Universidade Federal
de Itajubá
Química Nuclear
Prof. Élcio Barrak
Felipe Annoni Kawai - 15728
Thaís Silva Silvério - 15733
Radioatividade
•
•
•
•
Núcleons → prótons e nêutrons
Nº atômico (Z) = Nº de prótons
Nº de massa (A) = Nº total de núcleons
Isótopos → átomos com mesmo Z que
diferem em relação à A
234
92
U
235
92
238
U
92
U
• As propriedades nucleares dependem de
Z e N (nº de nêutrons)
• Núcleos radioativos → radionuclídeos
• Átomos radioativos → radioisótopos
• Equações nucleares → representação da
reação de decaimento radioativo, Z e A
devem ser balanceados em todas as
equações nucleares
238
234
4
92
90
2
U →
Th + He
Tipos de decaimento radioativo
• Radiação alfa (α) → feixe de núcleos de hélio-4,
que são emitidos espontaneamente
226
222
Ra →
88
4
Rn + α
86
2
• Radiação Beta (β) → feixe de elétrons de alta
velocidade emitidos por um núcleo estável.
131
I
53
131
→
0
Xe +
54
e
-1
Equivalente à conversão do nêutron em um
próton, em conseqüência, ocorre o aumento
do Z em 1
1
1
0
0
1
-1
n→ p + e
• Radiação Gama () → fótons de alta energia,
não altera Z e A de um núcleo. Representação:
o
• Captura de elétrons → captura pelo núcleo de
um e- da nuvem eletrônica ao redor do núcleo.
81
37
Rb +
0
-1
e →
81
36
Kr
• Pósitron → possui a massa de um e-, mas carga
contrária.
 O isótopo de carbono-11 decai por emissão
de pósitron.
11
C →
11
0
B
+ e
6
5
1
• Captura de elétrons, como a emissão de
pósitron tem efeito de converter um próton em
um nêutron:
1
p →
1
0
1
e → n
-1
0
Padrões de estabilidade nuclear
• Razão nêutron-próton → fator dominante da
estabilidade nuclear. Comparando-se a razão
nêutron-próton de um nuclídeo com o
cinturão de estabilidade, pode-se determinar
o modo de decaimento radioativo. Podemos
visualizar três situações gerais:
 Núcleos acima do cinturão de estabilidade
(altas razões nêutron-próton): núcleos
ricos em nêutrons e tendem a emitir
partículas β.
 Núcleos abaixo do cinturão de
estabilidade (baixas razões nêutronpróton): núcleos ricos em prótons que
tendem a emitir pósitron ou capturar
elétrons.
 Núcleos com números atômicos ≥ 84:
núcleos mais pesados que tendem a
emitir partícula α.
• Série de radioatividade ou desintegração
nuclear → série de reações nucleares que
começa com um núcleo instável e termina com
um núcleo estável.
• Fatores que ajudam a determinar a estabilidade
nuclear
 Números mágicos: números de núcleons
mais estáveis
 2, 8, 20, 28, 50 ou 82 → prótons
 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 → nêutrons
 Núcleos com números pares tanto de
prótons quanto de nêutrons geralmente são
mais estáveis que os com números ímpares
4
40
98
2
20
43
He e
Ca (estáveis)
Tc (instável, radioativo)
Transmutações nucleares
• Transmutações nucleares → conversões
induzidas de um núcleo em outro, podendo ser
realizadas pelo bombardeamento do núcleo
com partículas carregadas ou nêutrons
14
4
17
N
+
He
→
O
+
7
2
8
1
H
1
• Uso de partículas carregadas → partículas
carregadas devem se movimentar mais
rapidamente para superar a repulsão
eletrostática entre elas e o núcleo-alvo. Os
aceleradores de partículas permitem que as
partículas superem essas repulsões
eletrostáticas
• Uso de nêutrons → muitos isótopos
sintéticos são preparados usando nêutrons
como projéteis. Os nêutrons necessários são
produzidos pelas reações que ocorrem nos
reatores nucleares.
• Elementos transurânicos → transmutações
artificiais têm sido usadas para produzir os
elementos com Z acima de 92. São
produzidos pelo bombardeamento de urânio238 com nêutrons.
Velocidades de decaimento
radioativo
• Meia-vida → tempo necessário para que
metade de certa quantidade de uma
substância radioativa decaia
 Cada isótopo tem sua própria meia-vida
• Como a meia-vida de qualquer nuclídeo é
constante, a meia-vida pode servir como um
relógio nuclear para determinar idades de
diferentes objetos. A meia-vida do carbono-14
é de 5.715 anos
14
C
6
→
14
N
7
+
0
e
-1
• Decaimento radioativo → processo cinético
de 1ª ordem
• Velocidade de decaimento (atividade) →
diretamente proporcional ao nº de núcleos
radioativos N na amostra:
 Velocidade = kN
 ln( Nt / N0 ) = - kt
 k = 0,693 / t1/2
• Bequerel (Bq) → unidade de atividade
radioativa.
 1 Bq = desintegração / s
Detecção de radioatividade
• Bequerel
• Lâminas e Filmes Fotográficos → extensão
do obscurecimento
• Contador Geiger → ionização da matéria e
condução de corrente elétrica
• Contador de Cintilações → detecção e
medição pelos sinais de luz produzidos por
uma substância fosforescente
• Métodos quantitativos
Rastreadores radioativos
• Radioisótopos usados para seguir um
elemento por suas reações químicas
• Aplicações médicas → ferramentas de
diagnóstico
 Habilidade do composto radioativo de
localizar-se e concentra-se no órgão ou
tecido sob investigação
 Iodo-131 → glândulas tireóides
 Tomografia por emissão de pósitron →
construção de imagem computadorizada
do órgão que está emitindo a radiação
 Radionuclídeos mais utilizados: 11C,
18F, 15O, 13N
Variação de energia nas reações
nucleares
• Equação de Einstein → E = m.c2
 E = energia (J), m = massa (kg), c =
velocidade da luz = 2,9979 x 108 m/s
• ΔE = Δm.c2
 Δm = m total dos produtos – m reagentes
• Perda de massa → perda de energia (ΔE<0)
→ exotérmica
 Reações nucleares espontâneas
• Ganho de massa → ganho de energia (ΔE>0)
→ endotérmica
• ΔE e Δm nas reações nucleares são muito
maiores que nas reações químicas
Energia de coesão dos núcleos
• Energia necessária para separar um núcleo
em seus núcleons
 E coesão, estabilidade do núcleo
 Comparação das estabilidades de
diferentes combinações de núcleons
• m núcleos < m núcleons individuais
 Perda de massa (m núcleo – m núcleons constituintes)
 Adição de energia para quebrar o núcleo
Fissão Nuclear
• Núcleos pesados → Núcleos médios + energia
• Reação em cadeia
• Massa crítica → massa mínima de material
físsil
 Massa subcrítica
 Massa supercrítica
• Bomba Atômica
• Reatores Nucleares
Fusão Nuclear
• Sol
• Núcleos leves → Núcleos pesados + energia
• Maior disponibilidade de isótopos mais
leves
• Altas energias necessárias para superar
repulsão entre núcleos
 Altas energias → Altas temperaturas
• Reações termonucleares
• Bomba termonuclear ou de hidrogênio
 Uso de bomba atômica para alcançar
altas temperaturas
 Inadequada para geração controlada
de energia
• Inexistência de material estrutural que
resista às temperaturas necessárias
 Pesquisas
 Tokamak → campos magnéticos fortes
 Laseres poderosos
Efeitos biológicos da radiação
• Constante exposição à radiação natural e
artificial (Ex: luz visível do sol, microondas,
raios X)
• Diferentes energias para diferentes espécies
de radiação
• Tipos de radiação:
 Não-ionizantes → excitação de elétrons
 Geralmente possui energia mais baixa
 Ionizante → remoção de um elétron do
átomo ou molécula
 Geralmente muito mais prejudicial aos
sistemas biológicos
 Formação de radicais livres nos tecidos
humanos
 H2O+ + H2O → H3O+ + ·OH
 Capazes de romper as operações
normais das células
 Dano depende da atividade e da energia
da radiação, do tempo de exposição e da
localização da fonte
 Raios  e X →
prejudiciais fora do
corpo
 Raios α →
bloqueados pela
pele, mas perigosos
dentro do corpo
 Raios β →
penetram 1cm na
pele
 Principal efeito da
exposição prolongada a
baixas doses de
radiação → câncer
Hipóteses sobre os efeitos da
radiação
• Efeitos proporcionais à exposição, mesmo
a baixas doses. Qualquer quantidade de
radiação provoca algum risco finito de
lesão
• Limite abaixo do qual não existem riscos
de radiação
Doses de Radiação
• Medição de dose absorvida de radiação
 Gray (Gy) → unidade SI
 1 J de energia / kg de tecido
 Rad → uso frequente em medicina
 1 x 10-2 J de energia / kg de tecido
 1 Gy = 100 rads
• Efetividade Biológica Relativa (EBR)
 Medição do dano biológico relativo
causado pela radiação
 Varia com a taxa da dose, com a dose
total e com o tipo de tecido afetado
• Dose Efetiva
 Sievert (Sv) = (Gy) x
(EBR)
 Unidade SI
 Nº de rems = (Nº de rads)
x (EBR)
 Equivale a
roentgen/ser vivo
 Geralmente usado na
medicina
 1 Sv = 100 rem
• Exposição média por uma
pessoa em um ano a
radiações ionizantes = 360
mrem
Radônio-222
• Gás nobre radioativo
• Formado pelo decaimento do urânio de
rochas e solos
• Interação entre propriedades químicas e
nucleares
 Extremamente não-reativo
 Escapa do solo sem reagir
quimicamente
 Facilmente inalado e exalado

222
218
86
84
Rn →
Po +
4
He
2
 Partícula α tem alta EBR

218
214
4
84
82
2
Po →
Pb + He
 Polônio-218 pode ficar retido nos pulmões
 Responsável por 10% das mortes por
câncer nos pulmões
 Níveis de radônio-222 ≤ 4 pCi/Lar
Areia Monazítica
• Encontrada no litoral brasileiro
• Composta de vários minerais pesados
 Monazita → fosfatos, tório e urânio
(fabricação de vidros especiais como tubos
de televisores, catalisadores para petróleo e
fibras ópticas)
 Zircão → silicato de zircônio, háfnio
(fabricação de refratários, moldes de
fundição e peças para reatores nucleares)
 Ilmenita → óxido de ferro e titânio (ampla
aplicação na indústria aeroespacial, como
ligas em motores e turbinas)
 A partir do tório obtém-se o urânio físsil
 Vendia-se aos EUA
 Era beneficiado no Complexo
Industrial de Poços de Caldas, que hoje
está desativado
Terapia por radiação
• Radioterapia → tratamento por radiação de
alta energia
• Tumores malignos → massas de tecido
anormal
 Podem ser causados pela radiação de alta
energia
 Podem ser destruídos pela exposição à
mesma
 Células que se reproduzem rapidamente
são mais susceptíveis aos danos da
radiação
• Radionuclídeos usados
 Meias-vidas pequenas → grande
quantidade de reação em curto período de
tempo
 Fonte dentro ou fora do corpo
 Mais comum → radiação 
 Sementes radioativas → revestidas de
platina
 Implantadas cirurgicamente
 Ingestão
 Aceleradores de partículas
• Quase impossível evitar danos às células
saudáveis
 Efeitos colaterais → fadiga, náusea, perda
de cabelos, enfraquecimento do sistema
imunológico e até morte
Referências bibliográficas
• http://www.cnen.gov.br/lapoc/tecnica/licfisc.asp
• http://www.guaraparivirtual.com.br/areia_m.asp
• http://www.ilhagrande.org/AreiaMonazitica/areia-monazitica.html
• http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/0,0,
EDR65404-6014,00.html
• T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J. R.
Burdge. Química: A Ciência Central, 9ª. ed.. São
Paulo: Pearson, 2005.