QUÍMICA
A Ciência Central
9ª Edição
Capítulo 21
Química nuclear
David P. White
© 2005 by Pearson Education
Capítulo 21
Radioatividade
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 U  234 Th + 4 He
92
90
2
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Capítulo 21
Radioatividade
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.
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Capítulo 21
Radioatividade
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: 42He e 42 representam a radiação .
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Capítulo 21
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
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Capítulo 21
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
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Capítulo 21
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
• Os núcleons podem sofrer decaimento:
1 n  1 p+ + 0 e- (emissão )
0
1
-1
0 e- + 0 e+  20  (aniquilação de pósitron)
-1
1
0
1 p+  1 n + 0 e+ (emissão de pósitron ou de +)
0
0
1
1 p+ + 0 e-  1 n (captura de elétron)
1
-1
0
• Um pósitron é uma partícula com a mesma massa de um elétron,
mas com uma carga positiva.
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Capítulo 21
Radioatividade
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
molecular
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.
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
molecular
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.
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
molecular
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).
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
molecular
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
molecular
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.
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
nuclear
Série de radioatividade
Para 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.
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Capítulo 21
Padrão de estabilidade
nuclear
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.
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Capítulo 21
Transmutações nucleares
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.
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Capítulo 21
Transmutações nucleares
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Capítulo 21
Transmutações 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.
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Capítulo 21
Velocidades de decaimento
radioativo
• 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
90 Sr  90 Y + 0 e
38
39
-1
• 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.
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Capítulo 21
Velocidades de decaimento
radioativo
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Capítulo 21
Velocidades de decaimento
radioativo
• 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.
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Capítulo 21
Velocidades de decaimento
radioativo
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 C 14 N + 0 e
6
7
-1
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Capítulo 21
Velocidades de decaimento
radioativo
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
Nt
ln
  kt
N0
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Capítulo 21
Velocidades de decaimento
radioativo
Cálculos baseados em meia vida
• Com a definição de meia-vida (o tempo gasto para Nt = ½N0),
obtemos
k  0t.693
1
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2
Capítulo 21
Detecção de radioatividade
• 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.
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Capítulo 21
Detecção de radioatividade
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Capítulo 21
Detecção 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.
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Capítulo 21
Variações de energia nas
reações nucleares
• Einstein mostrou que a massa e a energia são proporcionais:
E  mc2
• 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.
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Capítulo 21
Variações de energia nas
reações nucleares
–
–
–
–
E 23892U  23490Th + 42He
para 1 mol das massas serem
238,0003 g  233,9942 g + 4,015 g.
A variação na massa durante a reação é
233,9942 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 23892U:
 
E   mc2  c 2m


 2.9979 108 m/s2  0.0046 103 kg

 4.11011 J
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Capítulo 21
Variações de energia nas
reações nucleares
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.
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Capítulo 21
Variações de energia nas
reações nucleares
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Capítulo 21
Variações de energia nas
reações nucleares
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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
• 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,
1 n + 238 U  142 Ba + 91 Kr + 31 n
0
92
56
36
0
libera 3,5  10-11 J por núcleo de 235U.
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Capítulo 21
Fissão 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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
• 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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
• 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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
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Capítulo 21
Fissão 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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
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Capítulo 21
Fissão nuclear
• 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.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
• 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 H + 3 H  4 He + 1 n
1
1
2
0
• Estas temperaturas podem ser alcançadas em uma bomba nuclear
ou um tokamak.
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Capítulo 21
Fissão nuclear
• 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.
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
• 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 nãoionizante) ou ionização (radiação ionizante).
• A radiação ionizante é muito mais prejudicial do que a radiação
não-ionizante.
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da 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.
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
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).
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
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).
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
Radônio
• O núcleo de 22286Rn 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.
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
Radônio
• Ele decai como a seguir:
222 Rn  218 Po + 4 He
86
84
2
• 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) :
218 Po  214 Pb + 4 He
84
82
2
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Capítulo 21
Efeitos biológicos
da radiação
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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Capítulo 21
Fim do Capítulo 21
Química nuclear
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Capítulo 21