Chapter 9: Radioactivity and Nuclear Chemistry

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9.1:

Radioatividade e Equações Nucleares

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Radioactivity and Nuclear Equations

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A região mais densa de um átomo é o núcleo, que contém prótons e nêutrons coletivamente chamados núcleos. O tipo de átomo definido por um número específico de prótons e nêutrons é referido como um nuclídeo. A notação para um nuclídeo compreende um símbolo de elemento, número atómico e número de massa.Uma das várias notações para os nuclídeos utiliza o nome do elemento, um hífen e o número de massa. Nuclídeos com o mesmo número atómico mas com diferentes números de massa são chamados isótopos um do outro. Assim, o carbono tem três isótopos aqui mostrados.Os nuclídeos também são caracterizados pelo seu estado energético. Por exemplo, o único isótopo technetium-99 existe em dois estados diferentes:no estado do solo de baixa energia e no estado de excitação de longa duração chamado estado metastável. Estas duas espécies, embora tenham o mesmo número de prótons e nêutrons, são nuclídeos diferentes.Curiosamente, alguns elementos na tabela periódica têm nuclídeos estáveis, que permanecem intactos indefinidamente. Em contraste, alguns elementos têm apenas nuclídeos instáveis, chamados radionuclídeos. Por exemplo, a desintegração nuclear espontânea do urânio-238 produz tório-234.O processo é denominado de desintegração radioativa O nuclídeo derivado produzido durante a desintegração pode ser estável ou radioativo. O processo é acompanhado pela emissão de pequenos fragmentos ou radiação eletromagnética. As partículas Alfa são equivalente aos núcleos de hélio.A sua emissão reduz o número atómico em 2 e o número de massa em 4. As partículas Beta são equivalentes aos elétrons;quando emitidos, o número atómico da nuclídeo derivada aumenta em 1. Como eles transportam uma carga negativa, esta chama-se de radiação beta-menos.A emissão de um pósitron, que tem a mesma massa que um elétron, mas carga oposta, diminui o número atómico em 1. É frequentemente denominado de emissão beta-mais. Os raios gama são radiação eletromagnética de alta energia cuja emissão não altera nem o número atómico nem o número de massa.A emissão de prótons diminui o número de massa e o número atómico em 1 cada, enquanto a emissão de nêutrons reduz o número de massa em 1. As equações nucleares identificam a diferença entre o nuclídeo principal e o nuclídeo derivado e indicam a natureza da desintegração. A desintegração radioativa do urânio-238 em tório-234 é acompanhada pela emissão de partículas alfa.As equações nucleares são equilibradas tal como as equações químicas. A soma dos números de massa são os mesmos em cada lado da equação. Como se trata de uma desintegração alfa, Também a soma dos números atómicos o é.

9.1:

Radioatividade e Equações Nucleares

A química nuclear é o estudo das reações que envolvem mudanças na estrutura nuclear. O núcleo de um átomo é composto por protões e, excepto para o hidrogénio, neutrões. O número de protões no núcleo é chamado de número atómico (Z) do elemento, e a soma do número de protões e do número de neutrões é o número de massa (A). Átomos com o mesmo número atómico, mas números de massa diferentes são isótopos do mesmo elemento.

Um nuclídeo de um elemento tem um número específico de protões e neutrões e está em um estado de energia nuclear específico. A notação para um nuclídeo é , onde X é o símbolo do elemento, A é o número de massa, e Z é o número atómico. Existem também várias notações mais curtas para nuclídeos, muitas das quais omitem o número atómico. Por exemplo, pode ser escrito carbono-14, C-14, ou ¹⁴C.

Se o nuclídeo estiver em um estado excitado temporário, isso é normalmente indicado com um asterisco. Se estiver em um estado excitado de longa duração, chamado de estado metastável, isso é denotado adicionando ‘m’ ao número de massa. Por exemplo, o isótopo tecnécio-99 existe como estado fundamental e metastável . Se houver mais de um estado metastável para um dado isótopo, eles são numerados por ordem crescente de energia. Por exemplo, o isótopo tântalo-180 tem cinco nuclídeos: o estado fundamental e estados metastáveis , , , e .

As reações nucleares são as transformações de um ou mais nuclídeos para outro, que ocorrem através de alterações nos números atómicos, números de massa, ou estados de energia nuclear dos núcleos. Para descrever uma reação nuclear, utilizamos uma equação que identifica os nuclídeos e as partículas envolvidas na reação. Tal como acontece com as reações químicas, as reações nucleares obedecem à conservação da massa: a soma dos números de massa dos reagentes equivale à soma dos números de massa dos produtos.

Muitas partículas ou fotões diferentes podem estar envolvidos em reações nucleares. Os mais comuns incluem partículas alfa (α ou ), que são núcleos de hélio-4 de alta energia; partículas beta (β), que incluem eletrões (e⁻ ou β⁻) e positrões (e⁺ ou β⁺); raios gama (γ); neutrões (); e protões (p⁺ ou ).

Alguns nuclídeos permanecem intactos indefinidamente, ou são estáveis, enquanto que outros se transformam espontaneamente em outros nuclídeos, ou são instáveis. A mudança espontânea de um nuclídeo instável para outro é o decaimento radioativo. O nuclídeo instável é chamado de nuclídeo pai, e o nuclídeo que resulta do decaimento é conhecido como nuclídeo filha. O nuclídeo filha pode ser estável, ou pode decair.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability e Openstax, Chemistry 2e, Section 21.2: Nuclear Equations.

Fontes Adicionais

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compilado por A. D. McNaught e A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Versão online (2019-) criada por S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Acedido a 2021-01-10

International Atomic Energy Agency, Nuclear Data Section. Live Chart of Nuclides. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Acedido a 2021-01-10