cap tulo 21 qu mica nuclear n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Capítulo 21 Química nuclear PowerPoint Presentation
Download Presentation
Capítulo 21 Química nuclear

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 52

Capítulo 21 Química nuclear - PowerPoint PPT Presentation


  • 78 Views
  • Uploaded on

QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição. Capítulo 21 Química nuclear. David P. White. Radioatividade. Equações nucleares Núcleons: partículas no núcleo: p + : próton n 0 : nêutron. Número de massa: o número de p + + n 0 . Número atômico: o número de p + .

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Capítulo 21 Química nuclear' - totie


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide2

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:
  • 23892U 23490Th + 42He
slide3

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.
slide4

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 42a representam a radiação .
slide5

Radioatividade

Tipos de decaimento radioativo

slide6

Radioatividade

Tipos de decaimento radioativo

slide7

Radioatividade

  • Tipos de decaimento radioativo
  • Os núcleons podem sofrer decaimento:
  • 10n 11p+ + 0-1e- (emissão )
  • 0-1e- + 01e+ 200g (aniquilação de pósitron)
  • 10p+10n + 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.
slide9

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.
slide10

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.
slide11

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).
slide13

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.
slide14

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.

slide15

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.
slide16

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.
slide18

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.
slide19

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
  • 9038Sr 9039Y + 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.
slide21

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.
slide22

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 :
  • 146C147N + 0-1e
slide23

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
slide24

Velocidades de decaimento radioativo

  • Cálculos baseados em meia vida
  • Com a definição de meia-vida (o tempo gasto para Nt = ½N0), obtemos
slide25

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.
slide27

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.
slide28

Variações de energia nas reações nucleares

  • 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.
slide29

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:
slide30

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.
slide32

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.
slide33

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,
  • 10n + 23892U 14256Ba + 9136Kr + 310n
  • libera 3,5  10-11 J por núcleo de 235U.
slide34

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.
slide35

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.
slide36

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.
slide38

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.
slide39

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.
slide41

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.
slide42

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:
  • 21H + 31H 42He + 10n
  • Estas temperaturas podem ser alcançadas em uma bomba nuclear ou um tokamak.
slide43

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.
slide44

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 não-ionizante) ou ionização (radiação ionizante).
  • A radiação ionizante é muito mais prejudicial do que a radiação não-ionizante.
slide45

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.
slide46

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).
slide47

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).
slide49

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.
slide50

Efeitos biológicos

da radiação

  • Radônio
  • Ele decai como a seguir:
  • 22286Rn 21884Po + 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 21482Pb + 42He
slide51

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.