CONHECIMENTOS QUÍMICA QC REAÇÕES NUCLEARES Turma M2

Transcrição

1 CONHECIMENTOS QUÍMICA QC REAÇÕES NUCLEARES Turma M2 A radioatividade é definida como a capacidade que alguns elementos fisicamente instáveis possuem de emitir energia sob forma de partículas ou radiação eletromagnética. A radioatividade foi descoberta no século XIX. Até esse momento predominava a ideia de que os átomos eram as menores partículas da matéria. Com a descoberta da radiação, os cientistas constataram a existência de partículas ainda menores que o átomo, tais como: Identifique na imagem ao lado: nêutrons, prótons e elétrons. 1.1) Histórico 1895: Ocorreram a descoberta do raio-x e a primeira radiografia da história, feitas pelo físico alemão Wilheelm Conrad Rontgen. A denominação raio X foi usada por Conrad porque ele não conhecia a natureza da luz que ele tinha acabado de descobrir, ou seja, para ele tratavase de um raio desconhecido. Os raios-x são obtidos através de um aparelho chamado de Tubo de Coolidge. Quando elétrons com grande energia cinética se colidem com átomos, transferem energia para os elétrons que acelerados emitem ondas eletromagnéticas que são os raios-x. Rontgen verificou que os mesmos têm a propriedade de atravessar materiais de baixa densidade, como os músculos, por exemplo, e são absorvidos por materiais com densidades mais elevadas como, por exemplo, os ossos (radiografia). O raio-x também é usado no tratamento de câncer, na pesquisa de estrutura cristalina dos sólidos e na indústria. Os raios-x propagam-se com a velocidade da luz e esse raio possui ações benéficas e maléficas. A exposição demorada desse raio no corpo humano pode causar sérios danos à saúde como, por exemplo, lesões cancerígenas, morte de células, leucemia, entre outros. 1896: Charles Henri Becquerel descobriu que o urânio e seus compostos emitiam uma radiação penetrante, mas interpretou o fenômeno como um tipo de fosforescência invisível (os materiais luminescentes talvez emitissem raios-x). 1898: Marie Curie tem a ideia de pesquisar materiais diferentes que emitiam radiações semelhantes, descobrindo a radiação do tório, por exemplo, e formula o LEMBRETE Na época o conceito mais próximo do átomo era o de Thomson, o pudim de passas, uma pasta positiva incrustada de elétrons com carga negativa, sem núcleo. conceito e a palavra radioatividade: - Os raios urânicos foram frequentemente chamados raios de Becquerel. Podese generalizar esse nome, aplicando-o não apenas aos raios urânicos, mas também aos raios tóricos e a todas as radiações semelhantes. Chamarei de radioativas as substâncias que emitem raios de Becquerel. O nome de hiperfosforescência que foi proposto para o fenômeno, parece-me dar uma falsa ideia de sua natureza. 1899: No início de 1899, Rutherford notou a existência de dois tipos de radiação de urânio uma mais penetrante e outra facilmente absorvida. Chamou-as de α (a menos penetrante) e β. No final de 1899, Geisel observou que as radiações de polônio eram desviáveis por um ímã. Esses raios não podiam, portanto, ser raios-x. Rutherford observou que as substâncias radioativas têm alto peso atômico e sua radioatividade parecia ser independente de estados químicos. Com isto, não se estava muito longe de responder como a radioatividade estava ligada à composição atômica. Todos os elementos mais pesados, com se verifica, são inerentemente instáveis e se acham em contínua transmutação. Por exemplo: Urânio Thório Protactínio Frâncio Radônio Como o decaimento era lento na maioria dos elementos que o casal Curie trabalhava, e como a energia disponível no núcleo era enorme, os Curie e outros não conseguiram detectar qualquer mudança. 1903: Foi formulada a teoria da transformação radioativa, por Rutherford e Soddy, esclarecendo a natureza das próprias radiações emitidas pelos corpos radioativos, mostrando-se que não se tratava de raios-x. 1911: Rutherford postula seu modelo atômico a partir do experimento representado na imagem ao lado, comprovando que o átomo possui núcleo. O nome Radioatividade surgiu porque as radiações afetavam as emissões de rádio, atrapalhando o seu funcionamento.

2 1919: Rutherford identifica a partícula responsável pela carga positiva do átomo, o próton, e levanta a hipótese de que no interior do núcleo deveria haver outra partícula, eletricamente neutra, mas com massa semelhante à do próton. Em 1932 essa partícula foi descoberta pelo seu aluno Chadwick. 1.2 ) Tipos de radioatividade LEMBRETE: O átomo é definido por seu número atômico Z, ou número de prótons do núcleo. As reações ou fenômenos químicos ocorrem entre átomos apenas com transferência dos elétrons que se encontram na eletrosfera. Já os fenômenos radioativos envolvem os prótons do núcleo do átomo, o que faz com que um elemento químico possa se transformar em outro. A representação de um elemento sempre é feita com a massa na parte superior do símbolo e o número de prótons na parte inferior do símbolo, como nos exemplos: Cs 55Cs Cs +1 e e A radioatividade pode ser dividida em dois grandes grupos: Radioatividade natural ou espontânea: é a que se manifesta nos elementos radioativos e nos isótopos que se encontram na natureza. Radioatividade artificial ou induzida: é aquela produzida por transformações nucleares artificiais. As três radiações mais comuns são os raios Alfa (α), Beta (β) e Gama (γ), que são invisíveis aos olhos humanos. Para entender suas características é possível observar o experimento que Rutherford realizou, demonstrado nas duas representações: Com esse experimento, Rutherford concluiu que as partículas tinham cargas e massas diferentes. Ele verificou que: a partícula alfa α apresenta carga pois é atraída pela placa negativa; a partícula beta β apresenta carga pois é atraída pela placa positiva; a radiação gama γ não apresenta carga, pois não é atraída por nenhuma placa. Ele ainda concluiu que as partículas alfa e beta possuem massas diferentes, sendo que a partícula tem maior massa que a partícula, pois sofre o menor desvio pelo eletroímã. a) Raios alfa α São partículas carregadas por dois prótons e dois nêutrons, sendo, portanto, núcleos de átomos de hélio ( 24 α = 24 He). Apresentam carga positiva +2 e número de massa 4. As partículas alfa são facilmente barradas por uma folha de papel alumínio, apesar de serem bastante energéticas. A radiação alfa possui massa e carga elétrica relativamente maior que as demais radiações. Em 1911, Frederick Soddy enunciou a 1ª Lei da Radioatividade: quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu número atômico diminui de duas unidades e seu número de massa diminui de quatro unidades. Genericamente, temos: Z XA Z 2 Y A 4 + As partículas alfa podem ser produzidas em reações nucleares ou decaimentos radioativos, por exemplo, na fissão do amerício 241 em neptúnio 237: 95Am α Np U α Th 231 O átomo do qual a partícula alfa sai sofre uma alteração significativa, porque as propriedades químicas dos átomos são determinadas pelo número de prótons existentes no núcleo. Dessa forma, ao emitir uma partícula alfa, o átomo-pai perde dois prótons e se transforma em outro elemento: átomo-filho, e passa a comportar-se de forma diferente em termos químicos. Observe que as equações nucleares mantêm um balanço de massas e de cargas elétricas nucleares, no exemplo do urânio: 92 U α Th 231 Massa: 235 = Carga: 92 = α4

3 LEMBRETE Átomos com mesmo número de prótons (isótopos) possuem massa diferente (por causa do número diferente de nêutrons no núcleo). Nesse caso, é convenção se referir aos isótopos pela massa. Exemplos: carbono-12 e carbono-14 (massa 12 e massa 14). Outro exemplo é o caso de elementos não estáveis que são usados como ferramentas de estudo na agricultura para entender a absorção de nutrientes nas culturas: Fósforo-32, Enxofre-35, Cálcio-45, Zinco-65, Manganês-54 e Ferro-59. EXERCÍCIOS 1) Complete as equações: a) 86 Rn α 4 + b) 111 Rg α 4 + c) 105 Db α 4 + d) 84 Po α 4 + e) 107 Bh α 4 + f) 101 Md α 4 + 2) Encontre os x, y, k e Z nas equações: a) x Th Ra y + alfa b) 92 U n 1 92U x c) Ra k + 86 Rn 222 α + y Z 218 α + 82 Pb x [...] α + 82 Z 210 3) Na série radioativa natural do quadro ao lado, identifique os dois elementos faltantes e as quatro massas faltantes. b) Raios beta β São constituídos por elétrons atirados, em altíssima velocidade, para fora de um núcleo instável. O poder de penetração da partícula beta é maior que o da partícula alfa, sendo menos ionizante que a mesma. Como não existe elétron no núcleo, ele é formado a partir de um nêutron de acordo com o esquema: nêutron próton + elétron + neutrino O próton permanece no núcleo e o elétron e o neutrino são atirados para fora do núcleo. O neutrino é uma partícula que, teoricamente, não tem massa e nem carga elétrica, e por esse motivo interage fracamente com a matéria. São as partículas mais abundantes que a física conhece, com bilhões delas atravessando a cada segundo o corpo de cada habitante da Terra sem deixar nenhum vestígio. Na imagem abaixo o detector de neutrinos Super Kamiokande, da Universidade de Tókio (Japão). A radiação beta possui carga negativa, se assemelhando aos elétrons. As partículas beta são mais penetrantes e menos energéticas que as partículas alfa, conseguem atravessar o papel alumínio, mas são barradas por madeira. É válido lembrar que apenas os raios alfa e beta possuem carga positiva e negativa, respectivamente, e os raios gama (a seguir) são ausentes de carga elétrica. Soddy, Fajans, Russell enunciaram a 2ª Lei da Radiotividade: Quando um núcleo emite uma partícula beta, seu número atômico aumenta de uma unidade e seu número de massa permanece inalterado. Genericamente, temos: Exemplos: 83Bi 210 1β Po 210 Z XA Z + 1 Y A + -1 β Cs -1 0 e Ba Átomo-pai Átomo-filho Atualmente sabe-se que um átomo com muitos nêutrons transforma um nêutron excedente em um próton, originando a radiação beta.

4 EXERCÍCIOS 1) Complete as equações: a) 5 B 8 1 β 0 + b) Pb 1β 0 + c) 90 Th 234 e - + d) 91 Pa e + 2) Para determinar a constante de Avogadro, Rutherford observou a seguinte série radioativa: 88Ra Rn 84 Po 82 Pb 83 Bi 84 Po 82 Pb. Observando a série, identifique nas setas qual a partícula emitida e a massa dos novos elementos formados. 3) Complete os espaços vazios nas equações de decaimento da família radioativa ao lado: 4) (PUC-RJ) As três primeiras etapas na série de decaimento radioativo do urânio 238 envolvem emissão sucessiva de uma partícula alfa, uma partícula beta e outra partícula beta. Sobre o elemento resultante do decaimento, é CORRETO afirmar que: a) na 1ª etapa, possui número de massa 234 e número atômico 92. b) na 1a etapa, possui 90 nêutrons em seu núcleo. c) após as três etapas, possui 144 nêutrons em seu núcleo. d) após as duas primeiras etapas, possui número de massa 234 e número atômico 91. e) após as três etapas, possui 96 prótons em seu núcleo. 5) (FUVEST-SP) Em 1995, o elemento de número atômico 111 foi sintetizado pela transformação nuclear: 28Ni Bi Rg n 1 (nêutron). Esse novo elemento, representado por Rg, é instável. Sofre o decaimento: 111Rg Mt Bh Db Lr Md 252 Nesse decaimento, liberam-se apenas: a) nêutrons. b) prótons. c) partículas β e partículas α. d) partículas α. e) partículas β. 6) (FATEC-SP adaptada) Na equação representada a seguir: 86 Rn 222 X + Y + 84 Po 210 os números de partículas alfa e beta, representados por X e Y, emitidas nesse processo são, respectivamente: a) 1 e 2. b) 3 e 4. c) 4 e 5. d) 3 e 3. e) 4 e 3. c) Raios gama γ A luz e o som são exemplos de ondas, no entanto, existe uma diferença grande entre ambos. Ondas mecânicas são aquelas que precisam de um meio material para se propagar, como o som, por exemplo. Já a luz é uma onda eletromagnética, que se propaga até no vácuo, como também as ondas de rádios e televisão, as microondas, o infravermelho, o ultravioleta, os raios-x e os raios gama. Todas as ondas eletromagnéticas se propagam na mesma velocidade (3x10 8 metros por segundo no vácuo). O que diferencia uma onda eletromagnética da outra é a frequência que é expressa em oscilações por segundo, como representado na imagem abaixo.

5 É importante destacar das várias ondas eletromagnéticas, apenas os raios gama são emitidos por núcleos atômicos. As emissões gama não são partículas, e sim ondas eletromagnéticas, com energia mais elevada, superando inclusive os raios-x. São extremamente penetrantes, podendo atravessar o corpo humano, são detidos somente por uma parede grossa de concreto ou por algum tipo de metal. Como não altera nem o número atômico nem a massa do elemento, não se costuma escrever a emissão gama nas equações nucleares. Observe o exemplo: Cs 1 β Ba 0 γ Ba Beta emissor instável estável Esta radiação é nociva à saúde humana, podendo causar má formação nas células. Para bloquear esse tipo de radiação durante sua utilização empregam-se grossas barreiras de chumbo ou concreto. Considerações: Um radionuclídeo ou radioisótopo é caracterizado como um núcleo ou atômico emissor de radiação. Das três radiações conhecidas, o poder de penetração, em ordem crescente é: < <. A radioatividade natural geralmente acontece em núcleos mais pesados que o chumbo. Por envolver os núcleos dos átomos, as reações nucleares são muito mais energéticas que as reações químicas (que envolvem elétrons da eletrosfera), e por isso, são mais difíceis de ser executadas e controladas. 1.3 Transformações nucleares O conhecimento sobre a química evoluiu muito por causa dos alquimistas que sonhavam transformar metais baratos em ouro. Isso se tornou possível a partir da descoberta de reações que envolvem os prótons do núcleo. a) Fissão nuclear Fissão quer dizer quebra, divisão. A fissão nuclear é uma reação que ocorre no núcleo de um átomo. Em 1934 Enrico Fermi realizou pela primeira vez este experimento, bombardeando átomos de urânio com nêutrons, mas não desconfiou da formação de novos elementos. Esse fenômeno foi explicado em 1938 pela equação: 92U n 1 56 Ba Kr n 1 Geralmente o núcleo pesado é atingido por um nêutron, que, após a colisão, forma dois núcleos menores e libera uma imensa quantidade de energia. No processo de fissão de um átomo, a cada colisão são liberados novos nêutrons. Quando existirem outros átomos próximos, os novos nêutrons irão colidir com novos núcleos, provocando a fissão sucessiva de outros núcleos e estabelecendo, então, uma reação que denominamos reação em cadeia, como representada na imagem. Um parâmetro importante para analisar a estabilidade de um núcleo é a razão entre o número de prótons e o número de nêutrons. Por um lado, a falta de nêutrons pode tornar a distância entre prótons tão pequena que a repulsão se torna inevitável, resultando na fissão do núcleo. Por outro lado, como a força nuclear é de curto alcance, o excesso de nêutrons pode acarretar uma superfície de repulsão eletromagnética insustentável, que também resultaria na fissão do núcleo. Assim, um dos principais fatores para a estabilidade do núcleo é que tenhamos N = Z. A fissão nuclear de um átomo de urânio libera grande quantidade de energia, cerca de 200 Mev (200 milhões de elétrons volts). Se for descontrolada, a reação será explosiva (o que acontece com as bombas atômicas). b) Fusão nuclear Fusão é o inverso da fissão, portanto fusão nuclear é colisão de dois pequenos átomos produzindo átomos maiores, com liberação de uma energia ainda maior que a fissão. 1H H 2 1 H H 1 9,3 x 10 7 kcal/mol 1H H 2 2 He n 1 7,6 x 10 7 kcal/mol 1H H 3 2 He n 1 3,9 x 10 8 kcal/mol São emissões desse tipo que ocorrem no Sol e nas estrelas, o que explica a quantidade imensa de energia que é liberada por esses astros. O sol é composto de 73% de hidrogênio, 26% de hélio e 1% de outros elementos. Isso é explicado pelo fato de ocorrerem reações em seu núcleo, conforme mostrado anteriormente, em que átomos de hidrogênio se fundem originando átomos de hélio.

6 Em razão dessa alta energia liberada, muitos cientistas tentam produzir energia por meio dessa reação. No entanto, isso ainda não é possível, porque reações desse tipo somente ocorrem em temperaturas elevadíssimas, como ocorre no Sol. E não é possível trabalhar ainda de maneira controlada com materiais a milhares de graus Celsius. Abaixo uma imagem de um tipo de reator, chamado de tokamak, que está sendo aperfeiçoado para suportar altas temperaturas. Esses tipos de reatores conseguem manter um plasma em alta temperatura longe das paredes, durante pouco tempo, usando técnicas de confinamento magnético. No entanto, já foram construídas bombas de hidrogênio, onde uma bomba atômica com fissão de átomos explode dentro da bomba para produzir o calor necessário para a fusão dos átomos de hidrogênio. 1) Pesquise as principais características (local, causa, tipo de radiação emitida, efeitos ao ambiente e à população local, medidas de precaução, etc.) dos acidentes nucleares listados abaixo: a) Acidente de Three-Mile Island Acidente de Goiânia b) Acidente de Chernobyl Acidente de Fukushima c) Reação nuclear ou de transmutação Reação nuclear ou reação de transmutação é o bombardeamento de um núcleo atômico com outras partículas (β, α, nêutrons, etc.) com produção de um novo elemento químico. Em 1919 Rutherford realizou a primeira reação de transmutação artificial: 7 N α 4 8 O p 1 Em muitos casos, o produto de uma reação de bombardeio nuclear é instável e produz subsequente desintegração radioativa. Por exemplo, quando o núcleo de cobalto 59 é bombardeado com um nêutron de alta energia, é formado cobalto 60 que é pouco estável, sendo esse transformado em manganês 56 mais He. Porém, o manganês 56 produzido não é estável, desintegrando-se com uma meia-vida de 2,6 h e formando-se o ferro 56, que é estável. Esse é um exemplo de radioatividade induzida ou artificial, porque a transmutação também pode ocorrer naturalmente. Em 1932, Chadwick descobriu o nêutron através de uma reação de transmutação: 4 Be α 4 6 C n 1 Observe os tipos mais comuns de transmutação. * Reações provocadas por partículas α Al + 24 α Si + 11 p 9 21 F + 24 α Na + 01 n * Reações provocadas por prótons P + 11 p S + 01 n 4 9 Be + 11 p 36 Li + 24 α * Reações provocadas por dêuterons ( 12 d) Na + 12 d Mg + 01 n As + 12 d As + 11 p Dêuterons são partículas formadas por um próton e um nêutron e equivalem ao núcleo do deutério 1 2 H. Nesse segundo exemplo, não houve transmutação, apenas um isótopo de arsênio transforma-se em outro. * Reações provocadas por nêutrons Al + 01 n Mg + 11 p Se + 01 n Na + 00 γ A partir desse ano vários outros radioisótopos foram sendo descobertos, e atualmente são conhecidos mais de isótopos radioativos. Também vale lembrar que todos os elementos transurânicos (depois do urânio), são artificiais, ou seja, não ocorrem naturalmente. Em 1940, nos EUA, foram produzidos os dois primeiros elementos artificiais: o netúnio e o plutônio. Na Terra não existem três elementos cisurânicos (que têm número atômico inferior ao urânio) e que são produzidos artificialmente: tecnécio, promécio e astato.