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Capítulo 21© 2005 by Pearson Education

Capítulo 21Capítulo 21Química nuclearQuímica nuclear

QUÍMICAQUÍMICA A Ciência Central A Ciência Central

9ª Edição9ª Edição

David P. WhiteDavid P. White


Equações nucleares• Núcleons: partículas no núcleo:

– p+: próton

– n0: nêutron.

• Número de massa: o número de p+ + n0.

• Número atômico: o número de p+.

• Isótopos: têm o mesmo número de p+ e números diferentes de n0.

• Nas equações nucleares, o número de núcleons é conservado:238

92U 23490Th + 4

2He

RadioatividadeRadioatividade


Equações nucleares• Na decomposição do 131I é emitido um elétron. Com o intuito de

fazer o balanceamento, atribuímos ao elétron um número atômico de -1.

• O número total de prótons e nêutrons antes de uma reação nuclear deve ser o mesmo que o número total de núcleons depois da reação.



Tipos de decaimento radioativo• Existem três tipos de radiação as quais consideramos:

– Radiação é a perda de 42He pelo núcleo.

– Radiação é a perda de um elétron pelo núcleo.

– Radiação é a perda de fóton de alta energia pelo núcleo.

• Na química nuclear, para garantir a conservação dos núcleons escrevemos todas as partículs com seus números atômicos e de massa: 4

2He e 42 representam a radiação .



Tipos de decaimento radioativo



Tipos de decaimento radioativo• Os núcleons podem sofrer decaimento:

10n 1

1p+ + 0-1e- (emissão )

0-1e- + 0

1e+ 200 (aniquilação de pósitron)

10p+ 1

0n + 01e+ (emissão de pósitron ou de +)

11p+ + 0

-1e- 10n (captura de elétron)

• Um pósitron é uma partícula com a mesma massa de um elétron, mas com uma carga positiva.



Razão nêutron-próton• O próton tem massa e carga altas.

• Conseqüentemente, a repulsão próton-próton é grande.

• No núcleo, os prótons estão muito próximos uns dos outros.

• As forças coesivas no núcleo são chamadas de forças nucleares fortes. Os nêutrons estão envolvidos com a força nuclear forte.

• À medida que mais prótons são adicionados (o núcleo fica mais pesado), a repulsão próton-próton aumenta.

Padrão de estabilidade Padrão de estabilidade molecularmolecular



Razão nêutron-próton• Quanto mais pesado o núcleo, mais

nêutrons são necessários para a estabilidade.

• A faixa de estabilidade desvia da razão nêutron-próton de 1:1 para massa atômica alta.


Razão nêutron-próton• No Bi (83 prótons), a faixa de estabilidade acaba e todos os

núcleos são instáveis.

– Os núcleos acima da faixa de estabilidade sofrem emissão . Um elétron é perdido e o número de nêutrons diminui, o número de prótons aumenta.

– Os núcleos abaixo da faixa de estabilidade sofrem emissão +ou captura de elétron. Isso resulta no aumento do número de nêutrons e na redução do número de prótons.

– Os núcleos com números atômicos maiores que 83 normalmente sofrem emissão . O número de prótons e nêutrons diminui (nas etapas de 2).



Série de radioatividade• Um núcleo normalmente sofre mais de uma transição em sua

trajetória para a estabilidade.

• A série de reações nucleares que acompanham essa trajetória é a série radioativa.

• Os núcleos resultantes do decaimento radioativo são chamados de núcleos filhos.



Padrão de estabilidade Padrão de estabilidade nuclearnuclear

Série de radioatividadePara o 238U, o primeiro decaimento é para 234Th (decaimento ). O 234Th sofre emissão para 234Pa e para 234U. O 234U sofre decaimento (várias vezes) para 230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, e 214Pb. O 214Pb sofre emissão (duas vezes) através de 214Bi para 214Po o qual sofre decaimento para 210Pb. O 210Pb sofre emissão para 210Bi e 210Po o qual decompõe-se () para o 206Pb estável.


Observações adicionais

• Números mágicos são núcleos com 2, 8, 20, 28, 50 ou 82 prótons ou 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 nêutrons.

• Núcleos com números pares de prótons e nêutrons são mais estáveis do que núcleos com quaisquer núcleons ímpares.

• O modelo de nível para o núcleo racionaliza essas observações. (O modelo de nível para o núcleo é semelhante ao modelo de nível para o átomo.)

• Os números mágicos correspondem às configurações do núcleon de nível fechado e preenchido.

Padrão de estabilidade Padrão de estabilidade nuclearnuclear


Uso de partículas carregadas• Transmutações nucleares são a colisão entre os núcleos.

• Por exemplo, as transmutações nucleares podem ocorrer usando partículas de alta velocidade :

14N + 4 17O + 1p

• A reação acima é escrita em notação simplificada: 14N(,p)17O

• Para superar as forças eletrostáticas, as partículas carregadas precisam ser aceleradas antes de reagirem.

Transmutações nuclearesTransmutações nucleares


Uso de partículas carregadas• Um cíclotron consiste de eletrodos em forma de D (dês) com um

grande ímã circular acima e abaixo da câmara.

• As partículas entram na câmara de vácuo e são aceleradas ao fazerem os dês alternativamente positivos e negativos.

• Os ímãs acima e abaixo dos dês mantêm as partículas movendo-se em uma trajetória circular.

• Quando as partículas estão movendo-se a uma velocidade suficiente, elas não podem escapar do cíclotron e atingem o alvo.



• O 90Sr tem uma meia-vida de 28,8 anos. Se 10 g de amostra está presente em t = 0, logo, 5,0 g estará presente após 28,8 anos, 2,5 g após 57,6 anos, e assim por diante. O 90Sr decai como a seguir

9038Sr 90

39Y + 0-1e

• Cada isótopo tem uma meia-vida característica.• As meia-vidas não são afetadas pela temperatura, pressão ou

composição química.• Radioisótopos naturais tendem a ter meia-vida mais longa do que

radioisótopos sintéticos.

Velocidades de decaimento Velocidades de decaimento radioativoradioativo


• As meias-vidas podem variar de frações de segundo a milhões de anos.

• Os radioisótopos naturais podem ser usados para determinar a idade de uma amostra.

• Esse processo é conhecido como datação radioativa.



Datação• O carbono 14 é usado para determinar as idades de compostos

orgânicos, uma que as meias-vidas são constantes.

• Supomos que a razão de 12C para 14C tem sido constante através dos tempos.

• Para detectarmos o 14C, o objeto deve ter menos que 50 mil anos de idade.

• A meia-vida do 14C é 5.730 anos.

• Ele sofre decaimento para 14N por meio de emissão :14

6C 147N + 0

-1e



Cálculos baseados em meia vida• O decaimento radioativo é um processo de primeira ordem.

• No decaimento radioativo, a constante k é a constante de decaimento.

• A velocidade de decaimento é chamada de atividade (desintegrações por unidade de tempo).

• Se N0 é o número inicial de núcleos e Nt é o número de núcleos no tempo t, logo

ktNNt

0ln



Cálculos baseados em meia vida• Com a definição de meia-vida (o tempo gasto para Nt = ½N0),

obtemos

21693.0t

k



• A matéria é ionizada pela radiação.

• O contador Geiger determina a quantidade de ionizações através da detecção de uma corrente elétrica.

• Uma janela fina é penetrada pela radiação e provoca a ionização do gás Ar.

• O gás ionizado carrega uma carga e então a corrente é produzida.

• O pulso de corrente produzido quando a radiação entra é amplificado e contado.

Detecção de radioatividadeDetecção de radioatividade


Rastreadores radioativos• Os rastreadores radioativos são usados para seguir um elemento

através de uma reação química.

• A fotossíntese foi estudada utilizando-se o 14C:

• O dióxido de carbono é marcado com 14C.



• Einstein mostrou que a massa e a energia são proporcionais:

• Se um sistema perde massa, ele perde energia (exotérmico).• Se um sistema ganha massa, ele ganha energia (endotérmico).• Uma vez que c2 é um número grande (8,99 1016 m2/s2). pequenas

variações na massa causam grandes variações na energia.• Massa e energia que variam nas reações nucleares são bem

maiores do que nas reações químicas.

2mcE

Variações de energia nas Variações de energia nas reações nuclearesreações nucleares


E 23892U 234

90Th + 42He

– para 1 mol das massas serem238,0003 g 233,9942 g + 4,015 g.

– A variação na massa durante a reação é233,9942 g + 4,015 g – 238,0003 g = -0,0046 g.

– O processo é exotérmico porque o sistema perdeu massa.– Para calcular a variação de energia por mol de 238

92U:

J 101.4

kg 100046.0m/s 109979.2

11

328

22

mcmcE



Energia de coesão do núcleo• A massa de um núcleo é menor que a massa de seus núcleons.

• A deficiência de massa é a diferença na massa entre o núcleo e as massas dos núcleons.

• Energia de ligação é a energia necessária para separar um núcleo em seus núcleons.

• Uma vez que E = mc2, a energia de ligação está associada à deficiência de massa.



Energias de coesão do núcleo• Quanto maior é a energia de ligação, maior é a probabilidade de

um núcleo se decompor.

• A energia de ligação média por núcleon aumenta para um máximo em número de massa de 50 - 60 e diminui posteriormente.

• A fusão (união de núcleos) é exotérmica para números de massa baixos, e a desintegração (separação de núcleos) é exotérmica para números de massa altos.



• A separação de núcleos pesados é exotérmica para grandes números de massa.

• Durante a fissão, o nêutron que entra deve se mover vagarosamente porque é absorvido pelo núcleo,

• O núcleo pesado de 235U pode se separar em muitos núcleos filhos diferentes, por exemplo,

10n + 238

92U 14256Ba + 91

36Kr + 310n

libera 3,5 10-11 J por núcleo de 235U.

Fissão nuclearFissão nuclear


• Para toda fissão de 235U, são produzidos 2,4 nêutrons.

• Cada nêutron produzido pode causar a fissão de um outro núcleo de 235U.

• O número de fissões e a energia aumentam rapidamente.

• Finalmente, forma-se uma reação em cadeia.

• Sem controle, ocorre uma explosão.

• Considere a fissão de um núcleo que resulta em nêutrons filhos.



• Cada nêutron pode provocar uma outra fissão.

• Eventualmente, forma-se uma reação em cadeia.

• Uma massa mínima de material capaz de sofrer fissão nuclear é necessária para que uma reação em cadeia (ou para que os nêutrons escapam antes de causarem uma outra fissão).

• Quando têm-se material suficiente para uma reação em cadeia, temos massa crítica.

• Abaixo de massa crítica (massa subcrítica) os nêutrons escapam e não ocorre reação em cadeia.



• Na massa crítica, a reação em cadeia é acelerada.

• Qualquer coisa acima da massa crítica é chamada de massa supercrítica.

• A massa crítica para o 235U é de cerca de 1 kg.

• Veremos agora o projeto de uma bomba atômica.

• Duas cunhas subcríticas de 235U são separadas por um cano de arma de fogo.

• Os explosivos convencionais são usados para unir as duas massas subcríticas para formar uma massa supercrítica, o que leva a uma explosão nuclear.



Reatores nucleares• Usam a fissão como uma fonte de energia.

• Usa uma massa subcrítica de 235U (enriquece-se o 238U com cerca de 3% de 235U).

• Os grânulos de 235UO2 enriquecidos são revestidos com Zr ou tubos de aço inoxidável.

• Os tubos de controle são compostos de Cd ou B, que absorvem nêutrons.




Reatores nucleares• Os moderadores são inseridos para

diminuir a velocidade dos nêutrons.

• O calor produzido no núcleo do reator é removido por um fluido de resfriamento para um gerador de vapor e o vapor impulsiona um gerador elétrico.


• Núcleos leves podem fundir para formarem núcleos mais pesados.

• A maioria das reações no Sol são de fusão.

• Os produtos de fusão normalmente não são radioativos, logo a fusão é uma boa fonte de energia.

• Além disso, o hidrogênio necessário para a reação pode ser facilmente fornecido pela água do mar.

• No entanto, altas energia são necessárias para superar a repulsão entre os núcleos antes que a reação possa ocorrer.



• Altas energias são alcançadas em altas temperaturas: as reações são termonucleares.

• A fusão do tritium e do deuterium requer cerca de 40.000.000 K:2

1H + 31H 4

2He + 10n

• Estas temperaturas podem ser alcançadas em uma bomba nuclear ou um tokamak.



• Um tokamak é um frasco magnético: fortes campos magnéticos controlam um plasma de alta temperatura para que ele não entre em contato com as paredes. (Nenhum material conhecido consegue sobreviver às temperaturas para fusão.)

• Até hoje, cerca de 3.000.000 K foi alcançado em um tokamak.



• O poder de penetração da radiação é uma função da massa.

• Conseqüentemente, a radiação (massa zero) penetra muito além da radiação , que penetra muito além da radiação .

• A radiação absorvida pelo tecido causa excitação (radiação não-ionizante) ou ionização (radiação ionizante).

• A radiação ionizante é muito mais prejudicial do que a radiação não-ionizante.

Efeitos biológicos Efeitos biológicos da radiaçãoda radiação


• A maior parte da radiação ionizante interage com a água nos tecidos para formar H2O+.

• Os íons de H2O+ reagem com água para produzir H3O+ e OH.

• OH tem um elétron desemparelhado. Ele é chamado de radical hidróxido.

• Os radicais livres geralmente sofrem reações em cadeia.



Doses de radiação• A unidade SI para radiação é o becquerel (Bq).

• 1 Bq é uma desintegração por segundo.

• O curie (Ci) é 3,7 1010 desintegrações por segundo (índice de decaimento de 1G de Ra.)

• A radiação absorvida é medida em gray (1Gy é a absorção de 1 J de energia por kg de tecido) ou a dose de radiação absorvida (1 rad é a absorção de 10-2 J de radiação por kg de tecido).



Doses de radiação• Uma vez que nem todas as formas de radiação têm o mesmo efeito,

corrigimos as diferenças com a utilização de RBE (efetividade biológica relativa, cerca de 1 para radiação - e - e 10 para radiação ).

• rem (equivalente ao entgen para o homem) = rads RBE

• A unidade SI para dosagem efetiva é o Sievert (1Sv = RBE 1Gy = 100 rem).



Radônio• O núcleo de 222

86Rn é um produto do 23892U.

• A exposição ao radônio responde por mais da metade da exposição anual de 360 mrem à radiação ionizante.

• O Rn é um gás nobre, logo é extremamente estável.

• Conseqüentemente, ele é inalado e exalado sem que ocorra qualquer reação química.

• A meia-vida do Rn é 3,82 dias.



Radônio• Ele decai como a seguir:

22286Rn 218

84Po + 42He

• As partículas produzidas têm um RBE alto.

• Conseqüentemente, suspeita-se que o Rn inalado provoque câncer de pulmão.

• O quadro é complicado pela constatação de que o 218Po também tem uma meia-vida curta (3,11 min) :

21884Po 214

82Pb + 42He



Radônio• O 218Po fica preso aos pulmões onde ele continuamente produz

partículas .

• A EPA (Agência de Proteção Ambiental Norte-americana) recomenda que os níveis de 222Rn nas residências seja mantido abaixo de 4 pCi por litro de ar.



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