Capítulo 21 Química Nuclear

1. Capítulo 21 Química Nuclear Daniel de Oliveira Dourado nº 14235 Simone Domingues Cintra nº 14246 Prof.: Dr. Élcio Rogério Barrak

2. 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

3. 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.

4. 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.

6. 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.

7. -Isótopos Urânio   mesmo número atômico, diferentes números de massa. • Os isótopos possuem abundância natural diferente, assim como, seus núcleos também têm estabilidades diferentes.

8. -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.

9. 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.

10. -Decaimento Radioativo É quando um núcleo se decompõe espontaneamente. Tipos: • Emissão de radiação alfa(): É uma corrente de núcleos de hélio-4, simbolizadas por

11. 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.

12. 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.

14. 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.

16. 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.

17. Faixa de estabilidade

18. 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.

19. 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.

21. 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.

22. 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.

24. 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:

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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:

30. * 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 carbono-14 e 12 diminui. Assim comparando essa razão com a razão atmosférica, será possível aproximar a idade de um organismo.

31. 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.

32. 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.

33. 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

34. Detecção da radioatividade • Formas de detecção de radioatividade: • Filme Fotográfico. • Contador de Geiger. • Contador de Cintilações. • Rastreador de Radioatividade.

36. 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).

37. Variação de energia nas reações nucleares • Toda reação nuclear espontânea é exotérmica. • Variação pode ser pequena da m, mas a E sempre é grande.

38. Exercício

39. Variação de energia nas reações nucleares • Energia de coesão do núcleo: 1. Energia necessária para separar um núcleo em seus núcleons. Ex: ohélio temmassa atômica = 4,00150u A massa de próton é 1,00728u A massa denêutron é 1,00866u

40. 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.

41. Variação de energia nas reações nucleares • Agora aplicando a equação de Albert Einstein descobrimos a E para separar o núcleo de seus núcleons.

42. 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.

43. 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.

45. 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.

46. 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, queleva a uma reação em cadeia rápida sem controle, e por fim a uma explosão nuclear.

47. Reação de implosão no núcleo de uma bomba atômica.

48. 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).

49. Usina de energia nuclear

50. 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.