Reis Química

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Capítulo 11
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Primeira lei de Soddy

Quando um átomo emite uma partícula ⁴₂, o número atômico (Z) do átomo

resultante diminui 2 unidades, e o número de massa (A) diminui 4 unidades.

Observe que na emissão de partículas ⁴ ocorre conservação da massa, A, e da carga nuclear, Z.

Library of Congress/SPL

Segunda lei de Soddy

Quando um átomo emite uma partícula, o número atômico (Z) do átomo resultante aumenta 1 unidade e o número de massa (A) permanece constante.

Observe que na emissão de partículastambém ocorre conservação da massa, A, e da carga nuclear, Z.

 

O físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) lançou a seguinte hipótese para explicar a emissão de partículas  (semelhantes a elétrons) do núcleo de um átomo:

• A partícula  é emitida quando um nêutron instável se desintegra convertendo-se em um próton.

A existência do neutrinofoi prevista matema ticamente antes da comprovação de sua existência real pelo físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), para explicar a conservação de energia do sistema quando ocorre a desintegração do nêutron.

Seguindo esse mesmo raciocínio, também pode mos explicar a formação do pósitron ou partícula beta positiva, .

O pósitron é usado em uma técnica de diagnóstico em me dicina denominada tomografia por emissão de pósitrons (PET), na qual traçadores radioativos ino fen sivos são acompanha dos através do corpo pelos pósitrons que eles emitem.

• A partículaemitida quando um próton instável se desintegra convertendo-se em um nêutron.

Frederick Soddy estudou na Universidade de Oxford. De 1960 a 1902 trabalhou no laboratório de Química da Universidade McGill, Montreal, com Rutherford. Realizou vários trabalhos de investigação experimental, sendo um pioneiro no estudo da radioatividade. Em 1912 elaborou o conceito de isótopo e em 1921 recebeu o Prêmio Nobel de Química.

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Exercício resolvido

1 (PUC-SP) Na sequência radioativa:

temos, sucessivamente, emissões:

 

Resolução 

Precisamos analisar – segundo as leis de Soddy – quais partículas foram emitidas na transformação de um átomo em outro.

Alternativa b.

Exercícios

1 (EEM-SP) Utiliza-se o césio como substância radioativa sob a forma de uma liga com outro metal. Dê uma justificativa do porquê se usa a liga e não o césio puro.

2 (Fuvest-SP) Quais as semelhanças e diferenças entre os isótopos de césio Cs (estável) e Cs (radioati vo), com relação ao número de prótons, nêutrons e elétrons?

3 (Faap-SP) O contador Geiger é um aparelho que é usado para saber o nível de:

a) radioatividade.

d) molaridade.

b) pressão.

e) temperatura.

c) acidez.

4 (UFU-MG) Em 6 de julho de 1945, no estado do Novo México, nos Estados Unidos, foi detonada a primeira bomba atômica. Ela continha cerca de 6 kg de plutônio e explodiu com a força de 20 000 toneladas do explosivo TNT (trinitrotolueno). A energia nuclear, no entanto, também é utilizada para fins mais nobres como curar doenças, através de terapias de radiação. Em relação à energia nuclear, indique a alternativa incorreta.

a) Raios  (alfa) possuem uma baixa penetração na matéria, e os núcleos que emitem essas partículas perdem duas unidades de número atômico e quatro unidades de massa.

b) Raios  (alfa) são formados por um fluxo de núcleos de hélio, combinações de dois prótons e dois nêutrons.

c) Raios  (gama) são uma forma de radiação eletromagnética, que não possui massa ou carga, sendo, portanto, menos penetrantes que as partículas  (alfa) ou  (beta).

d) Partículas  (beta) são elétrons ejetados a altas velocidades de um núcleo radioativo e possuem uma massa muito menor que a massa de um átomo.

e) Partículas  (beta) são mais penetrantes que as partículas  (alfa), e a perda de uma única dessas partículas produz aumento de uma unidade no número atômico do núcleo que a emitiu.

5 (Vunesp-SP) Em 1902, Rutherford e Soddy descobriram a ocorrência da transmutação radioativa investigando o processo espontâneo:

A partícula x corresponde a um:

 

6 (Vunesp-SP) Uma amostra radioativa de potássio (Z = 19 e A = 40) foi colocada em um bloco de chumbo com uma abertura. O feixe de radiações produzido pela amostra atravessou perpendicularmente um campo elétrico gerado entre duas placas metálicas. Observou-se que houve separação do feixe, sendo que parte foi atraí da para a placa carregada positivamente e parte não sofreu desvio. Baseando-se nesses resultados, os produtos dessa desintegração radioativa são:



7 (EEM-SP) Um átomo de Ra transforma-se, por emissão de uma partícula beta, no átomo Q; este, por igual processo, transforma-se em X, que, por sua vez, emitindo uma partícula alfa, origina Z. Pergunta-se: a) Qual o número atômico e o número de massa do átomo Z?

b) Quais átomos são isótopos?

8 (UEL-PR) As partículas emitidas na transformação radioativa do U a Pu são:



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Capítulo 11
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3 Período de meia-vida

Uma amostra de material radioativo é composta de um grande número de radioisótopos e cada um deles vai emitir radiação para se estabilizar em determinado momento. Entretanto, para a grande quantidade de átomos existente em uma amostra é razoável esperar-se um certo número de emissões ou transformações em cada segundo. Essa “taxa” de emissões é denominada atividade da amostra.

O tempo necessário para que a metade do número de átomos de uma amostra de determinado isótopo radioativo decaia, ou seja, emita radiação e se transforme em outro elemento químico, é denominado tempo de meia-vida.

Considere uma amostra contendo n₀ átomos de um isótopo radioa tivo qualquer (representado em vermelho).

A atividade de uma amostra com átomos radioativos (ou fonte radioativa) é medida em:

• Bq (Becquerel) = uma desintegração por segundo

• Ci (Curie) = 3,7 • 10¹⁰ Bq.

Paulo Manzi/Arquivo da editora

Podemos observar que, a cada período de meia-vida, P, que passa, o número de átomos radioativos na amostra diminui pela metade.

Logo, após x períodos de meia-vida decorridos, o número de átomos radioativos que resta na amostra, n, pode ser calculado pelas relações:

em que x é o número de períodos de meia-vida que se passaram.

• O tempo, t, necessário para que dos n ₀ átomos radio ativos iniciais restem apenas n pode ser cal culado pelo produto: t = x · P. A expressão t = x · P pode ser obtida por meio de uma regra de proporção:

1 período tempo P (definição)

x períodos tempo t (obtido experimentalmente e característico de cada isótopo radioativo)

• Sendo o número de átomos, n, diretamente proporcional à massa, m, de átomos na amostra, vale ainda a relação:

• E como a atividade, A, é também propor cional ao número de átomos radioativos, n, contidos na amostra, também vale a relação: 

A atividade, A, de uma amostra de um isótopo radioativo depende do nú mero de par tículas alfa ou beta emitidas pelo núcleo des se isótopo por unidade de tempo.

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Kevin Schafer/Alamy/Other Images

A técnica de datação pelo carbono-14 é muito utilizada para determinar a idade de objetos antigos, de múmias e de alguns fósseis (foto).

A quantidade de carbono-14 nos tecidos vegetais e animais vivos é praticamente constante, pois, ao mesmo tempo que o carbono é absorvido pela alimentação, ele também decai por emissão de partícula

Lembre-se de que:

• o logaritmo de um quociente é igual ao logaritmo do numerador menos o logaritmo do denominador (na mesma base);

• log 2 = 0,301;

log 3 = 0,477 e

log 1 = 0.

Datação pelo carbono-14

Uma aplicação importante do conceito de meia-vida é o método de datação baseado no isótopo 14 do carbono.

Qualquer fóssil, animal ou vegetal, ou mesmo um objeto que seja um subproduto de um ser vivo, como um pedaço de madeira ou um pedaço de pano, podem ter sua idade determinada com certa precisão por esse método.

O carbono-14 forma-se naturalmente no ar atmos férico quando nêutrons dos raios cósmicos colidem com núcleos de nitrogênio:

O carbono-14 reage então com o oxigênio do ar e forma gás carbônico radioativo, *CO₂ (g). Note que a simbologia *CO₂ (g) indica que o gás carbônico possui o isótopo 14 do carbono.

Esse *CO₂(g) radioativo é absorvido pelos vegetais por meio da fotossíntese e pelos animais por meio da alimentação. Quando o organismo morre, o C de ser reposto e a quantidade desse isótopo no organismo começa a decrescer.

Conhecendo o período de meia-vida do carbono-14 (≃5 730 anos), os cientistas estimam a idade de um fóssil ou de um objeto a partir da relação entre a quantidade de ¹⁴ C restante e a quantidade que existe em uma espécie semelhante atual.

Em 1994, por exemplo, um cientista retirou um fragmento do pano de linho que envolvia uma múmia egípcia e verificou que a emissão de partículas pelo carbono-14 radioativo nesse material era 2/3 da que obteve com um pano de linho atual, semelhante ao encontrado.

Isso significa que a atividade, A, da amostra de linho retirada da múmia é, hoje, 2/3 do que fora inicialmente:

Sabendo que a meia-vida, P, do carbono-14 é igual a 5 730 anos, é possível calcular a época em que a múmia foi preparada por meio da relação:

Para descobrir o valor do expoente t/P, temos de aplicar logaritmo (na base 10) nos dois membros da equação:

Como o logaritmo de um quociente é igual ao logaritmo do numerador menos o logaritmo do denominador (na mesma base), temos:

 t = 3350,4318 anos ou ≃3 350 anos

Logo, a múmia foi preparada em: 3 350 – 1994 = 1356 a.C.

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Capítulo 11
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Curiosidade

Aplicações pacíficas da radioatividade

O uso de radioisótopos na pesquisa e na indústria é bastante diversificado. É possível, por exemplo, estudar o metabolismo das plantas para saber o que elas precisam para crescer marcando algumas moléculas (adicionando átomos radioativos), que mesmo absorvidos em quantidades mínimas podem ser acompanhados por detecto res de radiação, mostrando como as raízes ou as folhas assimilam determinado nutriente e em que parte da planta certo elemento químico é mais im portante. Essa técnica também possibilita o estudo do comportamento de insetos, como abelhas e formigas, que, ao ingerirem radioisó topos, passam a ser acompanhados pelos detectores.

A marcação de insetos também é útil para elimina ção de pragas, identificando qual predador se alimenta de determinado inseto indesejável, para então utilizá-lo no lugar de inseticidas. Outra forma de eliminar pragas é esterilizar os machos da espécie por radiação gama e depois soltá-los no ambiente para competir com os férteis, reduzindo sucessiva mente a reprodução da espécie, até que deixem de ser um problema. Também é possível marcar um agrotóxico com um determinado isótopo radioativo para determinar quanto dessa substância fica retida no alimento cultivado e quanto vai para o solo, para a água e para a atmosfera.

Na indústria, a aplicação de radioisótopos mais conhecida é a radiografia de peças metálicas ou gamagrafia industrial (impressão de radiação gama em filme fotográfico). As empresas de aviação fazem inspeções frequentes nos aviões usando essa técnica, para verificar se há fadiga nas partes metálicas e soldas essenciais sujeitas a maior esforço (por exemplo, nas asas e nas turbinas).

Uma outra aplicação dos radioisótopos na indústria é nas linhas de produção. A indicação de nível de um líquido em uma garrafa, por exemplo, é feita colocando-se uma fonte radioativa em um dos lados e, no lado oposto, um detector ligado a um dispositivo (aparelho) de indicação ou de medição. Quando o líquido alcança a altura da fonte, a maior parte da radiação emitida pela fonte é absorvida por ele e deixa de chegar ao detector, significando que o líquido atingiu aquele nível e que a esteira deve prosseguir.

Para esterilizar materiais que não suportam altas temperaturas a indústria farmacêutica utiliza radiação gama proveniente de uma fonte de ⁶⁰ Co ou feixes de elétrons de aceleradores de alta energia.

"[…] A radiação ionizante destrói os microrganismos presentes em produtos médicos quebrando suas cadeias moleculares e induzindo reações dos fragmentos com o oxigênio atmosférico ou compostos oxigenados, ou seja, mata os microrganismos e previne sua reprodução. […]

A grande quantidade de materiais compatíveis com a radiação por ionização torna extensa a relação de produtos esterilizáveis comercialmente por este processo: seringas descartáveis, agulhas, cateteres, luvas e kits cirúrgicos, suturas, implantes, proteínas, unidades para hemodiá lise, placas de Petri, pinças, reagentes, cosméticos, etc."

Suprimentos médicos que podem ser submetidos à radioesterilização.

IPEN. Radioesterilização. Disponível em: .

Acesso em: 20 jan. 2016.

Divulgação/CBE-Embrarad

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4 Séries ou famílias radioativas

Todos os isótopos radioativos naturais (que ocorrem espontanea mente na natureza) foram originados de um dos 3 isótopos radioativos: tório-232, urânio-238,, e urânio-235, . Dizemos então que esses elementos encabeçam uma série ou família radioativa natural.

Série ou família radioativa é o conjunto de átomos que estão relacionados por sucessivos decaimentos.

Cada um desses elementos decai por emissão de partícula, dando origem a um 2º elemento, que também irá decair por emissão de partícula ouproduzindo um 3º elemento, e assim sucessivamente, até que o último elemento produzido em cada série seja um isótopo estável do chumbo (Z = 82).

Os elementos de cada série encontram-se em equilíbrio radioativo uns com os outros na natureza, isto é, à medida que a quantidade de determinado elemento aumenta pelo decaimento de um elemento anterior na série, a quantidade desse elemento diminui pelo seu próprio decaimento.

Isso faz com que a quantidade de isótopos radioativos naturais seja, por um longo tempo, praticamente constante na natureza. É o chamado equilíbrio secular. Os elementos que encabeçam cada série, contudo, não estão sendo repostos, e a tendência é esses elementos se extinguirem um dia.

Se contarmos que isso deverá ocorrer sucessivamente com cada elemento da série, chegará o momento em que todos os isótopos radioativos naturais terão se transformado em chumbo estável.

Existe ainda uma quarta série de decaimento encabeçada por um isótopo radioativo artificial, o netúnio-237, o primeiro elemento trans-urânico sintético. Seu isótopo mais estável, Np-237, é um subproduto de reatores nucleares que utilizam plutônio como combustível. Foi sintetizado em 1940 na Universidade da Califórnia, Berkeley, por Edwin McMillan (1907-1991) e Philip Abelson (1913-2004).

A abundância na Terra (% em massa contando a litosfera, 16 km da cros ta terrestre, os oceanos e a atmosfera) dos elementos que dão nome a cada série radioativa, por serem os primeiros da série ou, no caso do netúnio, por ser o de meia-vida mais longa, é a seguinte:

O urânio-235 é um dos principais isótopos utilizados como combustível em usinas nucleares e na fabricação das armas atômicas. Observe sua série de decaimento a seguir, os isótopos formados e a meia-vida de cada um deles para entender a dimensão do problema do lixo atômico.

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Capítulo 11
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SÉRIES RADIOATIVAS NATURAIS

BRASIL. Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN). Disponível em: . Acesso em: 5 fev. 2016.

O processo usado para separar o urânio-235 do urânio-238 – conhecido como enriquecimento do urânio – consiste em combinar esses isótopos com o flúor para formar o gás hexafluoreto de urânio. Em seguida, coloca-se a mistura de hexafluoreto de urânio-235, ²³⁵UF₆ (g), e hexafluoreto de urânio-238, ²³⁸UF₆(g), em um cilindro giratório de duas paredes, sendo a parede interna porosa (ilustração). Como o ²³⁵UF₆(g) é mais leve que o ²³⁸UF₆(g), ele atravessa primeiro a parede porosa, por difusão, e é recolhido em outro recipiente. O processo deve ser repetido várias vezes para se obter a concentração desejada de ²³⁵UF₆ (g). Veja acima quanto tempo leva para que uma amostra de ²³⁵U perca metade de sua atividade radioativa.