6A Química Nuclear

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QUÍMICA NUCLEAR
INTRODUÇÃO
Até aqui, temos considerado os núcleos como imutáveis nas reações químicas.
Também, prestamos pouca atenção ao núcleo atômico, exceto ao considerar como a
carga nuclear afeta as propriedades atômicas, tal como o raio atômico, a
eletronegatividade, a energia de ionização, etc.
Porém, o núcleo pode se modificar também; e a química nuclear explora as
conseqüências químicas destas modificações.
1) RADIOATIVIDADE
Radioatividade é a emissão espontânea da radiação pelo núcleo. Tais núcleos são
radioativos.
Em 1895, o físico alemão Wilhelm Röntgen descobriu que os raios-X, são emitidos do
ânodo de um tudo de raios catódicos de alta voltagem.
Em 1896, o físico francês Antoine Henri Becquerel pensou que tinha encontrado uma
fonte natural de raios-X: sulfato uranila de potássio, K2UO2(SO4)2, mas, mais tarde,
ele percebeu que os raios naturais emanados destes e de outros compostos de urânio
eram diferentes dos raios-X de Röntgen (FIGURA 1).
Figura 1 – Henri Becquerel descobriu a radioatividade quando observou que uma placa
fotográfica não-exposta, deixada perto de um pouco de óxido de urânio, tinha ficado
escurecida. Esta fotografia mostra uma de suas placas originais.
Foi Becquerel quem inventou a palavra radioatividade para descrever a produção
desses raios.
Eventualmente, três espécies de emissões radioativas naturais foram identificadas e
caracterizadas e foi demonstrado que todas são emitidas pelo núcleo atômico
(FIGURA 2), provocando mudanças na composição ou estrutura.
Figura 2 – Um núcleo pode ser descrito como uma
coleção de prótons fortemente ligados e nêutrons. O
diâmetro de um núcleo é de cerca de 10 fm (1 fm =
10-15m).
Tais emissões foram chamadas raios alfa, beta e gama.
Raios alfa (α) consistem em um fluxo de partículas (agora chamadas partículas alfa)
que são idênticas a núcleos de 42He (sendo dois prótons e dois nêutrons fortemente
ligados).
Raios beta (β) constituídos de uma corrente de elétrons, geralmente de alta energia,
chamadas partículas β e designados 0
-1e (o subscrito -1 indica a carga e o sobrescrito
0, a massa extremamente pequena do elétron).
Raios gama (γ) não são partículas; são radiações eletromagnéticas, como raios-X,
mas são geralmente de freqüência mais alta e, portanto, energia mais alta (E = hν).
(FIGURA 3).
1.1) Radioatividade natural
Na ausência de influências externas, muitos nuclídeos (nuclídeo é uma espécie
atômica específica com certa composição nuclear.) são permanentemente estáveis.
Porém, alguns não o são e sofrem decaimento radioativo, também conhecido como
desintegração nuclear.
Figura 3 – Os efeitos de um campo elétrico sobre a radiação nuclear. O desvio identifica os
raios α como positivamente carregados, os raios β como negativamente carregados e os raios
γ como não-carregados.
Tal processo é representado por uma equação nuclear na qual o símbolo, o número
atômico (Z) e número de massa (A) de cada partícula são especificados.
A primeira radioatividade detectada por Becquerel foi o resultado de um decaimento
alfa do isótopo de urânio, 23892U.
A equação nuclear para esse processo é escrita:
A equação mostra que o nuclídeo pai de urânio emitindo uma partícula alfa forma o
nuclídeo filho tório (FIGURA 4).
A equação mostra a conservação dos núcleons (prótons mais nêutrons) e da carga.
Em outras palavras, cada lado da equação tem um total de 238 núcleons e número
total de prótons, ou cargas positivas, de 92.
He Th U 42
234
90
238
92 +→
nuclídeo
pai
nuclídeo
filho
partícula
alfa
Figura 4 – Quando um núcleo ejeta uma partícula α, o número atômico do átomo decresce de
2 unidades e o número de massa decresce de 4 unidades. Os núcleons ejetados estão
indicados pelo contorno amarelo na parte superior do diagrama.
O nuclídeo filho, pode ser, por si mesmo, instável. Por exemplo, o tório 234 sofre
decaimento beta para formar o protactínio 234 (FIGURA 5):
Neste caso, pode ser visto que o número total de núcleons no nuclídeo filho é o
mesmo do nuclídeo filho. Porém, o filho tem um próton a mais que o pai; quando uma
partícula beta é emitida do núcleo de tório 234, um nêutron é evidentemente
convertido em um próton.
A emissão gama é muito comum, geralmente acompanha outras espécies de
desintegrações e representa perda de energia quando o núcleo cai de um nível de
energia mais alto para um mais baixo (FIGURA 6).
Há estados de energia quantizada para o núcleo de um átomo, da mesma forma
como há para elétrons.
A emissão gama não é explicitamente mostrada em equações nucleares, porque nem
o número de massa nem a carga mudam durante essa espécie de emissão.
beta) (partícula Pa Th 01-2349123490 e+→
Figura 5 – Quando um núcleo ejeta uma partícula β, o número atômico aumenta uma unidade
e o número de massa permanece o mesmo. O nêutron que consideramos como sendo a
origem do elétron está contornado de amarelo na parte superior do diagrama.
Figura 6 – O decaimento nuclear pode resultar em um núcleo que possui núcleons em um
estado de alta energia, pelo arranjo menos compacto na parte superior da ilustração. Quando
o núcleo se ajusta em um arranjo de energia mais baixa (abaixo), o excesso de energia é
liberado como um fóton de raio γ.
Tabela 1 – Propriedades da radiação alfa, beta e gama.
1.2) Detecção e medida da radioatividade
Muitos métodos foram usados para detectar e medir a radioatividade.
(A) Um dos mais antigos é o do contador Geiger-Müller, mostrado na FIGURA 7.
(a) A radiação entra no tubo contador através da janela fina existente na extremidade.
Ela colide com os átomos de argônio no interior do tubo, ionizando-os.
(b) A presença de partículas com carga dentro do tubo causa uma descarga elétrica
entre o fio central e o tubo externo.
(c) Cada uma dessas descargas é detectada e o evento contado eletronicamente.
(B) Tão antigo quanto o contador Geiger-Müller é o uso da fosforescência para
detectar radiação de alta energia.
(C) Atualmente, os contadores de cintilação podem ser considerados como
descendentes das antigas telas fosforescentes.
Nos contadores de cintilação, os cristais especiais dopados de haleto de metal
alcalino, emitem pequenos lampejos de luz ao serem atingidos pela radiação de alta
energia.
Figura 7 – O contador Geiger-Müller.
Esta luz é detectada por um tubo fotomultiplicador, uma fotocela ultra sensível, que
por sua vez está ligada a um amplificador e contador eletrônico.
(D) Emulsões fotográficas foram usadas por muitos anos.
(E) De maneira semelhante são usadas câmaras de vapor, nas quais o percurso de
uma partícula pode ser visto pelo traço deixado pela condensação de gotículas de
água, ou outro líquido, na câmara supersaturada de vapor.
(F) Na câmara de bolhas, o caminho das partículas é revelado pela formação de
bolhas minúsculas no hidrogênio líquido.
(G) Na câmara de centelhas, pelo aparecimento de faíscas entre eletrodos delgados
de cargas opostas.
Nas câmaras de vapor, de bolhas ou de centelhas o traçado é em geral fotografado
para se ter um registro permanente.
2) SÉRIES NATURAIS DE DESINTEGRAÇÃO NUCLEAR
Se um núcleo é instável, ele se desintegra, e se o núcleo filho é instável, ele também
se desintegra.
Este processo continua até que se forme um núcleo estável.
A seqüência ordenada de núcleos instáveis que leva à formação de núcleos estáveis
é chamada de série de desintegração radioativa.
Existem várias séries de desintegração radioativa.
Uma delas, a série do urânio, começa com 23892U radioativo e termina com o 20682Pb,
que é estável (FIGURA 8).
Cada emissão alfa reduz o número de massa de 4 e o número atômico de 2, à
medida que o 42He abandona o núcleo.
De maneira semelhante, toda emissão beta deixa o número de massa inalterado,
mas aumenta o número atômico de 1, quando 0
-1e deixa o núcleo.
A sucessão de desintegrações nucleares continua através de uma série de nuclídeos
intermediários, até que o 20682Pb, que é estável, é produzido.
Observe que em vários lugares existem seqüências laterais. Por exemplo, há duas
maneirasde 21884Po se desintegrar a 21483Bi.
Figura 8 – A série de decaimento do urânio-238. Os tempos são as meias-vidas dos nuclídeos.
2.1) Outros processos nucleares naturais
Muitos anos depois da descoberta dos processos de emissão alfa, beta e gama, um
quarto tipo de desintegração natural foi observado: captura eletrônica (CE). FIGURA 9
Nesse caso, o núcleo captura um elétron extranuclear:
40
19K + 0-1e → 4018Ar
Note que número de massa permanece inalterado, enquanto o número atômico
diminui de uma unidade.
Geralmente o elétron pertence à camada K, que tem um máximo na sua curva
probabilidade-densidade imediatamente adjacente ao núcleo.
Neste caso, o processo é chamado captura K.
Figura 9 – No processo de captura eletrônica, um núcleo captura um elétron da vizinhança. O
efeito é a conversão de um próton em um nêutron. Como resultado, o número atômico decresce
uma unidade mas o número de massa permanece o mesmo.
3) CINÉTICA DA DESINTEGRAÇÃO NUCLEAR
A velocidade da desintegração nuclear é proporcional ao número de núcleos instáveis
presentes na amostra.
A velocidade de desintegração nuclear é dada pela equação:
onde: N é o número de núcleos pais em uma dada amostra, K é a constante de 
proporcionalidade e t é o tempo.
Essa equação descreve uma reação de primeira ordem; a desintegração nuclear 
portanto segue uma cinética de primeira ordem.
Derivando a lei da velocidade de primeira ordem acima:
onde N, nesse caso, é o número de núcleos pais no tempo t é N0 o número a t = 0.
Velocidade de desintegração = - = dN kN
dt
0ln = - + ln N kt N
Reescrevendo, temos:
Esta relação útil fornece a fração de núcleos instáveis e N/N0, remanescente, depois 
de decorrido o tempo, t.
Exemplo 1: A constante de velocidade de desintegração α do 22286Rn é 0,18 dia-1. A 
que quantidade será reduzida a massa de 4,5 x 10-5 g desse nuclídeo depois de um 
período de 8,5 dias?
onde x0 e x são as massas do radônio no início e no tempo t, 
respectivamente.
assim: 
0
ln = - N kt
N
0
ln = - 0,18x t
x
-1
-5
-6
ln = - (0,18 dia )(8,5 dias)
4,5 x 10
 = 9,7 x 10
x
g
x g
3.1) Datação radioquímica
Um dos usos da desintegração radioativa consiste na determinação da idade de
relíquias antigas, fósseis, rochas, etc.
Por exemplo, a série de desintegração do 23892U no diagrama da FIGURA 8 é usada
na datação do urânio.
Como a primeira fase da série de desintegração é a de meia vida, a série é
semelhante a uma reação química em multi-etapas, cuja primeira etapa é a
determinante de velocidade.
Nesse caso, o número de átomos de chumbo (o produto estável final) é
essencialmente igual ao número de átomos de urânio que se desintegrou.
Na determinação da idade de rochas e alguns artefatos, principalmente inorgânicos,
o número de átomos de urânio e de chumbo são obtidos pela análise, e o total
equacionado com o número de átomos de urânio a t = 0, isto é, quando as rochas se
formaram.
Como a meia-vida do urânio 238 é 4,5x109 anos, a idade das rochas pode ser
calculada do número de átomos de urânio presentes em relação ao número original.
As rochas mais antigas até agora têm uma idade de cerca de 3 x 109 anos.
Exemplo 2: Uma certa amostra de rocha contém 1,3 x 10-5 g de urânio 238 e 3,4 x 10-6
g de chumbo 206. Se a meia-vida de 23892U é 4,5 x 109 anos, qual a idade da rocha?
238 -1
-6 206 -6 238
206 -1
238 -5 -6 -5
0
238 g U mol3,4 x 10 g Pb x 3,9 x 10 g U desintegrados
206 g Pb mol
 Total U no início 1,3 x 10 g + 3,9 x 10 g = 1,7 x 10 g
como:
 ln = - x kt
x
=
0
-10 -1
9
1/2
- ln
 
Da meia-vida podemos determinar a constante de velocidade :
0,693 0,693
 = = =1,5 x 10 ano
4,5 x 10 anos
e então, pela substituição:
 
x
x
t
k
k
k
t
t
 
 
 
=
-5
-5
9
-10 -1
1,3 x 10
-ln
1,7 x 10
 = = 1,8 x 10 anos
1,5 x 10 ano
 
 
 
4) REAÇÕES NUCLEARES
A emissão natural de uma partícula alfa ou beta transforma um determinado núcleo
em um novo núcleo com número diferente de prótons.
Assim, cada uma dessas desintegrações radioativas representa a transmutação de
um elemento em outro.
Transmutação também pode ser efetuada artificialmente, que era o sonho dos
antigos alquimistas.
Para se obter elementos artificialmente, necessitamos simular as condições
encontradas nas estrelas.
Para superar as barreiras energéticas para a síntese nuclear, as partículas devem
colidir vigorosamente com uma outra (FIGURA 10).
Se está com uma velocidade suficientemente alta, um próton, uma partícula α ou
outro núcleo carregado positivamente possui energia cinética suficiente para superar
a repulsão eletrostática do núcleo.
A partícula incidente penetra no núcleo, onde é capturada pela força intensa. A alta
velocidade requerida pode ser adquirida em um acelerador de partícula.
Figura 10 – Quando uma partícula carregada positivamente aproxima-se de um núcleo, é
repelida fortemente. Entretanto, se possui alta velocidade, pode alcançar o núcleo antes que
ocorra a repulsão; como resultado, pode ocorrer uma reação nuclear.
4.1) Transmutação
Em 1919,Rutherford bombardeou nitrogênio 14 com partículas alfa obtidas da
desintegração radioativa do rádio.
Os nuclídeos produzidos eram de oxigênio 17 e a equação abaixo representa a
primeira transmutação artificial de sucesso:
O intermediário altamente instável, um estado excitado do flúor 18, é algumas vezes
chamado de núcleo composto.
Sua meia-vida é menos que 10-12 s e sua desintegração por emissão de um próton da
origem ao oxigênio 17 estável.
Em muitos casos, o produto de uma reação de bombardeio nuclear é instável e
produz subseqüente desintegração radioativa.
Por exemplo, quando o núcleo do cobalto 59 é bombardeado com um nêutron de alta
energia, a seguinte reação ocorre:
14 4 18 17 1
7 2 9 8 1N + He F O + H → → 
59 1 60 56 4
27 0 27 25 2Co + Co Mn + Hen  → → 
Porém, o manganês 56 produzido não é estável, desintegrando-se com uma meia-
vida de 2,6 h formando-se o ferro 56, que é estável.
Este é um exemplo de radioatividade induzida ou artificial.
A radioatividade induzida ilustra várias maneiras de desintegração que não são
encontradas na radioatividade natural.
Uma dessas é a emissão de nêutrons. Veja exemplo abaixo.
Outra forma de desintegração muito comum é a beta-positiva (β+), também conhecida
como emissão de pósitrons (FIGURA 11). Partículas beta são mais propriamente
chamadas beta-negativas (β-), para distingui-las das partículas β+, que são pósitrons,
0
1e.
Um pósitron é uma partícula que tem a massa de um elétron, mas com uma carga
positiva.
Exemplo:
56 56 0
25 26 -1Mn Fe + e→
87 86 1
35 35 0Br Br + n→
13 13 0
7 6 1N C + e→
Figura 11 – Na emissão de pósitrons (β+), o núcleo ejeta um pósitron. O efeito é a conversão de
um próton em um nêutron. Como resultado, o número atômico decresce uma unidade mas o
número de massa permanece o mesmo.
Tabela 2 – Partículas comuns no decaimento
Radioativo e transformações nucleares
A radioatividade induzida e a transmutação artificial são possíveis por causa do
desenvolvimento de aceleradores de partículas de alta energia como o cíclotron
(FIGURA 12), o síncrotron e o acelerador linear.
No cíclotron, eletrodos metálicos ocos e rarefeitos, chamados dês, são montados
entre os pólos de um grande imã e uma fonte de corrente alternada de alta freqüência
é conectada aos dês.
Os prótons injetados no centro percorrem uma espiral cada vez mais larga.
Eles ganham energia considerável à medida que giram e finalmente colidem com um
alvo.
Durante a operação são os aceleradores de partículas que produzem feixes de
partículas com energias superiores a 1000 BeV (bilhôes de elétron-volts).
5) ESTABILIDADE NUCLEAR
Primeiro, com exceção do 11H, todos os núcleos estáveis contêm pelo menos um
nêutron.
Segundo, à medida que o número de prótons do núcleo aumenta, o número de
nêutrons por próton aumenta nos núcleos estáveis.
Figura 12 – O cíclotron (esquematizado).Aparentemente, os nêutrons são necessários para impedir uma autodestruição do
núcleo como resultado da repulsão próton-próton,
Quanto maior o número de prótons que está presente no núcleo, tanto maior deverá
ser a relação nêutron/próton para que o núcleo seja estável.
Terceiro, quando há mais de 83 prótons num núcleo, nenhum número de nêutrons o
estabilizará.
Na tabela periódica, o bismuto (Z = 83) é o último elemento que tem isótopo estável.
5.1) O cinturão de estabilidade
A FIGURA 13 apresenta um gráfico dos números de nêutrons e de prótons para todos
os núcleos estáveis.
Esses núcleos se encontram num cinturão de estabilidade, a região no gráfico na
qual a relação nêutron-próton está próxima de 1 para os núcleos mais leves, mas no
qual a relação cresce à medida que o número de prótons cresce.
Assim, no 63Li a relação é 1:1; no 11048Cd é 1,29:1 e no 20280Hg é 1,53:1.
Figura 13 – Cinturão de estabilidade.
Nessa espécie de mapa nêutron-próton, os núcleos instáveis podem estar acima,
abaixo ou entre os extremos do cinturão de estabilidade.
Aqueles que estão acima do cinturão têm uma relação nêutron-próton muito alta,
aqueles que estão abaixo, uma relação muito baixa, e aqueles que estão além do
cinturão simplesmente têm núcleons demais para serem estáveis.
Os núcleons nessas regiões tendem a se transformar em núcleos de dentro do
cinturão ou, pelo menos, próximos a ele.
Núcleos que estão acima do cinturão de estabilidade diminuem sua relação nêutron-
próton através da desintegração β- ou, menos comumente, emissão de nêutrons. NO
processo de desintegração β- :
o nuclídeo filho de césio é estável, mas em alguns casos são necessárias várias
desintegrações sucessivas até que o núcleo atinja o cinturão de estabilidade.
Por exemplo, antimônio 131 sofre três desintegrações β- até forma um núcleo estável.
133 133 0
54 55 -1Xe Cs + e→
131 131 0 131 0 131 0
51 52 -1 53 -1 54 -1Sb Te + I + Xe + e e e→ → →
Um processo ocasionalmente observado para diminuir a relação nêutron-próton é a
emissão de nêutrons. Exemplo:
Núcleos situados abaixo do cinturão de estabilidade aumentam a relação nêutron-
próton por emissão β+ (pósitron) ou por captura eletrônica. Exemplo de emissão β+:
Na captura eletrônica (CE) um elétron de baixa energia é capturado pelo núcleo, e a
energia liberada no processo é em geral emitida na forma de raios-X:
Algumas vezes, não é uma relação nêutron-próton desfavorável que produz a
desintegração.
O número total de núcleons pode ser tão grande que a força de ligação nuclear não é
suficientemente forte para mantê-los juntos.
90 89 1
36 36 0Kr Kr + n→
105 105 0
48 47 1Cd Ag + e→
CE127 0 127
54 -1 53Xe + Ie →
Esta situação geralmente leva a uma emissão alfa, porque assim o núcleo pode se
livrar de dois prótons e dois nêutrons ao mesmo tempo:
Se o nuclídeo filho ainda está além do cinturão de estabilidade, várias emissões
sucessivas podem ocorrer, como na série de desintegração do urânio.
6) ENERGIA DE LIGAÇÃO NUCLEAR
A estabilidade de um núcleo é medida através de sua energia de ligação,
A energia de ligação é a energia liberada quando o núcleo é formado a partir dos
componentes prótons e nêutrons.
Por exemplo, consideremos a formação do núcleo de 5727Co, massa = 56,9215 u (u =
unidade de massa atômica), com 27 prótons e 30 nêutrons.
Como a massa do próton é 1,00728 u e a do nêutron 1,00866 u, a perda de massa
que ocorre quando o núcleo de cobalto 57 se forma é:
211 207 4
84 82 2Po Pb + He→
1-12-
11-
57
27
11-21-828-2
28-25 - 
23
57
27
núcleon J 10 x 1,401
núcleons 57
J 10 x 7,983
 
:énuclear ligação de energia a , Cono núcleons 57 há Como
.por expressas geralmente são núcleo no ligação de energias As
J10 x 7,984 ))s (m 10 x (2,998 Kg) 10 x (8,882 
:ecorrespond Que
 Kg 10 x 8,882 g 10 x 8,882 
u 10 x 6,022
1g
u x 0,5349 : é Isto
u 0,5349 
___________ 
u 56,9215 - Conúcleo do massa a Menos
u 57,4564 
___________ 
u 30,2598 (1,00866) 30 nêutrons 30 de Massa
u 27,1966 (1,00728) 27 prótons 27 de Massa
=
===
==
==
==
núcleon
mcE
A FIGURA 14 mostra a maneira pela qual a energia de ligação nuclear varia em
função do número de massa.
O gráfico mostra que, quando o urânio 235 sofre fissão (quebra) produzindo dois
fragmentos mais leves (com número de massa próximos aos do meio da curva), há
um aumento de estabilidade, à medida que a energia de ligação por núcleon aumenta.
Este aumenta representa a energia liberada quando o urânio sofre fissão.
7) APLICAÇÕES DA RADIOATIVIDADE
Desde a descoberta da radioatividade por Becquerel em 1896, a química
desempenhou um papel importante na tentativa de aplicar os processos nucleares a
todos os campos da ciência, medicina e tecnologia.
Já mencionamos os processos de datação radioquímica e iremos agora descrever
um pouco mais das aplicações da radioatividade.
7.1) Fissão nuclear
Algumas vezes um núcleo que esta muito além do cinturão de estabilidade se quebra
em dois pedaços, em vez de emitir uma sucessão de partículas alfa.
Figura 14 – A variação da energia de ligação máxima por núcleon. A energia de ligação
máxima por núcleon ocorre perto do ferro e do níquel. Seus núcleos possuem a energia mais
baixa de todos porque seus núcleons estão mais fortemente ligados.
Esse processo, a fissão nuclear, é uma das maneiras, considerada pouco comum,
pela qual o urânio 235 se desintegra espontaneamente, liberando 3 nêutrons:
A fissão pode ser induzida, entretanto, quando um núcleo de urânio 235 captura um
nêutron lento ou térmico:
Assim, os fragmentos de fissão são variáveis.
n10
92
36
140
56
235
92 3 Kr Ba U ++→
[ ]
[ ]
[ ] nn
nn
nn
1
0
139
54
94
36
236
92
1
0
235
92
1
0
144
54
90
38
236
92
1
0
235
92
1
0
143
54
90
38
236
92
1
0
235
92
3 Ba Kr U U
ou
2 Xe Sr U U
ou
3 Xe Sr U U
++→→+
++→→+
++→→+
Quando muitos nuclídeos de urânio 235 sofrem a fissão, inúmeros fragmentos, com as
mais variadas massas, são produzidos.
A FIGURA 15 mostra os rendimentos dos vários produtos da fissão induzida do 23592U.
A fissão nuclear é o processo que produz energia nas bombas atômicas e nos reatores
nucleares (FIGURA 16).
Figura 15 – Rendimento da fissão do urânio-
235. Observe que a maioria dos produtos de
fissão se encontra nas regiões próximas a Z =
90 e 130, e que relativamente poucos nuclídeos
correspondem à fissão simétrica, (Z próximo as
117) são formados.
7.1.1) Variações de massa e energia na fissão nuclear
Na fissão nuclear há uma significativa perda de massa, isto é, a massa total dos
produtos é menor que a dos reagentes.
Por exemplo, considere a reação:
Comparando as massas dos produtos e reagentes, com os dados seguintes:
nn
1
0
139
54
94
38
1
0
235
92 3 Xe Sr U ++→+
Partícula Massa, u 
Átomo de 23592U 235,0439 
Átomo de 9438Sr 93,9154 
Átomo de 13954Xe 138,9178 
Nêutron 1,9987 
Calculamos a variação de massa total, ∆m, que resulta do processo de fissão anterior
do nuclídeo de urânio 235.
O sinal negativo indica que o sistema perde 0,1933 u por átomo de urânio.
Isso corresponde a uma perda de 0,1933 g mol-1 ou 1,933 x 10-4 Kg mol-1.
Então:
u 0,1933 - 
u 1,0087] [235,0439 - 3(1,0087)] 138,9178 [93,9154 
(massa) - (massa) reagentesprodutos
=
+++=
=∆ ∑ ∑m
1-101-2-213
21-81-4-
2
mol kJ 10 x 773,1mol s m Kg 10 x 1,737 
)s m 10 x (2,998 )mol Kg 10 x (1,933 
==
=
= mcE
Podemos ver que a quantidade de energia produzida pela fissão de um mol de átomo
de urânio 235 é colossal.
Ela é maior, por um fator de cerca de ummilhão, que a energia desprendida numa
reação química altamente exotérmica.
Na fissão nuclear, cerca de 7/8 desta energia aparece na forma de energia cinética
dos produtos e 1/8 como energia eletromagnética (radiante).
7.1.2) Armas nucleares e reatores nucleares
Vimos que quando um núcleo sofre fissão, ele se divide em dois fragmentos e vários
nêutrons.
Se cada um desses nêutrons for capturado por um outro núcleo físsil, o processo
continua e o resultado é uma reação em cadeia de reações, na qual a fissão súbita de
muitos núcleos e a liberação resultante de enorme quantidade de energia produzem
uma explosão nuclear (FIGURA 16).
Na bomba atômica uma certa quantidade, massa crítica, de nuclídeos físseis é
repentinamente acionada pelo mecanismo da bomba e resulta na explosão nuclear.
Se a massa for menor que a massa crítica, muitos nêutrons se perderão e a reação
em cadeia não se sustentará.
Figura 16 – O processo de fissão nuclear.
Uma maneira de disparar a bomba consiste em usar uma explosão química para
ativar duas massas subcríticas separadas, contendo material físsil em ambas, e assim
a massa crítica poderá ser atingida.
Urânio 235 e plutônio 239 foram ambos usados em armas nucleares.
O plutônio 239 é produzido pelo bombardeio de urânio 238, o isótopo mais comum do
urânio, com nêutrons:
O urânio 239 se desintegra em duas etapas, formando plutônio 239:
U U 23992
1
0
238
92 →+ n
 Pu Np
 Np U
0
1-
239
94
239
93
0
1-
239
93
1
0
238
92
e
en
+→
+→+
Em um reator nuclear, somente um dos nêutrons emitidos quando o núcleo sofre
fissão é capturado por outro núcleo físsil.
Dessa maneira a reação é mantida sob controle.
A fissão continua, mas a uma velocidade mais baixa do que a de uma bomba.
O reator é mantido sob controle ajustando a posição de absorção de nêutrons nas
barras de controle que são inseridas entre os elementos combustíveis nucleares do
reator (FIGURA 17).
Essas barras são geralmente feitas de cádmio ou boro, dois elementos altamente
eficientes na absorção de nêutrons.
A FIGURA 18 mostra o esquema de um reator nuclear.
Observe que o reator serve apenas como fonte de calor para ferver a água.
Então, como uma máquina de energia convencional, o vapor aciona uma turbina
geradora que produz eletricidade.
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.
Figura 17 – Núcleo do Reator.
Figura 18 – Reator nuclear. Este é um reator de água pressurizada, no qual o resfriamento
ocorre com água sob pressão. As reações de fissão produzem calor, ocasionando a ebulição
da água no gerador de vapor; o vapor resultante gira as turbinas que geram eletricidade. A
água age como um moderador.
7.2) Fusão nuclear
Na curva das energias de ligação nucleares (FIGURA 14) pode-se notar que a
conversão de núcleos muito leves (no lado esquerdo da curva) em núcleos pesados
também resulta num aumento da energia de ligação por núcleon.
Poderá haver liberação de grandes quantidades de energia, ainda maiores que na
fissão.
Tais reações são chamadas reações de fusão porque, nesse caso, os núcleos
menores se fundem e formam núcleos maiores.
A fonte de energia solar é constituída de uma série de reações, cujo resultado final é
a fusão de quatro prótons para formar um núcleo simples de 42He.
A reação, sem dúvida ocorre em etapas. Uma possibilidade é:
1 1 2 0
1 1 1 1
2 1 3
1 1 2
3 1 4 0
2 1 2 1
1 4 0
1 2 1
 H + H H + 
 H + H He
 He + H He + 
Resultado: 4 H He + 2
e
e
e
→
→
→
→
A única aplicação “prática” de sucesso das reações de fusão foi nas chamadas
bombas de hidrogênio ou termonucleares.
Um problema fundamental nas reações de fusão consiste em iniciá-las.
Para se conseguir que dois núcleos leves se fundam, eles devem ter energias
extremamente altas, de tal maneira que as nuvens eletrônicas das regiões
extranucleares dos átomos, não impeçam que os núcleos se aproximem.
O que é necessário uma temperatura extremamente alta, cerca 108 oC.
Em uma arma termonuclear a reação de fissão é usada para prover as altas energias
necessárias para iniciar a fusão.
Num desses dispositivos, uma bomba de fissão é circundada por uma camada de
deutereto de lítio.
Os nêutrons de uma reação de fissão são capturados pelos núcleos de lítio.
6 1 4 3
3 0 2 1Li + He + Hn →
E sob condições de alta energia, suprida pela reação de fissão, o produto trítio se
funde com o deutério (onde trítio e deutério são isótopos do H):
O controle da fusão nuclear de maneira que possa ser usado em forma úteis de
energia, constitui um problema que vem desafiando os cientistas a décadas.
Presumivelmente, as reações utilizando 11H e 21H poderão ser empregadas.
Além da dificuldade da ignição de uma fusão nuclear, há o problema do recipiente
para conter a mistura de reação a temperatura tão alta, suficiente para vaporizar
qualquer material.
7.3) Traçadores radioativos
Como a radioatividade pode ser detectada mesmo em níveis muito baixos,
pequeníssimas quantidades de materiais radioativos podem ser usados como
traçadores, permitindo acompanhar o desenvolvimento de muitas espécies de
processos.
3 2 4 1
1 1 2 0H + H He + n→
Por exemplo, alguns tipos de distúrbios vasculares podem ser diagnosticados ao
injetar pequena quantidade de cloreto de sódio contendo sódio 24, na corrente
sanguínea.
Esse isótopo é um emissor β- e γ, e seu percurso nas artérias, capilares e veias pode
ser facilmente acompanhado.
Estudos com traçadores têm sido úteis na química em muitos processos.
A velocidade de muitas reações de troca tem sido medida através do uso de
traçadores.
Por exemplo, o intercâmbio de elétrons entre Fe3+ e F2+ em solução aquosa pode ser
seguido por adição de íons 55Fe3+ radioativos a íons Fe2+ não radioativos.
A velocidade de troca é determinada tomando periodicamente amostras da mistura,
separando Fe2+ de Fe3+ e determinando o quanto rapidamente a radioatividade
decresce no Fe(III) ou cresce no Fe(II).
)(Fe )(Fe )(Fe )(Fe 32552355 aqaqaqaq ++++ +→+
Estudos com traçadores foram usados como auxiliares na elucidação de estruturas e
também para elucidar mecanismos metabólicos nos organismos vivos.
O CO2 marcado com carbono 14 (emissor β-) foi usado na determinação do
mecanismo de fotossíntese pelo qual as plantas convertem dióxido de carbono e água
a glicose e oxigênio.
Analisando as partes das plantas expostas ao CO2 e luz solar em vários períodos de
tempo, conseguiu-se desdobrar a reação global (abaixo) em uma complexa seqüência
de etapas (que não serão mostradas aqui).
6 H2O(l) + 6 CO2(g) → C6H12O6(aq) + 6 O2(g)