown, Lemay e
Bursten;
• Wikipédia;
• Química – Pitágoras.
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