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Reações Nucleares

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Teoria

Olá, tudo bem? 😊

A química nuclear é super importante para vários rolês, né? Vai desde a produção de energia nuclear até o uso na medicina. Pra gente entender um pouquinho melhor como funcionam os processos nucleares, vamos começar pelo decaimento nuclear.

Uma revisão só pra você ficar esperto!

Não sei se você se lembra, mas o núcleo de um átomo é formado por prótons + nêutrons. Os prótons são partículas de carga positiva, que se repelem por terem a mesma carga e, por isso, precisam dos nêutrons: partículas que servem para estabilizar as forças de repulsão próton-próton dentro do núcleo.

Os componentes do núcleo, ou seja, prótons e nêutrons, também são chamados de núcleons!

O número de massa de um átomo é justamente o número total de núcleons, ou seja, o número de prótons + nêutrons. Ele fica sempre representado à esquerda do átomo, assim ó:

H 1 : n ú m e r o   d e   m a s s a   1   p o r q u e   s ó   t e m   1   p r ó t o n

O 16 : 8   p r ó t o n s + 8   n ê u t r o n s

O núcleo de um átomo com número atômico e número de massa definidos é chamado de nuclídeo. O H 1 1   e o   H 1 2 , por exemplo, são dois nuclídeos diferentes, embora sejam isótopos, já que cada um tem seu próprio número de massa.

Isótopos são átomos que tem o mesmo número de prótons e, por isso, são do mesmo elemento. Porém, eles tem número de massa diferentes: ou seja, a quantidade de nêutrons nos dois é diferente!

MUIIIITO IMPORTANTE: o que define um elemento é seu numero de prótons!!! Átomos que tem o mesmo número de prótons são do mesmo elemento independente do resto 😊 (Ex: os isótopos C 6 12   e   C 6 14 são, ambos, átomos de carbono).

Radioatividade e as partículas radioativas

Em alguns núcleos a força de repulsão próton-próton vence a força que mantém o núcleo unido, e ocorre a ejeção de alguns fragmentos desse núcleo! Esse processo é chamado decaimento nuclear.

As pesquisas com radioatividade envolvem grandes químicos e cientistas, inclusive alguns prêmios Nobel, como Marie Curie e Rutherford. Nessas pesquisas, eles descobriram que alguns elementos emitem naturalmente radiação, ou seja, sofrem um decaimento nuclear espontâneo: esses elementos são chamados radioativos!

Existem 3 partículas que são as mais emitidas: α ,   β e   γ . Essas partículas tem as suas particularidades, e é beeeeem importante entender e saber o que cada uma representa!

  • A partícula α , ou α 2 4 é como se fosse um núcleo de hélio (He) que perdeu seus dois elétrons. Isso é: ela vai ter carga +2 e massa 4 (2 prótons + 2 nêutrons).
  • A partícula β , ou e - 1 0 é como se fosse um életron sendo emitido. Essa partícula tem carga -1 e massa 0, já que não tem nem prótons nem nêutrons 😊
  • A partícula γ não tem carga e nem massa ( γ 0 0 ), e é uma forma de radiação eletromagnética de frequência beeeeeem alta (maior que 10 20 H z ). Essa partícula pode ser considerada como um fóton de energia muito alta que é liberado quando o núcleo sai de um estado de energia mais alta para um de energia mais baixa:

Além dessas 3, os núcleos também podem emitir prótons ( p 1 1 ) , nêutrons ( n 0 1 ) e algumas outras partículas menos comuns, como as antipartículas. As antipartículas são partículas com massa igual à de uma partícula subatômica mas com carga oposta. Um exemplo é o pósitron, representada por β +   o u   e + 1 0   , que tem a mesma massa do elétron mas carga oposta.

Reações nucleares X reações químicas

Todas as reações que descrevem decaimentos nucleares são chamadas de reações ou equações nucleares. Por exemplo:

U 92 238 → T h 90 234 + α 2 4  

A diferença dessas reações pras reações químicas é beeeem importante de entender. Vamos lá:

  1. Quando a gente faz uma reação química com o carbono, por exemplo, todos os seus isótopos vão reagir da mesma forma. Isso é, uma reação como a reação abaixo vai acontecer independente de qual isótopo de carbono está reagindo.

    2. C s + O 2 ( g ) → C O 2 ( g )

    Maaaas em uma reação nuclear, o C 6 14 e o C 6 12 decaem de maneira completamente diferentes! O carbono 14, por exemplo, é usado para datação de fósseis e decai espontaneamente durante muitos anos.

  2. As energias envolvidas nas reações nucleares são geralmente muiiiiiiiiiiiiiito maiores. Por exemplo: a combustão de 1g de metano gera 52kJ de energia, enquanto uma reação nuclear de 1g de urânio-235 gera 8,2 × 10 7 kJ de energia!!

Transmutação nuclear

R a 88 226 → R n 86 222 + α 2 4

Essa reação descreve o decaimento espontâneo do Rádio, que libera uma partícula α , muda seu número de prótons e se transforma no Radônio (Rn).

Toda vez que um elemento radioativo libera prótons, partículas α ou partículas β , ele sofre uma transmutação nuclear. Isso porque a emissão dessas partículas vai alterar o número de prótons do elemento e, assim, ele vai se transformar em outro elemento químico.

O Radônio, nesse caso, é chamado de núcleo filho, porque foi formado pela transmutação de outro núcleo.

E como a gente faz pra balancear essas reações nucleares?

Para as reações nucleares a gente vai se preocupar menos com o número de mols e coeficientes estequiométricos e mais com os números de massa e números de prótons. O importante aqui é respeitar a conservação do número de massa e a conservação do número de prótons.

Vamos pensar num exemplo de exercício: qual elemento é formado quando o oxigênio-15 emite um pósitron?

  • Pra começar, a gente escreve a reação com os números de massa e prótons que a gente sabe! Como é uma transmutação (já que o pósitron vai mexer no número de prótons), vamos representar o elemento formado como X, já que só temos como saber qual elemento vai ser depois de descobrir Z, seu número de prótons.

    • O 8 15 → X Z A + e + 1 0

  • Usando a conservação do número de massa e do número de prótons, se temos 15 como número de prótons de um lado,

    • A + 0 = 15 ,   e ,   l o g o ,   A = 15

    Fazendo a mesma coisa para o número de prótons:

    Z + 1 = 8

    Z = 7

  • Olhando a tabela periódica, podemos descobrir que X é, na verdade, o nitrogênio:

O 8 15 → N 7 15 + e + 1 0

O macetinho para balancear as equações nucleares costuma ser sempre assim: a gente compara o número de massa e o número de prótons dos reagentes e dos produtos! Mas só dá pra ficar craque nisso praticando muiiiiiito.

Vamos lá? 😊

Radioatividade e as partículas radioativas

Reações nucleares X reações químicas

Transmutação nuclear

E como a gente faz pra balancear essas reações nucleares?

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Lista de exercícios PUC-Paraná – Prof. Clayton de Souza – Físico-química II

Um elemento radioativo emite 3 partículas conforme mostrado no esquema abaixo:

Após passar por um campo eletromagnético as partículas seguem caminhos diferentes. Observando o esquema, explique por que ocorreu o deslocamento de duas partículas ( α   e   β ) e uma ( γ ) manteve sua trajetória.

Passo 1

A partícula α contém 2 nêutrons e 2 prótons, e pode ser escrita como α 2 4 . Essa partícula tem carga positiva, já que ela não tem nenhum elétron para equilibrar as cargas positivas dos prótons. Assim, se passarmos essa partícula por uma placa eletricamente carregada, ela vai ser atraída pela placa eletricamente negativa (simplesmente pela força de atração de cargas opostas). Por isso essa partícula é desviada no sentido da placa (-).

Já a partícula β pode ser escrita como β - 1 0 ,   o equivalente a um elétron. Essa partícula, portanto, é carregada negativamente e pelo mesmo princípio da partícula alfa, vai ser atraída para a placa carregada positivamente. Assim, ela vai desviar no sentido da placa (+). Ela é mais desviada que a partícula α porque ela tem massa 0 (enquanto a alfa tem massa 4), ou seja, ela é mais leve e, consequentemente, mais fácil de ser puxada pela força de atração!!

Por fim, a partícula gama é como se fosse um fóton: ela tem massa 0 e carga 0 ( γ 0 0 ), e, portanto, ela não é afetada pelas placas carregadas eletricamente e mantém sua trajetória.

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

Exercício Resolvido #2

Lista de exercícios PUC-Paraná – Prof. Clayton de Souza – Físico-química II

Isótopos radioativos de iodo são utilizados no diagnóstico e tratamento de problemas da tireóide, e são, em geral, ministrados na forma de sais de iodeto. O número de prótons, nêutrons e elétrons no isótopo 131 do iodeto modelo I - 53 131   são, respectivamente:

a) 53, 78 e 52

b) 53, 78 e 54

c) 53, 131 e 53

d) 131, 53 e 131

e) 52, 78 e 53

Passo 1

Lembrando a representação de um íon...

e l e m e n t o c a r g a Z A

Onde A é o número de massa e Z o número de prótons. Como Z = 53 no caso do exercício, já sabemos que esse isótopo do iodo tem 53 prótons.

O número de massa, A , é a soma dos prótons e dos nêutrons. Logo:

A = 131 = Z + n ê u t r o n s

Z = 53             ∴           131 - 53 = n ê u t r o n s

E assim a gente descobre que o número de nêutrons é 78.

Passo 2

Para descobrir o número de elétrons, a gente tem que olhar a carga!

Em um átomo neutro, o número de prótons e elétrons é igual. Já em um íon, a gente tem a carga positiva no caso dos cátions (onde o átomo perdeu elétrons), ou a carga negativa nos ânions (onde o átomo ganhou elétrons).

Como nesse caso a carga é -1, isso significa que o átomo ganhou 1 elétron, virando um ânion e somando um total de:

53   +   1 = 54   e l é t r o n s .

Resposta

Letra B.

Exercício Resolvido #3

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.1 e 21.2

Indique o número de prótons e nêutrons nos seguintes núcleos:

a) M n 25 55  

b)   H g 201

c)   p o t á s s i o - 39

d)   P b 82 207

e)   b i s m u t o - 214

Passo 1

Lembrando como a gente escreve um átomo:

e l e m e n t o Z A

e l e m e n t o - A

Onde A é o número de massa (prótons + nêutrons), e Z o número de prótons.

Como o número de prótons depende somente do elemento, a gente pode ver na tabela periódica o valor de Z independente do isótopo que a gente esteja lidando 😊

a) M n 25 55

Z = 25

n ê u t r o n s = A - Z = 30

b) H g 201

Z = 80   ( o l h a n d o   n a   t a b e l a   p e r i ó d i c a )

n ê u t r o n s = A - Z = 121

c) potássio-39

Z = 19

n ê u t r o n s = A - Z = 20

d) P b 82 207

Z = 82

n ê u t r o n s = A - Z = 125

e) bismuto-214

Z = 83

n ê u t r o n s = A - Z = 131

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

Exercício Resolvido #4

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.5

Escreva equações nucleares balanceadas para os seguintes processos:

a) bismuto-214 sofre decaimento beta

b) ouro-195 sofre captura de elétron

c) potássio-38 sofre emissão de pósitron

d) plutônio-242 emite radiação alfa.

Passo 1

O passo a passo para resolver esse tipo de exercício é tranquilo, é só aplicar aquilo que a gente já sabe: que temos que respeitar a conservação de massa e de prótons 😊

Ou seja, o número de prótons antes tem que ser igual ao número de prótons depois e a mesma coisa com o número de massa!

Dica: você vai precisar de uma tabela periódica para a maioria dos exercícios de química nuclear, ein!

a) bismuto-214 sofre decaimento beta

Vamos começar escrevendo a equação. Se ele sofre um decaimento beta, isso quer dizer que ele vai produzir um núcleo filho + uma partícula beta!

B i 83 214 → β - 1 0 + X Z A

Para descobrir qual é o elemento X , basta a gente descobrir o número de prótons dele e olhar na tabela periódica!

- Conservação do número de prótons:

83 = - 1 + Z

Z = 84

- Conservação do número de massa:

214 = 0 + A

A = 214

Assim, olhando na tabela, descobrimos que a reação final é:

B i 83 214 → β - 1 0 + P o 84 214

Passo 2

b) Agora que você já entendeu o passo a passo, vou um pouquinho mais rápido! Se o ouro sofre captura de elétron, isso quer dizer que ele pega um elétron para ele (e o elétron fica do lado esquerdo da equação):

A u 79 195 + e - 1 0 → X Z A

- Conservação do número de prótons:

79 + ( - 1 ) = Z

Z = 78

- Conservação do número de massa:

A = 195

Logo,

A u 79 195 + e - 1 0 → P t 78 195

Passo 3

c)

K 19 38 → β + 1 0 + X Z A

Conservação do número de prótons:

19 = 1 + Z

Z = 18

Conservação do número de massa:

A = 38

Logo,

K 19 38 → β + 1 0 + A r 18 38

Passo 4

d)

P u 94 242 → α 2 4 + X Z A

Conservação de número de prótons:

94 = 2 + Z

Z = 92

Conservação do número de massa:

242 = 4 + A

A = 238

Assim,

P u 94 242 → α 2 4 + U 92 238

Resposta

a) B i 83 214 → β - 1 0 + P o 8 4 21 4

b) A u 79 195 + e - 1 0 → P t 78 195

c) K 19 38 → β + 1 0 + A r 18 38

d) P u 94 242 → α 2 4 + U 92 238

Exercício Resolvido #5

Lista de exercícios UFPB – Prof. Ary da Silva Maia

  1. O rubídio natural é constituído por cerca de 28% de rubídio 87, radioativo que decai pela emissão de uma partícula beta a estrôncio 87. Escreva a equação nuclear deste decaimento.
  2. O flúor 18 é um isótopo radioativo artificial. Decai pela emissão de um pósitron. Escreva a equação nuclear deste decaimento.

Passo 1

Vamos lá naquele esquema de conservação de massa e de número de prótons!!!

1) O rubídio-87 decai por emissão de partícula beta, então:

R b 37 87 → β - 1 0 + X Z A

Conservação do número de massa:

87 = 0 + A

Conservação do número de prótons:

37 = - 1 + Z

Z = 38

Logo:

R b 37 87 → β - 1 0 + S r 38 87

Passo 2

2)

F 9 18 → β + + X Z A

F 9 18 → e + 1 0 + X Z A

Conservação do número de massa:

18 = 0 + A

A = 18

Conservação do número de prótons:

9 = 1 + Z

Z = 8

Logo:

F 9 18 → e + 1 0 + O 8 18

Resposta

a)

R b 37 87 → β - 1 0 + S r 38 87

b)

F 9 18 → e + 1 0 + O 8 18

Exercício Resolvido #6

Lista de exercícios UNESP – Química Geral II.

Escreva a equação nuclear que descreva cada situação nos itens a seguir:

(a) O césio-137, um dos elementos do lixo radioativo de uma usina nuclear ou uma explosão atômica, emite radiações beta e gama. Escreva a equação nuclear para o decaimento do césio-137.

C s 55 137

(b) O rádio-226, é um emissor alfa e gama. Escreva uma equação nuclear equilibrada de seu decaimento.

R a 88 226

(c) O estrôncio-90 é um emissor beta, sendo que este radionuclídeo está presente no lixo atômico das usinas nucleares. Escreva sua equação nuclear de decaimento.

Passo 1

a)

C s 55 137 → β - 1 0 + γ 0 0 + X Z A

Pela conservação do número de massa e do número de prótons...

A = 137

55 = - 1 + Z

Z = 56

Assim, olhando na tabela periódica:

C s 55 137 → β - 1 0 + γ 0 0 + B a 56 137

Passo 2

b)

R a 88 226 → α 2 4 + γ 0 0 + X Z A

Pela conservação do número de massa e do número de prótons...

226 = 4 + A

A = 222

88 = 2 + Z

Z = 86

A equação balanceada, portanto, vai ser:

R a 88 226 → α 2 4 + γ 0 0 + R n 86 222

Passo 3

c)

S r 38 90 → β - 1 0 + X Z A

Pela conservação do número de massa e do número de prótons...

90 = A

38 = - 1 + Z

Z = 39

A equação final balanceada vai ser:

S r 38 90 → β - 1 0 + Y 39 90

Resposta

a) C s 55 137 → β - 1 0 + γ 0 0 + B a 56 137

b) R a 88 226 → α 2 4 + γ 0 0 + R n 86 222

c) S r 38 90 → β - 1 0 + Y 39 90

Exercício Resolvido #7

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.9

A série natural de decaimento radioativo que começa com U 92 235   pára com a formação do núcleo estável de P b 82 207 . O decaimento acontece por meio de emissões de partículas alfa e beta. Quantas emissões de cada tipo estão envolvidas nessa série?

Passo 1

Para balancear essa reação, precisamos usar a conservação de número de massa e de prótons, mas de um jeito diferente:

U 92 235 → P b 82 207 + a   α 2 4 + b   β - 1 0

Onde a   é o número de partículas alfa emitidas e b   o número de partículas beta. Cada partícula vai contribuir 1x para o balanceamento, então precisamos colocar a   e b na conta!

Se a gente for ver a conservação do número de massa:

235 = 207 + a × 4 + b × 0

Assim...

235 = 207 + 4 a

4 a = 28

a = 7

Portanto, a reação emite 7 partículas alfa.

Passo 2

Para a conservação do número de prótons:

92 = 82 + a × 2 + b × - 1

92 = 82 + 2 a - b

Como a = 7 ,

92 = 82 + 14 - b

b = 4

E a reação emite 4 partículas beta.

A reação completa é, portanto:

U 92 235 → P b 82 207 + 7   α 2 4 + 4   β - 1 0

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

Exercício Resolvido #8

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 283-Exercício 17.12

Complete as seguintes equações de reações nucleares:

a) O 12 → 2 p +   ?

b) C 17 →   ?   + n + β -

c) B a 148 → L a 147 +   ?   + n

d)   N e 18 → β + +   ?

Passo 1

a) Vamos completar a reação com o número de prótons e de massa envolvidos, e depois fazer a conservação do número de massa/número de próton:

O 8 12 → 2   p 1 1   + X Z A

12 = 2 + A

A = 10

8 = 2 + Z

Z = 6

A equação completa, portanto, é:

O 8 12 → 2   p 1 1   + C 6 10

Passo 2

b) C 6 1 7 → X Z A   + n 0 1 + β - 1 0

Pela conservação do número de massa/número de próton:

6 = Z + 0 + - 1

Z = 7

17 = A + 1 + 0

A = 16

A reação completa:

C 6 17 → N 7 16   + n 0 1 + β - 1 0

Passo 3

c)

B a 56 148 → L a 57 147 + x Z A + n 0 1 Pela conservação do número de massa/número de próton:

5 6 = 57 + Z + 0

Z = - 1

1 48 = 147 + A + 1

A = 0

A outra partícula emitida é β ! A equação geral vai ser:

B a 56 148 → L a 57 147 + β - 1 0 + n 0 1

Passo 4

d)

N e 10 18 → β + 1 0 + X Z A

Pela conservação do número de massa/número de próton:

10 = 1 + Z

Z = 9

1 8 = 0 + A

A = 18

A equação completa da emissão de um pósitron é, então:

N e 10 18 → β + 1 0 + F 9 18

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

Exercícios de Livros Relacionados

17.4 Que isótopos do criptônio e do selênio são isótonos (veja o Exercício 17.3) do bromo-80?
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