Radioatividade em Química | Descomplica
Radioatividade em Química
Nesta aula, iremos estudar a descoberta das radiações, suas características, leis e tempo de meia vida, além de fissão e fusão nuclear.
Descoberta das radiações
Vamos entender a história da Radioatividade.
1ª e 2ª leis da radioatividade
Questão sobre tempo de meia-vida
Questão sobre fissão nuclear
• Antoine-Henri Becquerel –> físico francês que trabalhava com sais de urânio, percebeu que um desses sais, o sulfato duplo de potássio e uranila –K​2​​(UO​2​​)(SO​4​​)​2​​ – era capaz de impressionar filmes fotográficos. Estudou-se tal comportamento e viu-se que isso se devia a radiações emitidas pelo sal.
• Wilhelm Conrad Roentgen –> físico alemão que trabalhava com raios catódicos (do tubo de Crookie), percebeu que esses raios emitiam uma nova radiação – os raios X – quando em contato com vidro ou metal. Posteriormente, viu-se que ela não possui massa nem carga.
• Marie Sklodowska Curie –> física e química polonesa que também trabalhava com sais de urânio, percebeu que impressões fotográficas feitas por esses sais aumentavam de intensidade à medida que aumentava-se a quantidade desses sais. Concluiu, assim, que a intensidade de radiação é proporcional à quantidade de urânio e, portanto, a radioatividade era um fenômeno atômico.
• Ernest Rutherford –> físico neozelandês que trabalhou com polônio, estudou a ação de campos eletromagnéticos sobre as radiações e, assim, descobriu os raios α (alfa), β (beta) e γ (gama). Veremos com detalhes a seguir.
• Criou uma aparelhagem contendo: polônio (elemento com atividade radioativa) em um bloco de chumbo, campo magnético, placas carregadas eletricamente (uma positiva e uma negativa) e uma placa fluorescente com sulfeto de zinco, que emite luminosidade ao ser atingida por radiação.
É uma partícula nuclear;
Tem 1/10 da velocidade da luz;
É igual ao núcleo do hélio (possui 2 prótons, 2 nêutrons e número de massa 4);
Tem baixo poder de penetração, não ultrapassa papel, roupas finas e a nossa pele.
Tem 9/10 da velocidade da luz;
É igual a um elétron – ou é o elétron – deriva da quebra de um nêutron;
Tem poder de penetração superior ao da partícula α, não ultrapassa roupas grossas e madeira.
Como não tem carga nem massa, não é uma partícula nuclear, é uma onda eletromagnética, assim como a luz e os raios X, de comprimento pequeno;
Trafega na velocidade da luz;
Tem maior poder de penetração, mas não ultrapassa paredes de concreto ou chumbo.
Não tem carga, é neutra.
É a antimatéria da partícula beta;
! OPA, antimatéria?
Assim como a matéria é composta de partículas, a antimatéria é composta de antipartículas, que se tratam da partícula correspondente, mas com sinal contrário. O pósitron também é chamado de antielétron, já que é a antipartícula do elétron (é o elétron com carga +1). Acredita-se que, para cada matéria, há uma antimatéria correspondente.
Você pode ler essa matéria show, para entender melhor: http://super.abril.com.br/ciencia/antimateria/.
• 1ª Lei da Radioatividade ou Lei de Soddy: emissão de partículas α
O núcleo de um elemento radioativo, ao emitir uma partícula α, origina um elemento com número atômico menor em 2 unidades e número de massa menor em 4 unidades. Veja:
Z ​​X ​A​​ 🡪 2​​α​4​​ +​(Z​​​−​​​2)​​Y(​A​​​−​​​4)​​
9​2U23​8​​ 🡪 ​2​​α​4​​ + ​(Z​​​−​​​2)​​Y(​A​​​−​​​4)​​
• Mas por quê? Porque como "na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma", a soma dos números atômicos (número de prótons) de antes da seta da reação nuclear deve ser igual à soma dos números atômicos de depois da seta. O mesmo deve ocorre com o número de massa.
Z antes = Z depois / ZP = ZR e A antes = A depois / AP = AR
! OPA, nuclídeo?
Exemplo: se for representado o nuclídeo do oxigênio-16 (isótopo do oxigênio de número de massa 16), será assim: _{ 8}O^{16}​8​​O​16​​.
• 2ª Lei da Radioatividade ou Lei de Soddy-Fajans-Russel: emissão de partículas β
O núcleo de um elemento radioativo, ao emitir uma partícula β, origina um elemento com número atômico maior em 1 unidade e número de massa igual ao do elemento desintegrado. Veja:
Z​​ X​ A​​ 🡪 ​−​​​1​​β​0​​ + (Z​​+​​1​)​​Y ​A​​
6​​C​1​​4​​ 🡪 –​1​​β​0​​ + ​7​​N​1​​​4​​
• O motivo é o mesmo da primeira Lei.
Exemplo: O tempo de meia vida do fósforo-32 é de 32 dias. Isso significa que uma amostra contendo 1 mol (6,02.10​^23​​ átomos/32 g) desse elemento hoje terá ½ mol (3,01.10^​23​​ átomos/16 g) dele daqui a 32 dias.
• Logo, daqui a 128 dias (4 x 32), a sua quantidade será a inicial dividida por 2, depois por 2 de novo, depois por mais 2 e por fim, por mais 2.
Qf = Qi /2​P​​
2​​α4​​ +7​​​N1​​4​​ 🡪 8​O​1​​7​​ + + 1​​p​1​​
Caso a transmutação rompa o nuclídeo bombardeado, gerando nuclídeos de elementos diferentes de números atômicos menores e complementares ao do primeiro (ou seja, Z2 +Z3 =Z1​​, sendo Z​1​​ o número atômico do nuclídeo bombardeado e Z​2​​ e Z​3​​ os dos elements resultantes), houve uma fissão nuclear. Fissão porque o elemento foi fissonado/dividido em outros.
​9​​​2​​U235​​ + 0​​n1​​ 🡪 3​​6​​Kr9​​2 + 5​6​​Ba141​​ + 3 ​0​​n​1​​ + γ
• Na bomba nuclear, cada nêutron formado bombardeia mais um átomo de urânio-235, liberando mais bário, criptônio e mais 3 nêutrons, que bombardeiam mais 3 átomos de urânio, e assim sucessivamente. A isso, damos o nome de reação em cadeia.
• A fissão de um átomo de urânio-235 já libera muita energia, em forma de calor. Sendo alguns quilos desse elemento, a quantidade de energia liberada é absurdamente maior, o que faz da bomba nuclear um material bélico de altíssimo potencial de destruição, muito superior à de uma bomba de TNT, por exemplo.
• A fissão nuclear também ocorre em uma usina nuclear, em que se faz a quebra do urânio, liberando muita energia, que aquece a água, fazendo-a vaporizar e girar uma turbina, a qual resulta em produção de energia elétrica.
Como o próprio nome explica, consiste na fusão dos núcleos de elementos, formando outro elemento e liberando partículas e energia. No Sol, por exemplo, ocorre a reação de fusão de quatro núcleos de hidrogênio, gerando hélio, dois pósitrons e muita energia, em forma de calor.
1​​H​3​​ + ​1​​H​2​​ 🡪 2​​He​4​​ + 1​​n + energia
• Na bomba de hidrogênio, ou bomba H, ocorre a mesma reação, por isso é um material bélico tão preocupante para a humanidade. A energia térmica liberada é muito superior à de uma bomba atômica.
IMPORTANTE À BEÇA: a arqueologia e outros ramos do estudo da história natural utilizam o método de datação de fósseis com carbono-14. Trata-se de um isótopo do carbono com número de massa igual a 14 (6 prótons e 8 nêutrons) que tem núcleo instável, e por isso tem atividade radioativa.
• A frequência desse isótopo na natureza é conhecida pelos cientistas, ou seja, a proporção entre a quantidade de carbono-12 (C-12, o mais estável e mais presente na natureza) e de carbono-14 (C-14) incorporados aos organismos vivos e aos compostos químicos espalhados pelo ambiente já foi calculada.
• Além disso, conhece-se a meia-vida do C-14, que é de aproximadamente 5600 anos. Então, é possível datar um fóssil, isto é, calcular em qual data ele viveu.
• Mas como? Vamos supor que a proporção de C-12 e C-14 no ambiente seja de 1000:1, respectivamente. Se um cadáver possuir 1000 mols de C-12, vai possuir 1 mol de C-14, caso tenha morrido há pouco tempo e ainda não tenha havido decaimento dele. Então, se nesse cadáver encontramos apenas 0,5 mol de C-14 (metade da quantidade inicial do elemento), sabemos que já se passaram 5600 anos desde que o organismo morreu e parou de incorporar matéria orgânica.