Química Geral Radioatividade

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Química Nuclear e Radioatividade
� Reações Nucleares: variações na matéria originadas no núcleo de um átomo;
� Núcleons: partículas do núcleo (prótons e nêutrons) 
� Isótopos: mesmo número atômico, número de massa diferente. 
� Abundância isotópica 
Ex: 234U (traços), 235U (0,7%), 238U (99,3%) Z=92
� Nuclídeo: Um núcleo específico com número atômico e número de massa 
determinado (Ex: Carbono -14)
� núcleos radioativos (radionuclídeos): sofrem alterações espontâneas emitindo 
radiação;
� Os átomos contendo radionuclídeos são chamados de radioisótopos; 
Henri Becquerel (1896) – UO2 escurecimento de 
placa fotográfica
Pierre e Marie Curie – radioatividade (Ra, Po) 
Ernest Rutherford – 1898 – identificou os três 
tipos de radiação 
Decaimento Radioativo espontâneo
• A grande maioria dos núcleos encontrados na natureza é
estável e permanece intacta indefinitivamente;
• Os radionuclídeos, entretanto sofrem decaimento emitindo
partículas e radiação eletromagnética;
• A emissão de radiação é uma maneira de um núcleo
instável se transformar em outro mais estável;
• As propriedades radioativas dos núcleos são independentes
do estado de combinação química do átomo. (Ex: UO2 ou
UF6)
Decaimento alfa (α) 
Ex: Qual o produto formado quando o rádio-226 (Z=88) sofre decaimento alfa?
Núcleo pai → núcleo filho
Transmutação nuclear envolvem variações de energia muito maiores 
do que as reações Químicas 
Reações Nucleares
Decaimento beta (β)
A emissão beta é equivalente à conversão de um nêutron em um
próton com a liberação de um elétron
Radiação gama (γ)
• A radiação gama não muda o número atômico nem a massa atômica.
• Quase sempre acompanha outra emissão radioativa porque ela representa a
energia perdida quando os núcleons restantes se reorganizam em arranjos
mais estáveis
Ex: Decaimento beta do carbono 14
Decaimento por pósitron (ou beta positivo) 
• Os pósitrons são antipartículas de elétrons (ou seja possuem a mesma 
massa do elétron, mas carga positiva);
• Quando uma antipartícula encontra a partícula correspondente elas são 
aniquiladas e se convertem completamente em energia. 
• A emissão de pósitron tem o efeito de converter um próton em um nêutron. 
Ex: Emissão de pósitron pelo Oxigênio- 15
Decaimento por captura de elétrons 
� O núcleo captura um elétron da nuvem eletrônica ao redor do núcleo.
� A captura de elétrons tem o efeito de converter um próton em um nêutron.
81Rb37 + 
0e-1 → 
81Kr36
Decaimento por emissão de prótons
53Co27 → 
52Fe26 + 
1p1
Decaimento por emissão de nêutrons 
137I53 → 
136I53 + 
1n0
Padrão de estabilidade nuclear
- Os elementos de número atômico par são sempre mais abundantes do que os
elementos vizinhos de número atômico ímpar;
- Os núcleos com número par de prótons e nêutrons são mais estáveis do que
em outra combinação;
- Núcleos com número ímpar de prótons e nêutrons são os menos estáveis, Ex:
Tc (43 p e 55 n)
- Números mágicos: Núcleos estáveis geralmente possuem:
Prótons: 2, 8, 20, 50, 82
Nêutrons: 2 ,8, 20, 50, 82, 114, 126, 184
Exemplo 1: existem 10 isótopos estáveis de estanho (50Sn) e somente dois para o
antimônio (51Sb)
Exemplo 2: Vários actinídeos decaem em uma série de etapas até chegar a Pb -
208
(82 prótons e 126 nêutrons)
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.
Cinturão de 
estabilidade
Padrão de estabilidade nuclear
No Bi (83 prótons), a faixa de estabilidade acaba e todos os núcleos
são instáveis (radioativos). Ex: Todos os isótopos do urânio (Z=92)são 
radioativos. 
– Os núcleos acima da faixa de estabilidade sofrem emissão β.
Um elétron é perdido e o número de nêutrons diminui, o
número de prótons aumenta.
– Os núcleos abaixo da faixa de estabilidade sofrem emissão
β+ou captura de elétron. Isso resulta no aumento do número
de nêutrons e na redução do número de prótons.
29P15 →
29Si14 +
0e+1
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 com números atômicos maiores que 83 normalmente
sofrem emissão α. O número de prótons e nêutrons diminui.
Série de radioatividade
Para o 238U, o primeiro decaimento é para 
234Th (decaimento α). O 234Th sofre 
emissão β para 234Pa e para 234U. O 234U 
sofre decaimento α (várias vezes) para 
230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, e 214Pb. O 214Pb 
sofre emissão β (duas vezes) através de 
214Bi para 214Po o qual sofre decaimento 
α para 210Pb. O 210Pb sofre emissão β
para 210Bi e 210Po o qual decompõe-se (α) 
para o 206Pb estável.
Transmutações nucleares (nucleossíntese) 
• Formação de elementos;
• H e He foram formados no Big Bang e todos os outros elementos
descendem destes dois;
• Para superar as forças eletrostáticas, as partículas carregadas
precisam ser aceleradas antes de reagirem.
• Primeira transmutação nuclear artificial (1919) – Rutherford
14N + 4α→ 17O + 1p
• A reação acima é escrita em notação simplificada:
14N(α,p)17O
Alvo (partícula incidente, partícula ejetada) produto
Elementos sintéticos 
• Tc, Pm, At, Fr, transurânicos (Z>93)
• A síntese pode ser realizada de 2 modos : 
1. Bombardeamento de um núcleo com partículas alfa (aceleradores 
de partículas) ou nêutrons 
Ex: 1940 
2. Fusão de núcleos mais leves 
Ex: 209Bi83 + 
64Ni28 → 
272Rg111 + n
Rg (Roentgênio) 
Dígito Nome abreviação
0 nil n
1 un u
2 bi b
3 tri t
4 quad q
5 pent p
6 hex h
7 sep s
8 oct o
9 enn e
Notação para a 
nomenclatura sistemática de 
elementos 
Uuo – elemento 118
Ununoctium
ou ununóctio (BR)
Novos elementos recebem essa 
nomenclatura até que um novo 
nome seja estabelecido 
•Nihonium and symbol Nh, for the element 113,
•Moscovium and symbol Mc, for the element 115,
•Tennessine and symbol Ts, for the element 117, and
•Oganesson and symbol Og, for the element 118.
http://www.iupac.org
Atualização (janeiro 2016) 
LHC- Large Hadron Collider
• Grande colisor de Hádrons ;
• Hádrons: partículas que estão no interior do núcleo;
•Maior acelerador de partículas do mundo – 27Km;
Inaugurado em setembro de 2008;
CERN - Organização Européia para a Investigação Nuclear (França
– Suiça);
Velocidades de decaimento radioativo
• Diferentes núcleos sofrem decaimento radioativo com diferentes velocidades;
• Muitos radioisótopos decaem basicamente de maneira completa em questões
de segundos, de maneira que não são encontrados na natureza.
• 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:
90
38Sr→
90
39Y +
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.
Uma meia-vida
Duas meia-vida
• 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.
Tempo de meia vida 5715 anos
• A intensidade da Radiação de uma fonte radioativa depende do número de
núcleos presentes (N) e da meia-vida;
• A velocidade na qual uma amostra decai é chamada de atividade;
• O decaimento radioativo é um processo de primeira ordem (v = kN );• bequerel (Bq)- unidade (desintegrações por Segundo)
• No decaimento radioativo, a constante k é a constante de decaimento;
• Se N0 é o número inicial de núcleos e Nt é o número de núcleos no tempo t,
logo
kt
N
Nt
−=
0
ln
2
1
693.0
t
k =
Velocidades de decaimento radioativo
Tempo de 
meia vida
• 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.
Detecção de radioatividade
https://www.youtube.com/watch?v=TwKDh7y1Asc
www.youtube.com/watch?v=Yjgbh5oBGHo
Contador Geiger
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.
• O poder de penetração da radiação é uma função da massa.
• Consequentemente, a radiação γ (massa zero) penetra muito além
da radiação β, que penetra muito além da radiação α.
• 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.
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.
• Principal efeito é a Leucemia
• O estrago produzido pela radiação depende da atividade e da 
energia da radiação (alfa, beta ou gama), do tempo de exposição e 
de se a fonte está dentro ou fora do corpo. 
� A massa e a energia de um objeto são diretamente
proporcionais.
� Como a constante de proporcionalidade, c2, é um número
tão grande, mesmo pequenas variações na massa são
acompanhadas por grandes variações de energia.
Variações de energia nas reações nucleares
238
92U →
234
90Th + 
4
2He 
– para 1 mol: 
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:
( )
( )( )
J 101.4
kg 100046.0m/s 109979.2
11
328
22
×−=
×−×=
∆=∆=∆
−
mcmcE
A queima de 1 litro de gasolina fornece 3,3 x104 J de energia.
Energia de coesão do núcleo
• Os cientistas descobriram na década de 30 que as massas dos 
núcleos são sempre menores que as massas dos nucleons 
individuais dos quais eles são compostos. 
• 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.
Fissão Nuclear (1939) 
�pode-se romper praticamente qualquer núcleo ao bombardea-lo
com um projétil de energia suficiente, utilizando um acelerador.
� O urânio 235, pode ser fissionado com nêutrons de energia muito
baixa, isso não acontece com nenhum outro isótopo de ocorrência
natural.
�Mais de 200 isótopos de 35 elementos diferentes têm sido
descobertos entre os produtos da fissão do Urânio-235. Muitos
deles são radioativos.
�Para que uma reação de fissão em cadeia ocorra, a amostra do
material físssil deve ter uma certa massa mínima (massa crítica).
� A massa crítica para o 235U é de cerca de 1 kg.
Bomba atômica 
- Fissão sem controle do Urânio -235 (6 agosto de 1945) – Hiroshima 
- Fissão sem controle do Plutônio -239 (9 Agosto de 1945) – Nagasaki 
Usina Nuclear 
• 1951 (EUA) – primeira reator nuclear de fissão para geração de eletricidade;
• Energia Química – energia térmica- energia mecânica – energia elétrica 
- EUA tem o maior número de usinas em funcionamento;
- França (77% da energia é gerada em usinas nucleares)
- Brasil (1,5%); 
- Em 2011 havia 442 reatores em operação no mundo; 
- Muitos países da Europa ocidental planejam substituir a energia 
nuclear por outras fontes, especialmente a eólica (Suécia e 
Alemanha). 
- Nos próximos 20 anos, os maiores aumento da energia nuclear no 
mundo ocorrerão na China, Rússia e Índia; 
• China (27 usinas em construção) 
�Combustível de usinas nucleares: U -235
Pechblenda forma impura de uraninita (UO2)
� 1Kg U 235 = 3 mil ton de Carvão = 14 mil barris de petróleo;
Yellow cake”, 
Enriquecimento de Urânio
� Para garantir que a reação em cadeia da fissão seja
autossustentável, o combustível utilizado em reatores deve ser
enriquecido de 2% a 3% de U- 235.
� Urânio enriquecido é o urânio cujo teor de urânio-235 foi
aumentado, através de um processo de separação de isótopos .
� O urânio encontrado na natureza, sob a forma de (UO2), contém
99,3% do isótopo U 238 e apenas 0,7% do isótopo U 235.
� Porém o U 235 é o único isótopo físsil existente na natureza em
proporções significativas.
� Armas: enriquecimento de 90% de U 235.
� Vários processos de enriquecimento foram desenvolvidos em
laboratórios, mas somente dois deles operam em larga escala: a
difusão gasosa e a ultracentrifugação.
� Nos dois processos é preciso converter o UO2(s) em UF6(g)
� Difusão gasosa - as moléculas de UF6 contendo átomos de U
235, são mais leves e se deslocam mais facilmente que as
contendo U 238. Estatisticamente, as primeiras têm uma maior
probabilidade de atravessar uma membrana porosa.
� Em termos simples, a ultracentrífuga segue o mesmo princípio
das centrífugas domésticas: propicia a separação do material de
maior peso, que é jogado para a parede do recipiente, daquele de
menor peso, que fica mais concentrado no centro.
�Pastilhas de Urânio são colocadas dentro de elementos combustíveis 
(varetas de uma liga de zircônio de 4m de comprimento e 1cm de 
diâmetro)
� Essas varetas são agrupadas em feixes 
�O nível de geração de potência de um reator é monitorado por barras 
de controle (Cádmio e Boro: capturam os nêutrons, controlam a reação 
em cadeia) 
� No final dos dois processos o urânio enriquecido é reconvertido 
em UO2 e prensado no formato de pastilhas; 
�Trocas de combustível em um reator são feitas anualmente, esse
combustível exaurido é armazenado sob a água em tanques de
armazenagem no sítio do reator para aguardar o decaimento dos
isótopos de vida curta.
� Resíduos de Fissão (90Sr, 137Cs, meia vida de 30 anos, etc)
� Resíduos da captura de nêutrons (Actinídeos ) Ex: 239Pu (meia
vida de 24 mil anos)
� Um período de isolamento razoável dos resíduos deveria ser de
no mínimo 600 anos.
Fusão Nuclear
- Junção de átomos mais leves para formar átomos mais pesados
- é necessário temperatura elevada para proporcionar a fusão 
(~ 100 milhões ºC) 
- A quantidade de energia liberada é maior do que na fissão. 
� Uma grama de He formado pelo processo de fusão libera 
6,8 x 1011 J o que equivale a queima de 23.000Kg de Carvão;
� Fusão sem controle – bomba de hidrogênio “Mike” -
� Geração de eletricidade pelo processo de fusão - fase 
experimental
(Reator TOKAMAK) 
� ITER (sigla em inglês para “Reator Internacional Experimental Termonuclear”
� Cadarache (França)
� https://www.iter.org/