Quimica Aplicada a Radiologia - Professor Natan de Almeida

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Química
Aplicada
Professor: Natan de Almeida
Estrutura da Máteria
01.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
01 . Composição da matéria 
Todos os materiais existentes no universo são constituídos de átomos ou de suas combinações. As substâncias simples são constituídas de átomos e, as combinações destes, formam as moléculas das substâncias compostas. 
A maneira como os átomos se combinam depende da sua natureza e 
das propriedades que as suas estruturas propiciam.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.2 Estrutura do átomo 
O conceito inicial de átomo indivisível sofreu modificações profundas com as experiências realizadas por Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores. 
O modelo utilizado para representar o átomo, passou a ser concebido como tendo um núcleo pesado, com carga elétrica positiva, e vários elétrons, com carga elétrica negativa, cujo número varia com a natureza do elemento químico. 
O raio de um átomo é da ordem de 10-7 cm e suas propriedades químicas são definidas pelos elétrons das camadas mais externas.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.3 Raio atômico
Teoricamente, é a distância do centro do núcleo atômico até o último orbital ocupado por elétrons. Na prática ele é determinado como sendo o valor médio da distância entre núcleos de dois átomos vizinhos ligados e no estado sólido.
O valor do raio depende da força de atração entre o núcleo e os elétrons e é
expresso em angstron (1 Aº = 10-8 cm) ou em picômetro (1 pm=10-12m). Assim,
aumentando-se Z, o raio diminui; aumentando-se o número de camadas eletrônicas, o raio aumenta.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.3 Raio atômico
Para átomos com a última camada de elétrons completa, o raio tende a ser
menor devido à alta energia de ligação das partículas. Assim, os raios do 40Ca, 222Rn e 207Pb medem 2,23 ,1,34 e 1,81 Aº , respectivamente, enquanto que o raio do 39K vale 2,77 Aº e o raio do 127I, 1,32 Aº.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.4 Raio iônico
O acréscimo ou o desfalque de elétrons num átomo modifica o raio do sistema
restante, que é o íon. O íon positivo, denominado de cátion, possui elétrons a menos. O
íon negativo, o ânion, tem excesso de elétrons. O desfalque de elétrons faz com que a
carga nuclear atue mais intensamente sobre os elétrons restantes, reduzindo o raio. Este é o caso do 127I, cujo raio vale 1,32 Aº e raio iônico vale 0,50 Aº. O efeito do
emparelhamento de elétrons é significativo, como se pode perceber com o 40Ca cujo raio
vale 2,23 e o raio iônico de Ca2+ = 0,99 Aº.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.4 Raio iônico
O excesso de elétrons aumenta o raio, pela atenuação da força de atração pelo
núcleo e aumento da repulsão entre os elétrons. A deficiência de elétrons diminui o raio
conforme pode ser observado, comparando-se os raios dos cátions com carga (+1), (+2)
e (+3). Por exemplo, Ag+ com 1,26 e Ag2+ com 0,89 Aº, Bi3+ com 0,96 e Bi5+ com 0,74 Aº
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.5 Estrutura eletrônica
Os elétrons se distribuem em camadas ou orbitais, de tal modo que dois elétrons
não ocupem o ―mesmo lugar ao mesmo tempo. Somente dois elétrons podem ocupar a
mesma região no espaço, mas eles devem ter características magnéticas (spin)
diferentes. Esta restrição é denominada de Princípio de exclusão de Pauli. Quanto mais
elétrons possuir o elemento químico, mais camadas ele deve ter ou mais complexa será
a maneira como eles se acomodarão.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.5 Estrutura eletrônica
Cada orbital pode ser representado por um elétron se movendo segundo uma
trajetória circular (ou elíptica) ou por uma nuvem envolvendo o núcleo e distribuída em
torno de um raio médio. O orbital é um conceito proveniente da teoria quântica do átomo e é definido como uma região do espaço em torno do núcleo onde os elétrons têm grande probabilidade de estar localizados. Cada camada comporta um número definido de elétrons..
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.5 Estrutura eletrônica
Quando preenchida, denomina-se camada fechada. O número de elétrons destas camadas é denominado de número mágico e, quando excedido, os novos elétrons devem ocupar novos orbitais, senão haverá repetição dos números quânticos que caracterizam cada elétron (ver 1.2.13). Os números mágicos são: 2, 8, 18, 32, 32, 18 até 8.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.5 Estrutura eletrônica
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.6 Energia de ligação eletrônica
Cada elétron está vinculado ao átomo pela atração entre a sua carga negativa e
a carga positiva do núcleo e pelo acoplamento atrativo do seu momento magnético
(spin) com elétrons da mesma camada. A força atrativa sofre uma pequena atenuação
devido à repulsão elétrica dos demais elétrons. A energia consumida neste acoplamento
se denomina energia de ligação. Para elementos de número atômico elevado, a energia
de ligação dos elétrons próximos ao núcleo é bastante grande, atingindo a faixa de 100
keV, enquanto que a dos elétrons mais externos é da ordem de alguns eV. 
Os elétrons pertencentes às camadas fechadas possuem energia de ligação com
valores bem mais elevados do que os das camadas incompletas e, portanto, são os mais
estáveis.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.6 Energia de ligação eletrônica
A Figura mostra a variação da energia de ligação dos elétrons da última
camada, ou energia potencial de ionização, com o número atômico Z do elemento
químico. Quanto maior o raio atômico, mais distante os elétrons estarão do núcleo e,
portanto, mais fraca será a atração sobre eles. Assim, quanto maior o raio atômico,
menor o potencial de ionização. Os valores máximos correspondem a de elementos com
a última camada eletrônica completa
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.6 Energia de ligação eletrônica
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.7 Estrutura nuclear
O núcleo atômico é constituído de A número de massa, sendo N nêutrons e Z prótons. Os
prótons são carregados positivamente e determinam o número de elétrons do átomo,
uma vez que este é eletricamente neutro. Os nêutrons possuem praticamente a mesma
massa que os prótons, mas não têm carga elétrica. Prótons e nêutrons chamados
indistintamente de nucleons.. O número de nucleons A = N + Z é denominado de
número de massa e Z de número atômico.
Os nucleons (número de massa) se movem com uma velocidade média da ordem de 30.000 km.s-1, num volume obtido por 4/3.π.R3, onde R = r0A1/3 (10-13 cm) é o raio nuclear, com r0 =1,15. A densidade nuclear tem um valor em torno de ρ = 1015 g.cm-3, com uma densidade de ocupação de 1,6.1038 nucleons.cm-3.
ESTRUTURA DA MATÉRIA
1.8 Notação química
A notação utilizadapara identificação de um elemento químico é do tipo onde A é o número de massa e Z o número atômico ou número de prótons. 
O número de nêutrons é obtido de N = A - Z. 
Exemplos: 
, , 
Tabela Periódica
02.
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
Na história da ciência, várias propostas para classificar os elementos químicos
conhecidos surgiram, em geral, acreditando haver semelhanças de comportamento nas
reações químicas. A classificação mais completa e criativa foi estabelecida por Dmitri
Mendeleiev, em 1869, ao mostrar que os elementos apresentavam uma periodicidade
nas propriedades químicas, de acordo com o número de elétrons da última camada,
coadjuvada, em alguns casos, com os da penúltima camada. Foi denominada, então, de
Tabela Periódica dos elementos químicos. 
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
Nela, os elementos químicos foram dispostos em 18 colunas e 9 linhas, em
ordem crescente de seus números atômicos, e contém 7 períodos:
O 1o possui somente 2 elementos, o H (Z=1) e He (Z=2), com elétrons na camada 1s.
O 2º possui 8 elementos, vai de Li (Z=3) até Ne (Z=10), com elétrons em 2s e 2p.
O 3º possui 8 elementos, vai do Na (Z=11) até Ar (Z=18), com elétrons em 3s e 3p.
O 4º com 18 elementos, vai do K (Z=19) até o Kr (Z=36), com elétrons 4s, 3d e 4p.
O 5º com 18 elementos, vai do Rb (Z=37) até o Xe (Z=54), com elétrons 5s, 4d e 5p.
O 6º com 32 elementos, vai do Cs (Z=55) até o Rn (Z=86), com os últimos subníveis
6s, 4f, 5d e 6p preenchidos.
O 7º com 17 elementos, os actinídeos, vai do Fr (Z=87) até o Lr (Z=103), com os
últimos subníveis 7s, 5f e 6d preenchidos.
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
Os elementos dispostos na mesma coluna têm propriedades químicas similares e
constituem as famílias ou grupos. Por exemplo, He, Ne, Ar, Kr, Xe e Rn constituem o
grupo dos gases nobres; Li, Na, K, Rb, Cs e Fr, os metais alcalinos; F, Cl, Br, I e At, os
halogênios; Be, Mg, Ca, Sr, Ba e Ra os metais alcalinos-terrosos. Na Figura 1.8 é
apresentada a Tabela Periódica dos elementos químicos.
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
Atualmente existem mais 8 elementos com Z = 113 até 118, com símbolos ainda não definidos pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), mas que em algumas tabelas são designados por: Uut, Fl, Uup, Lv, Uus e Uuo. Estes elementos são metais sintéticos obtidos por reações nucleares com íons pesados, são radioativos e os seus últimos elétrons preenchem os subníveis 5f, 6d e 7s. Além destes, existem mais 12 elementos pesados com Z=104 até Z=118, todos radioativos, cujas propriedades químicas e físicas ainda não estão bem definidas.
Na Tabela Periódica são apresentados os nomes, os métodos de obtenção e algumas das características dos elementos Z = 97 a 115, todos radioativos.
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
TABELA PERIÓDICA
2 Tabela periódica
Exercicios:
Utilizando a tabela periódica, mostre quais são A, Z e N de todos elementos descritos na tabela periódica. 
Isotopia
03.
ISOTOPIA
3 Isotopia
O fenômeno ISOTOPIA, diz que quase todo elemento químico natural, ou não, é formado por uma mistura de isótopos, muitas vezes nessa mistura encontramos nuclídeos instáveis, denominados de radioisótopos ou radionuclídeos.
Átomo = prótons + nêutrons + elétrons
Número atômico (Z) = corresponde ao número de prótons no núcleo do átomo.
Número de massa (A) = corresponde ao número de prótons somado ao de nêutrons.
3 mil isótopos instáveis, sendo 80 naturais e os demais artificiais. 
ISOTOPIA
3 Isotopia
O fenômeno ISOTOPIA, diz que quase todo elemento químico natural, ou não, é formado por uma mistura de isótopos, muitas vezes nessa mistura encontramos nuclídeos instáveis, denominados de radioisótopos ou radionuclídeos.
Átomo = prótons + nêutrons + elétrons
Número atômico (Z) = corresponde ao número de prótons no núcleo do átomo.
Número de massa (A) = corresponde ao número de prótons somado ao de nêutrons.
3 mil isótopos instáveis, sendo 80 naturais e os demais artificiais. 
ISOTOPIA
3 Isotopia
Isótopo radioativo ou radioisótopo, aquele que é instável, ou seja, é passível de sofrer um processo chamado decaimento radioativo ou desintegração radioativa.
Radiação gama (γ)
Partículas alfa (α)
Partículas beta menos ou beta mais (β +/-)
Nêutrons (n)
O processo de decaimento ou desintegração prossegue até o isótopo se tornar estável.
ISOTOPIA
3 Isotopia
ISOTOPIA
3.1 Radiação X Radioatividade
RADIAÇÃO: É a emissão e propagação de partículas ou ondas originadas sejam de substâncias radioativas, fontes de ondas eletromagnéticas ou sonoras e que viajam através do espaço e da matéria.
RADIOATIVIDADE: É a propriedade de determinados elementos químicos, naturais ou não, de produzir radiação.
ISOTOPIA
3.2 Meia Vida
Meia vida física 
É definida como o tempo que metade dos núcleos de uma amostra radioativa leva para se desintegrar, decair.
ISOTOPIA
3.2 Meia Vida
Meia vida biológica
Tempo necessário para o organismo eliminar metade dos nuclídeos incorporados nele.
Associando as duas, temos a “Meia vida efetiva”, dado de suma importância na dosagem de radionuclídeos que serão administrados ao paciente.
ISOTOPIA
3.2 Meia Vida
ISOTOPIA
3.2 Meia Vida
Exercícios:
Seguindo a tabela anterior, calcule todas as meias vidas dos elementos ali demonstrados.