Capítulo 21 Química nuclear

1. QUÍMICAA Ciência Central 9ª Edição Capítulo 21Química 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. 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. Radioatividade Tipos de decaimento radioativo

6. Radioatividade Tipos de decaimento radioativo

7. 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.

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 5.730 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 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.

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 + 23892U 14256Ba + 9136Kr + 310n • libera 3,5  10-11 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 40.000.000 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 3.000.000 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