1085092 S3 01 Inorgân. I Quím. Nuclear

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Instituto Federal de Educação - IFCE 
Química Inorgânica I – S3 
Prof: Aristênio Mendes 
Assunto: Química Nuclear 
 
 
I. Teorias da Origem do Universo. 
 Pelas concepções científicas atuais, o Universo se encontra em expansão, o que pode ser 
comprovado pelo comprimento de onda mais longo da luz proveniente de galáxias cada vez mais distantes. 
 Desde o seu surgimento há 15 bilhões de anos, quando de um ponto qualquer em que estava 
concentrada toda a energia e a matéria sob a forma de partículas elementares, um “núcleo” do Universo 
com densidade, temperatura e pressão imensas, explodiu com temperaturas iniciais da ordem de 109K, 
num evento que é hoje conhecido como Big Bang. 
 Nesta explosão, formaram-se fragmentos de matéria constituídos por nêutrons que foram 
espalhados uniformemente pelo espaço e, logo, sofreram decaimento se transformando em prótons. 
 
0n1  1p1 (próton) + -1e0 (elétron) +  (anti-neutrino) 
 
 Sob esta temperatura, as partículas fundamentais produzidas na explosão tinham muita energia 
cinética para se condensarem nas formas materiais que hoje conhecemos, entretanto no Universo começou 
logo um processo de resfriamento com as partículas se movendo menos e aproximando mais uma das 
outras sob a influência das diversas forças universais. 
 Uma força de atração forte de curto alcance formou núcleos, a partir da união entre prótons e 
nêutrons. À medida que a temperatura decresceu, uma força eletromagnética relativamente fraca, mas de 
longo alcance, proporcionou a aproximação dos elétrons ao núcleo para formar os átomos mais simples. 
 
 II. Origem dos Elementos Químicos. 
 Se as visões atuais estão corretas, cerca de 2 horas depois, a temperatura havia caído tanto que a 
maioria da matéria estava sob forma de átomos dos elementos químicos; hidrogênio com 88,6% e de hélio 
com 11,3%. Assim, juntos constituem 99,9% dos átomos e quase cem por cento da massa do Universo. 
 As primeiras reações nucleares formaram átomos de hidrogênio e de hélio, segundo as equações: 
 
 1H1 + 0n1  1H2 
 
 1H2 + 1H1  2He3 
 
 2He3 + 0n1  2He4 
 
 Reações nucleares posteriores foram sintetizando uma grande quantidade de outros átomos. 
 
 III. Nucleossíntese dos elementos químicos leves 
 As primeiras estrelas resultaram da condensação de nuvens de átomos de hidrogênio e hélio e, 
outra força da gravidade aproximava essas nuvens aumentando a densidade e produzindo altas 
temperaturas capazes de iniciar um processo de fusão nuclear. 
 No processo de fusão nuclear, grande quantidade de energia é liberada de acordo com a teoria da 
relatividade de Einstein [∆E = ∆m.c2], razão pela qual muitas estrelas, como o sol, são fontes de calor e luz. 
 Outra reação nuclear foi posteriormente comprovada, na qual um núcleo de Hélio [2He2+] ou 
partícula [24] se funde com um átomo de carbono 12 para formar um núcleo de oxigênio 16, conforme a 
equação: 
 
6C12 + 24  8O16 +  Energia liberada = 7,2 Mev 
 
 As reações nucleares são muito energéticas, porque a força de ligação entre os nucleontes é um 
milhão de vezes mais energética do que a força eletromagnética que une os átomos nas reações químicas. 
 
 
 2 
 
 
 
 Elementos químicos de números atômicos superiores a 26 foram formados no interior das estrelas e 
são produtos da fusão nuclear conhecida como “queima nuclear” que envolveram núcleos de H e de He em 
um ciclo de fusões complicadas catalisadas por núcleo de carbono. 
Exemplos: 
 
Captura de próton por C12 6C12 + 1p1  7N13 +  
 
Decaimento do pósitron 7N13  6C13 + +1eO +  
 
Captura de próton por C13 6C13 + 1p1  7N14 +  
 
Captura de próton por N14 7N14 + 1p1  8O15 +  
 
 8O15  7N15 + +1eO +  
 
Captura do próton pelo N15 7N15 + 1p1  6C12 + 24 
 
 
 O balanço destas equações resulta na conversão de quatro prótons ou núcleos de 1H1 em uma 
partícula 24 que equivale ao núcleo de 24He2+, conforme reação global. 
 
 41p1  24 + 2 +1eO + 2 + 3 
Ou ainda; 
 4 1H1  2He4 + 2 +1eO + 2 + 3 
 
 As estrelas que se formaram no primeiro estágio não continham carbono e usaram reações do 
hidrogênio e hélio. 
 Elementos químicos menos abundantes como o berilo ou o boro se deve à contínua reação com 
partículas alfas para formar núcleos mais estáveis como o carbono. 
 
 4Be8 + 2He4  6C12 +  
 
6C12 + 2He4  8O16 +  
 
8O16 + 2He4  10Ne20 +  
 
 À medida que o hidrogênio é consumido, o hélio formado vai-se acumulando no núcleo, que sob 
efeito de temperatura e pressão extremamente elevada produz sucessivas fusões nucleares. 
 
 A abundância do ferro e do níquel é consistente com o fato de eles serem os elementos químicos 
mais estáveis, por isso se acredita que o núcleo da terra é formado por estes elementos. Embora a 
temperatura no centro da terra seja bastante elevada, estes elementos [Ni e Fe] se encontram no estado 
sólido, por causa da alta pressão exercida pela superfície da terra. 
 A estabilidade do núcleo de um átomo é expressa pela energia de ligação dos nucleontes, que é 
dada pela diferença de massa transformada em energia, entre a massa anterior das partículas isoladas e a 
massa final no núcleo. 
 
 ∆m = mnucleontes – mnúcleo e convertida em Eligação = ∆m.c2 
 
 IV. Nucleossíntese dos elementos químicos pesados. 
 A formação dos elementos químicos mais pesados do que o ferro é realizada por processos que 
incluem captura de nêutrons livres, os quais estão presentes no primeiro estágio da evolução estelar, ou em 
reações tais como: 
 10Ne21 + 24  12Mg24 + 0n1 
 Exemplos: 
 
 26Fe56 + 0n1  26Fe57 + 0n1  26Fe58 + 0n1  26Fe59  27Co59 + -1e 0 
 
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 V. Estrutura do Núcleo: 
 O núcleo possui como partículas principais os prótons e os nêutrons, também denominadas de 
nucleontes, ligados entre si por forças muito fortes que só se manifestam a distâncias muito curtas – na 
ordem de 10-15m, isto é, 1fm (Fermi). Por esta razão apresenta altíssima densidade de matéria - na ordem 
de 1014g/cm3. 
 
 Teoria da gota: 
O núcleo pode ser descrito, comparando-se a uma gota de um líquido com volume quase esférico, 
decorrente das fortes interações de dentro do núcleo em relação à força externa, tal qual a tensão 
superficial de um líquido. Os núcleos menores são mais esféricos e, à medida que o núcleo aumenta, vai-se 
deformando em formas mais alongadas por conta da dificuldade de acomodação das partículas.Forças de atração (força nuclear) e de repulsão (elétrica) se competem pela estabilidade do 
núcleo, que para minimizar este efeito se deforma tornando-se mais alongado ou se fragmentando. 
 À medida que o núcleo cresce, a repulsão entre os prótons aumenta mais rapidamente do que as 
forças atrativas, tornando o núcleo menos estável. 
 
 Teoria das camadas nucleares: 
 O núcleo pode ser imaginado como uma estrutura de camadas com os nucleontes, assemelhando-
se aos elétrons, nas camadas eletrônicas. 
 As forças repulsivas entre as cargas iguais dos prótons tendem a provocar ruptura do núcleo e as 
forças atrativas que se opõem tentam estabilizá-lo, num equilíbrio dinâmico. 
 Desta forma esta teoria explica que: 
a) Os átomos com número atômico par são estáveis e mais abundantes que os ímpares. 
b) Os elementos com número atômico par possuem maior número de isótopos (mínimo de três). 
c) Nos átomos até Z  20 os mais estáveis são os que p+ = n isto é, n/p+ = 1. 
d) Os átomos maiores com n/p > 1,6 tendem a ser instáveis. 
e) A emissão de raios  pelo núcleo pode ser facilmente explicada pelo modelo de camadas nucleares. 
 
 Algumas propriedades do núcleo sugerem que os nucleontes se movimentam livremente dentro do 
núcleo, enquanto outras propriedades sugerem que os nucleontes se arranjam em níveis de energia 
definidos, analogamente às camadas eletrônicas dos átomos. 
 
 Forças de interações no núcleo. 
Não existem partículas com cargas opostas no interior do núcleo e as forças de atração só ocorrem 
a distâncias de curtíssimo alcance, ou seja de 2 – 3fm. 
Os átomos se ligam compartilhando elétrons e, por analogia, as partículas nucleares se ligam 
compartilhando uma sub-partícula denominada méson. 
Os mésons podem ser dos tipos: + ; - ou O, sendo estes os responsáveis pela energia de 
ligação entre prótons e nêutrons que podem ser inter convertidos: 
 
 
 
 
 - + 
 
 
 
 
 
 
 
 O O 
 
 
 
A massa de um méson é ligeiramente maior do que a de um elétron e eles só existem dentro do 
núcleo, juntamente com outras partículas menos comuns. 
 
 
n
p
p
n n
p
p
n
np
np
p n
p n
 4 
 
VI. Radiatividade: 
 
 Histórico: 
 Henri Becquerel (1896) descobriu propriedades de emissões radiativas no [K2UO2(SO4)2] pela primeira 
vez, quando os raios emanados deste material impressionavam um filme fotográfico. Inicialmente, foram 
chamados de raios de Becquerel. 
 Em (1898), a família Curie (Mme e Pierre Curie) descobriu um novo elemento 400 vezes mais 
radioativo que o urânio, ao qual se deu o nome de polônio em homenagem ao casal natural de Varsóvia na 
Polônia, que foram laureados com o prêmio Nobel. 
 
 Conceito: 
 É a propriedade espontânea de átomos com núcleos instáveis, emitirem partículas e radiações, 
alterando a sua constituição nuclear. 
 
 Natureza da radiatividade 
 O desvio das partículas de um campo magnético H depende de suas massas e cargas. 
 
 
 
 Partícula alfa (  ) 
 Constituída de dois prótons e dois nêutrons. 
 Assemelha-se ao núcleo do átomo de hélio. 
 Possui massa bastante considerável. 
 Apresenta pequeno poder de penetração. 
 
 
 
 
 
 Partícula beta () 
 Assemelha-se ao elétron, com massa desprezível. 
 Origina-se no núcleo na decomposição de um nêutron. 
 Possui velocidade quase igual à da luz. 
 Apresenta um alto poder de penetração. 
 N p+ -1o no 
 
 Nêutron próton beta neutrino 
 
 
 Radiação gama (  ) 
 São radiações eletromagnéticas de comprimento de onda muito curta, que sempre acompanham as 
transformações nucleares e possuem o mais alto poder de penetração. 
 
 
 Poder de penetração  >  >  
 
 Poder de ionização  >  >  
 
 
 
 
 
 
 Imediatamente após uma transformação nuclear, os nêutrons e os prótons ainda não se acomodaram 
em suas posições mais estáveis e a diferença de energia entre o estado excitado e o estado de menor 
energia será convertida nas radiações eletromagnéticas de curto comprimento de onda, no caso as 
radiações gama  de alto poder de penetração e contaminação radiativa. 
 
 
 
 
 5 
1
o
1
o
1p
 
 
 Leis da radiatividade: Soddy, Fajans, Russel. 
 
 1a Lei: “Quando um átomo emite partícula alfa, o seu número atômico diminui de duas unidades, e 
o seu número de massa diminui de quatro unidades”. 
 
 
 
 
 
 92U238  90Th234 + z4 
 
 85At218  83Bi214 + 24 
 
 Somente os átomos pesados é que emitem as partículas  (Z > 82) ( A > 209) 
 
 2a Lei: “Quando um átomo emite uma partícula beta, seu número atômico aumenta de uma unidade 
e, seu número de massa permanece constante”. 
 
 
 
 
 
 
 92U238  93Np238 + -1o 
 
 6C14  7N14 + -1o 
 
 Outros tipos de decaimento: 
 
 Emissão de nêutrons 
 Ocorre muito raramente e somente em núcleos altamente instáveis, para diminuir a relação n/p. 
 
 
 36Kr86 + 0n1 
 36Kr87  
 37Rb87 38Sr87 
 
 
 Emissão de pósitrons 
 Os pósitrons ou radiação +1o (elétrons positivos) resultam da transformação de um próton em um 
nêutron, em um pósitron e um antineutrino. 
 
  on1 + +1o + oo 
 
 próton nêutron pósitron antineutrino 
 Captura de elétrons 
 O núcleo pode capturar um elétron da camada K e converter um próton num nêutron e um neutrino. 
 
 1p+ + -eo  on1 + oo 
 
 nêutron neutrino 
 
 4Be7 + - eo  3Li7 + oo 
 
 neutrino 
 
 
 Uma emissão de prótons pelo núcleo é pouco provável, exceto num estado muito energético. 
 
4
2 ( 4)
( 2)
A A
ZZ X Y
 

0
1
( 1)
A A
ZZ X Y


 6 
-11 = ano
2300
C
 
 Principais partículas nucleares e suas características: 
 
NOMESÍMBOLO CARGA MASSA NOTAÇÃO 
próton p+ +1 1 1p+ 
Nêutron n 0 1 1no 
beta(elétron)  (e-) -1 0 -10 
pósitron(elétron)  (e+) +1 0 +10 
neutrino  0 0 00 
antineutrino  0 0 00 
alfa  +2 4 +24 
gama  0 0 00 
 
 São conhecidas muitas partículas nucleares, entretanto a maioria tem mais interesse para a física de 
que para a química. 
 
 
 Cinética da Radiatividade 
 Logo após a descoberta da radiatividade, as observações experimentais demonstraram que se 
tratava de um fenômeno estatístico. Sabe-se que nem todos os átomos sofrem desintegrações simultâneas. 
Em outras palavras, nenhuma previsão de “quanto tempo levará para desintegrar-se” pode ser feita para um 
determinado átomo. Mas, se examinarmos um número de átomos, pode-se prever o número de 
desintegrações que ocorrerão em certo intervalo de tempo. Em previsão, será tanto mais próxima da 
realidade, quanto maior o número de átomos na amostra. 
 Para um exemplo comparativo, se você perguntar a um indivíduo quanto tempo ele viverá 
exatamente, você não terá nenhuma resposta, mas ao analisar a população de uma cidade, pode-se prever 
aproximadamente, o número de óbitos num mês. Isto é um fenômeno estatístico. 
 Então, é absurdo se querer prever quanto tempo leva para que um determinado átomo de rádio (por 
exemplo) seja desintegrado. 
 Um dos parâmetros mais importantes para o estudo da cinética da emissão de partículas radiativas é 
o conceito de “meia vida ou período de semi-desintegração”. 
 
 Período de semi-desintegração ou meia vida 
Define-se como meia vida, o tempo para que sejam desintegrados 50% dos átomos independente 
do número de átomos ou da massa original do mesmo elemento. 
 Seja uma amostra com no átomos radiativos iniciais. Após certo tempo, teremos no/2 átomos não 
desintegrados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Constante radiativa ( C ) 
 Lembrando que a radiatividade é um fenômeno estatístico, pode-se dizer que, quanto maior o 
número de átomos na amostra, maior será a velocidade de desintegração. Para cada elemento, pode-se 
determinar uma constante, que relaciona o número de átomos na amostra com a velocidade de 
desintegração. 
 Explicação: 
 Constante radiativa “C” é a fração de átomos desintegrados na unidade de tempo. 
 
 Exemplo: O rádio tem a constante 
 
 
 
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 Famílias ou Séries Radiativas 
Considerando que na formação do universo formou-se uma grande quantidade de átomos radiativos 
(muitos deles talvez já extintos), o que nos restam são alguns átomos pertencentes a um dos três tipos de 
elementos radiativos que hoje conhecemos provenientes de decaimentos do 92U238 ; 92U235 e 90Th232. 
Os nuclídeos derivados de cada um destes isótopos obedecem a uma seqüência denominada de 
“família ou série radiativa” encabeçadas pelos seguintes átomos: 
a) Série do Urânio..................... inicia-se com o 92U238 ............. encerra no 82Pb206 
b) Série do Actínio ................... inicia-se com o 92U235 ............ encerra no 82Pb207 
c) Série do Thório ................... inicia-se com o 90Th232 ............ encerra no 82Pb208 
 
 SÉRIE DO URÂNIO 92U238 SÉRIE DO ACTÍNEO SÉRIE DO THÓRIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Inicialmente, pensava-se que este 
 decaimento partia do actínio que é 
 o 4º elemento da série. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Sabendo-se que as séries terminam no átomos de chumbo Pb206 ; Pb207 e Pb208 o número de massa é 
obtido nas seguintes expressões: 
a) Série do Urânio [ A = 4k + 2 ] 
b) Série do Actíneo [ A = 4k + 3 ] onde k é um número inteiro 
c) Série do Thório [ A = 4k ] 
 
 
 8 
1 4
1 12
4 2 2
oC o o
omilhoes
H He energia    
 
 
 Processos Radiativos e Transmutações Elementares: 
Muitas das reações nucleares podem ser induzidas pela irradiação de núcleos com raios gama ou 
com vários tipos de partículas (elétrons, nêutrons, prótons, partículas ) convertendo os átomos num 
fenômeno denominado de transmutação de elementos químicos. 
Exemplos: 
4Be9 + 2α4  6C12 + 0n1 
 
7N14 + 2α4  8O17 + +1p1 
 
3Li7 + +1p1  2He4 + 2He4 
 
Nota: 
Na representação das equações nucleares é fundamental o balanceamento algébrico entre as 
cargas e massas (ajustamento de equações nucleares) 
 
 Fissão Nuclear 
 Ocorre pelo bombardeamento de átomos com partículas (nêutrons), resultando átomos de núcleos 
radiativos menores, liberando grande quantidade de energia. 
 
 92U235 + on1  56Ba140 + 36Kr94 + 2.on1 + Energia 
 Explicação: 
 Um núcleo altamente denso (instável), ao receber qualquer energia (bombardeamento com 
nêutrons), aumentará sua instabilidade de tal forma que as forças repulsivas superarão as atrativas, 
deformando núcleo até provocar a fissão (fragmentação). 
 Os núcleos de números de massa superiores ao do urânio (elementos transurânicos) são tão 
deformados que sofrem fissão espontânea. 
 
 Fusão Nuclear 
 Ocorre pela adição de dois núcleos com formação de um núcleo maior e a liberação de grande 
quantidade de energia. 
 
 
ou ainda: 
1H2 + 1H2  1He3 + 1H1 
1H3 + 1H2  2He4 + on1 
 1H2 + 1H2  2He4 +  
 1H2 + 1H2  2He3 + 0n1 
 
 Aplicações da Radiatividade 
 
I. Energia Nuclear 
 Todo o urânio encontrado na natureza, sob a forma de minério, é constituído de uma mistura com 
os dois isótopos com 92U238 (99,3%) e 92U235 (0,7%). 
 O “urânio enriquecido” é obtido por processos de separação dos isótopos a fim de se obter maior 
teor do urânio fissionável, no caso o 92U235. 
 O 92U235 é o isótopo do urânio usado das fissões nucleares, pois com o bombardeamento de 
nêutrons se fragmenta produzindo outros nêutrons que proporcionam a reação em cadeia. 
 
92U235 + on1  56Ba140 + 36Kr94 + 2.on1 + energia 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 9 
 
 Reação em Cadeia 
a) O urânio – 235, quando bombardeado por nêutrons, sofre fissão nuclear para formar dois átomos 
radiativos. 
b) Cada átomo fissionado produz fragmentos de n elementos com número de massa que pode variar 
de 72 a 158. Ou seja, não existe uma só reação nuclear para a fissão do U235 
c) Em cada fissão libera grande quantidade de energia da ordem de ΔE = Δm.c2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O 92U238 absorve o nêutron rapidamente para se converter noutro isótopo 92U239 que, logo em seguida, 
se transforma em plutônio (lixo nuclear), razão pela qual não proporciona reação em cadeia. 
 
92U238 + 0n1  92U239 
 
 92U239  93Pu239 + -1β0 
 
 Como se pode concluir, o bombardeamento do urânio natural (não enriquecido)com nêutrons não 
proporcionará reação em cadeia, uma vez que os átomos de U238 (99,3%) irão absorver os nêutrons 
resultantes da fissão. 
 
 Tanto na fissão como na fusão nuclear, a energia desenvolvida é provavelmente da interconversão de 
matéria x energia, conforme a equação de “EINSTEIN” ∆E = ∆mc2 
 
II. Datação com o Carbono – 14: 
 Os átomos de C14 são formados na atmosfera superior pela incidência dos raios cósmicos que 
bombardeiam com nêutrons os átomos de nitrogênio, de acordo com a equação: 
7N14 + 0n1 → 6C14 + 1H1 
 O núcleo do carbono-14 é instável e, por emissão de uma partícula beta, volta a formar o nitrogênio. 
 6C14 → 7N14 + -1o t1/2 = 5.730anos 
 O 14CO2 é formado na atmosfera e absorvido no processo de fotossíntese que, posteriormente, é 
assimilado pelos animais. 
 Durante a vida dos animais ou vegetais, a relação C14/C12 se mantém constante. Porém, depois da 
morte, o C14 continua se desintegrando no organismo sem ser reposto, até que a relação C14/C12 começa a 
diminuir. 
 
III. Radioterapia 
 O iodo radiativo é utilizado na medicina nos diagnósticos da glândula tireóide e o cobalto é usado 
no aparelho “bomba de cobalto” no tratamento do câncer. 
 
53I131  54Xe131 + -1β0 
 
27Co59 + 0n1  27Co60  28Ni60 + -1β0 
 
 
 
“Texto exclusivo extraído do livro Elementos de Química Inorgânica 
autor: Prof: Aristênio Mendes”