Capítulo 21 Química nuclear

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1 Capítulo 21 Química nuclear
QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição Capítulo 21 Química nuclear David P. White

2 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

3 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.

4 Tipos de decaimento radioativo
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 .

5 Tipos de decaimento radioativo
Radioatividade Tipos de decaimento radioativo

6 Tipos de decaimento radioativo
Radioatividade Tipos de decaimento radioativo

7 Tipos de decaimento radioativo
Radioatividade Tipos de decaimento radioativo Os núcleons podem sofrer decaimento: 10n  11p e- (emissão ) 0-1e- + 01e+  200g (aniquilação de pósitron) 10p+  10n + 01e+ (emissão de pósitron ou de +) 11p e-  10n (captura de elétron) Um pósitron é uma partícula com a mesma massa de um elétron, mas com uma carga positiva.

8 Radioatividade

9 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.

10 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.

11 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).

12 Padrão de estabilidade molecular

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

17 Transmutações nucleares

18 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.

19 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.

20 Velocidades de decaimento radioativo

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.

22 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 anos. Ele sofre decaimento para 14N por meio de emissão : 146C 147N + 0-1e

23 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

24 Velocidades de decaimento radioativo Cálculos baseados em meia vida
Com a definição de meia-vida (o tempo gasto para Nt = ½N0), obtemos

25 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.

26 Detecção de radioatividade

27 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.

28 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.

29 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:

30 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.

31 Variações de energia nas reações nucleares

32 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 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.

33 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 U  14256Ba Kr + 310n libera 3,5  J por núcleo de 235U.

34 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.

35 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.

36 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.

37 Fissão nuclear

38 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.

39 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.

40 Fissão nuclear

41 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.

42 Fissão nuclear Altas energias são alcançadas em altas temperaturas: as reações são termonucleares. A fusão do tritium e do deuterium requer cerca de K: 21H + 31H  42He + 10n Estas temperaturas podem ser alcançadas em uma bomba nuclear ou um tokamak.

43 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 K foi alcançado em um tokamak.

44 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.

45 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.

46 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).

47 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).

48 Efeitos biológicos da radiação

49 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.

50 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

51 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.

52 Fim do Capítulo 21 Química nuclear