1 Química Geral - 2 semestre-23

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Surpreendentemente, a descoberta deles foi baseada na detecção de apenas três átomos 
do novo elemento. Os núcleos têm vida muito curta, e eles sofrem decaimento alfa em 
milissegundos após suas sínteses. O mesmo grupo de cientistas relatou também do elemento 112 
em 1996. Até a edição deste livro, os nomes e os símbolos ainda não tinham sido escolhidos para 
os novos elementos. 
 
9. Fissão Nuclear 
 
De acordo com a abordagem das variações de energia nas reações nucleares [Seção 6], 
tanto a divisão de núcleos pesados (fissão) quanto a união de núcleos leves (fusão) são processos 
exotérmicos. As usinas de energia nuclear comerciais e a maioria das formas de armamentos 
nucleares dependem do processo de fissão nuclear para suas operações. A primeira fissão nuclear 
a ser descoberta foi a do urânio-235. Esse núcleo, bem como os de urânio-233 e plutônio-239, sofre 
fissão quando atingidos por um nêutron movendo-se lentamente. Esse processo de fissão induzida 
é ilustrado na Figura abaixo. Um núcleo pesado pode ser dividido de muitas maneiras diferentes. 
Duas maneiras de divisão do núcleo de urânio-235 são mostradas nas equações seguintes: 
 
 
 
 
 
 
 
Representação esquemática da 
fissão do urânio-235 mostrando 
um de seus muitos padrões de 
fissão. Nesse processo, 3,5 x 
10–11J de energia é produzida 
por núcleo de 235U. 
 
 
 
Mais de 200 isótopos diferentes de 35 elementos distintos têm sido descobertos entre os 
produtos da fissão de urânio-235. Muitos deles são radioativos. 
Em média, 2,4 milhões de nêutrons são produzidos em cada fissão de urânio-235. Se uma 
fissão produz 2 nêutrons, eles podem provocar duas fissões. Os 4 nêutrons assim liberados podem 
produzir quatro fissões, e assim por diante, como mostrado na [Figura 15]. O número de fissões e 
a energia liberada incrementam-se rapidamente, e se o processo não for controlado, o resultado é 
uma explosão violenta. As reações que se multiplicam dessa maneira são chamadas de reações 
em cadeia. 
Para que uma reação de fissão em cadeia ocorra, a amostra do material físsil deve ter certa 
massa mínima. Caso contrário, os nêutrons escapam da amostra antes que tenham a oportunidade 
de atingir outros núcleos e provoquem fissão adicional. A cadeia pára se forem suficientes os 
nêutrons perdidos. A quantidade mínima de material físsil suficiente para manter a reação em cadeia 
com velocidade constante de fissão é chamada massa crítica. Quando uma massa crítica de 
material estiver presente, em média um nêutron de cada fissão é subsequentemente eficaz na 
produção de outra fissão. A massa crítica de urânio-235 é aproximadamente 1 kg. Se mais de uma 
massa crítica de material físsil estiver presente, poucos nêutrons escapam. A reação em cadeia, 
então, multiplica o número de fissões, que podem levar a uma explosão nuclear. Uma massa 
superior à massa crítica é chamada massa supercrítica. O efeito da massa em urna reação de fissão 
é ilustrado na Figura abaixo. 
 
1 235
0 92n U
137 97 1
52 40 0Te Zr 2 n 
142 91 1
56 36 0Ba Kr 3 n 
 
 
 
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Reação de fissão em cadeia na 
qual cada uma produz dois 
nêutrons. O processo leva a 
uma aceleração da velocidade 
de fissão, com o número de 
fissões potencialmente 
dobrando em cada etapa. 
 
 
 
 
A reação em cadeia em uma 
massa subcrítica pára logo 
porque se perdem nêutrons da 
massa sem provocar fissão. À 
medida que a massa aumenta, 
menos nêutrons são capazes de 
escapar. Em uma massa 
supercrítica, a reação em cadeia 
é capaz de acelerar. 
 
 
 
A Figura abaixo mostra um diagrama esquemático da primeira bomba atômica usada em 
guerra. Uma bomba desse tipo foi jogada em Hiroshima, Japão, em 6 de agosto de 1945. Para 
disparar a reação de fissão, duas massas subcríticas de urânio-235 são atiradas juntas usando 
explosivos químicos. As massas combinadas de urânio formam uma massa supercrítica, que leva 
a uma reação em cadeia rápida e sem controle e, no final, a uma explosão nuclear. A energia 
liberada pela bomba jogada em Hiroshima era equivalente à energia liberada por 20 mil toneladas 
de TNT (ela, consequentemente, é chamada de uma bomba de 20 quilotons). 
 
Projeto usado em bombas 
atômicas. Um explosivo 
convencional é usado para 
colocar duas massas subcríticas 
juntas para formar uma massa 
supercrítica. 
 
 
9.1. Reatores nucleares 
 
 
 
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A fissão nuclear produz a energia gerada pelas usinas de energia nuclear. O ‘combustível’ 
do reator nuclear é uma substância físsil, como urânio-235. Normalmente, o urânio é enriquecido 
até aproximadamente 3% de urânio-235 e depois usado na forma de grânulos de UO2. Esses 
grânulos enriquecidos de urânio-235 são revestidos em tubos de zircônio ou de aço inoxidável. Os 
bastões compostos de materiais como cádmio ou boro controlam o processo de fissão absorvendo 
nêutrons. Esses bastões de controle regulam o fluxo de nêutrons para manter a reação em cadeia 
auto-sustentável, enquanto previnem o núcleo do reator de esquentar. 
 
 
 (a) Projeto básico de uma usina de energia nuclear. O calor produzido pelo núcleo do reator é carregado por um líquido 
refrigerante, como água ou sódio líquido, para um gerador de vapor. O vapor, então, produzido é usado para mover um 
gerador elétrico. (b) Uma usina de energia nuclear em Salem, Nova Jersey. Observe a camada de retenção de concreto 
na forma de domo. 
 
Considerável número de pesquisa é dedicado à destinação final segura de dejetos 
radioativos produzidos nas usinas nucleares. No momento, as possibilidades mais atrativas são a 
formação de vidro, cerâmica ou rochas sintéticas a partir dos dejetos, como meio de imobilizá-los. 
Esses materiais sólidos seriam, então, colocados em recipientes de alta resistência à corrosão e 
durabilidade e enterrados bem fundo. 
 
10. Fusão Nuclear 
 
Recorde-se que a energia é produzida quando os núcleos leves são fundidos em núcleos 
mais pesados. As reações desse tipo são responsáveis pela energia produzida pelo Sol. Os estudos 
espectroscópicos indicam que o Sol é composto de 73% de H, 26% de He e apenas 1% de todos 
os outros elementos em massa. Entre os vários processos de fusão que se acredita ocorrer estão 
os seguintes: 
 
1 1 2 0
1 1 1 1H H H e   
1 2 3
1 1 2H H He  
3 3 4 1
2 2 2 1He He He 2 H   
3 1 4 0
2 1 2 1He H He e   
 
 
 
 
 
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 Teorias têm sido propostas para a geração de outros elementos pelo processo de fusão. 
A fusão é atraente como fonte de energia por causa da disponibilidade de isótopos mais 
leves e porque os produtos da fusão em geral não são radioativos. Independentemente desse fato, 
a fusão não é atualmente usada para gerar energia. O problema é que são necessárias altas 
energias para superar a repulsão entre os núcleos. As energias necessárias são atingidas pelas 
altas temperaturas. As reações de fusão são, consequentemente, conhecidas também como 
reações termonucleares. A temperatura mais baixa necessária para qualquer fusão é a necessária 
para fundir deutério (
2
1H ) e trítio (
3
1H ). Essa reação requer uma temperatura de aproximadamente 
40.000.000 K: 
 
   
2 3 4 1
1 1 2 0H H He n 
 
Temperaturas altas têm sido atingidas quando se usa uma bomba atômica para iniciar o 
processo de fusão. Isso é feito na bomba termonuclear ou de hidrogênio. Entretanto, essa 
abordagem é inaceitável para geração controlada de energia. 
Inúmeros problemas devem ser superados antes de a fusão tomar-se uma fonte de energia 
práticas Além disso, para as altas temperaturas necessárias para iniciar a reação, existe o problema 
de restringir a reação. Nenhum material estrutural conhecido é capaz de resistiràs enormes 
temperaturas necessárias para a fusão. As pesquisas têm se centrado no uso de aparelhos 
chamados tokamak, que usa campos magnéticos fortes para conter e aquecer a reação Figura 
abaixo. Temperaturas de aproximadamente 3.000.000 K têm sido atingidas em um tokamak, mas 
isso ainda não é suficiente para iniciar uma fusão contínua. Muita pesquisa tem sido dirigida também 
para o uso de lasers poderosos para gerar as temperaturas necessárias. 
 
 
 
Desenho do reator de teste de 
fusão tokamak. Um tokamak é 
basicamente uma ‘garrafa’ de 
ímã para confinamento e 
aquecimento de núcleos em 
um esforço no sentido de 
levá-los à fusão. 
 
 
11. Cinética das desintegrações radioativas 
 
Por que alguns radioisótopos, como urânio-238, são encontrados na natureza, enquanto 
outros não o são e devem ser sintetizados? Para responder a essa pergunta, você precisa 
compreender que diferentes núcleos sofrem decaimento radioativo com diferentes velocidades. 
Muitos radioisótopos decaem basicamente de maneira completa em questão de segundos ou 
menos, de forma que não os encontramos na natureza. O urânio-238, por outro lado, decai muito 
 
 
 
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lentamente; por isso, apesar de sua instabilidade, ainda podemos observá-lo na natureza. Uma 
importante característica de um radioisótopo é sua velocidade de decaimento. 
O decaimento radioativo é um processo cinético de primeira ordem. Recorde-se de que um 
processo de primeira ordem tem meia-vida característica, que é o tempo necessário para metade 
de certa quantidade de uma substância reagir. As velocidades de decaimento dos núcleos são 
normalmente abordadas em termos de meias-vidas. Cada isótopo tem sua própria meia-vida 
característica. Por exemplo, a meia-vida do estrôncio-90 é 28,8 anos. Se começarmos com 10,0 g 
de estrôncio-90, apenas 5,0 g desse isótopo permaneceriam após 28,8 anos, 2,5 g após outros 28,8 
anos, e assim por diante. O estrôncio-90 decai para ítrio-90, como mostrado a seguir: 
 
 
90 90 0
38 39 1Sr Y e  
 
A perda de estrôncio-90 como função do tempo é mostrada na Figura abaixo. 
 
 
 
 Decaimento de uma amostra de 10,0 g de 
t9038 1/ 2Sr( 28,8 anos) 
Meias-vidas tão curtas quanto milionésimos de um segundo e tão longa quanto bilhões de 
anos são conhecidas. As meias-vidas de alguns radioisótopos estão relacionadas na Tabela 
seguinte. Uma importante característica das meias-vidas é que elas não são afetadas por condições 
externas como temperatura, pressão ou estado de combinação química. Consequentemente, ao 
contrário dos produtos químicos tóxicos, os átomos radioativos não podem ser submetidos 
inofensivamente a reação química ou por qualquer outro tratamento. Nesse ponto, não podemos 
fazer nada, mas deixar que esses núcleos percam a radioatividade em suas velocidades 
características. No meio tempo devemos tomar precauções para isolar os radioisótopos por causa 
do perigo da radiação que podem causar. 
 
Tabela – As meias-vidas e tipos de decaimento para vários radioisótopos 
 Isótopo Meio-vida Tipo de decaimento 
Radioisótopos naturais 23892U 4,5 x 10
9 Alfa 
 23592U 7,0 x 10
8 Alfa 
 23292Th 1,4 x 10
10 Alfa 
 4019K 1,3 x 10
9 Beta 
 146C 5.715 Beta 
Radioisótopos sintéticos 23994Pu 24.000 Alfa 
 13755Cs 30 Beta 
 9038Sr 28,8 Beta 
 13153I 0,022 Beta