QUMICA A Cincia Central 9 Edio Captulo 21

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 – n 0: nêutron. • Número de massa: o número de p+ + n 0. • Número atômico: o número de p+. • Isótopos: têm o mesmo número de p+ e números diferentes de n 0. • Nas equações nucleares, o número de núcleons é conservado: 238 U 234 Th + 4 He 92 90 2 © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Radioatividade Equações nucleares • Na decomposição do 131 I 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Radioatividade Tipos de decaimento radioativo • Existem três tipos de radiação as quais consideramos: – Radiação é a perda de 42 He 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: 42 He e 42 representam a radiação . © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Radioatividade Tipos de decaimento radioativo © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Radioatividade Tipos de decaimento radioativo © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Radioatividade © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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). © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Padrão de estabilidade molecular © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Padrão de estabilidade nuclear Série de radioatividade Para o 238 U, o primeiro decaimento é para 234 Th (decaimento ). O 234 Th sofre emissão para 234 Pa e para 234 U. O 234 U sofre decaimento (várias vezes) para 230 Th, 226 Ra, 222 Rn, 218 Po, e 214 Pb. O 214 Pb sofre emissão (duas vezes) através de 214 Bi para 214 Po o qual sofre decaimento para 210 Pb. O 210 Pb sofre emissão para 210 Bi e 210 Po o qual decompõe-se ( ) para o 206 Pb estável. © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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 : 14 N + 4 17 O + 1 p • A reação acima é escrita em notação simplificada: 14 N( , p)17 O • Para superar as forças eletrostáticas, as partículas carregadas precisam ser aceleradas antes de reagirem. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Transmutações nucleares © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Velocidades de decaimento radioativo • O 90 Sr 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 90 Sr 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Velocidades de decaimento radioativo © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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 12 C para 14 C tem sido constante através dos tempos. • Para detectarmos o 14 C, o objeto deve ter menos que 50 mil anos de idade. • A meia-vida do 14 C é 5. 730 anos. • Ele sofre decaimento para 14 N por meio de emissão : 14 C 14 N + 0 e 6 7 -1 © 2005 by Pearson Education 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 N 0 é o número inicial de núcleos e Nt é o número de núcleos no tempo t, logo © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Velocidades de decaimento radioativo Cálculos baseados em meia vida • Com a definição de meia-vida (o tempo gasto para Nt = ½N 0), obtemos © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Detecção de radioatividade © 2005 by Pearson Education 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 14 C: • O dióxido de carbono é marcado com 14 C. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

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 c 2 é um número grande (8, 99 1016 m 2/s 2). 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Variações de energia nas reações nucleares – – E 23892 U 23490 Th + 42 He 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 23892 U: © 2005 by Pearson Education 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 = mc 2, a energia de ligação está associada à deficiência de massa. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Variações de energia nas reações nucleares © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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 235 U 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 235 U. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Fissão nuclear • Para toda fissão de 235 U, são produzidos 2, 4 nêutrons. • Cada nêutron produzido pode causar a fissão de um outro núcleo de 235 U. • 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. © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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 235 U é de cerca de 1 kg. • Veremos agora o projeto de uma bomba atômica. • Duas cunhas subcríticas de 235 U 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Fissão nuclear © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Fissão nuclear Reatores nucleares • Usam a fissão como uma fonte de energia. • Usa uma massa subcrítica de 235 U (enriquece-se o 238 U com cerca de 3% de 235 U). • Os grânulos de 235 UO 2 enriquecidos são revestidos com Zr ou tubos de aço inoxidável. • Os tubos de controle são compostos de Cd ou B, que absorvem nêutrons. © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Fissão nuclear © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education 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 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. © 2005 by Pearson Education 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 K foi alcançado em um tokamak. © 2005 by Pearson Education 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. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Efeitos biológicos da radiação • A maior parte da radiação ionizante interage com a água nos tecidos para formar H 2 O+. • Os íons de H 2 O+ reagem com água para produzir H 3 O+ e OH. • OH tem um elétron desemparelhado. Ele é chamado de radical hidróxido. • Os radicais livres geralmente sofrem reações em cadeia. © 2005 by Pearson Education 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 1 G de Ra. ) • A radiação absorvida é medida em gray (1 Gy 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). © 2005 by Pearson Education 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 10 para radiação ). • rem (equivalente ao entgen para o homem) = rads RBE • A unidade SI para dosagem efetiva é o Sievert (1 Sv = RBE 1 Gy = 100 rem). © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Efeitos biológicos da radiação © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Efeitos biológicos da radiação Radônio • O núcleo de 22286 Rn é um produto do 23892 U. • 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. © 2005 by Pearson Education 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 218 Po também tem uma meia-vida curta (3, 11 min) : 218 Po 214 Pb + 4 He 84 82 2 © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Efeitos biológicos da radiação Radônio • O 218 Po fica preso aos pulmões onde ele continuamente produz partículas . • A EPA (Agência de Proteção Ambiental Norte-americana) recomenda que os níveis de 222 Rn nas residências seja mantido abaixo de 4 p. Ci por litro de ar. © 2005 by Pearson Education Capítulo 21

Fim do Capítulo 21 Química nuclear © 2005 by Pearson Education Capítulo 21