Está estudando para as provas dos seletivos militares? Então não deixe de conferir este resumo do conteúdo de Química, feito com base nas aulas do Prof. Thiago Cardoso. Entenda a estabilidade nuclear e se aprofunde no tema da Radioatividade!
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O que é a estabilidade nuclear?
O núcleo de um átomo está constantemente submetido a forças de atração e repulsão – que, dependendo de seu arranjo, o tornam mais ou menos estável. Entre dois prótons existe sempre a força de repulsão de natureza eletrostática, que tende a partir o núcleo. Em contrapartida, existem as forças nucleares de atração entre próton-próton, próton-nêutron e nêutron-nêutron.
Essas forças, porém, possuem um alcance muito pequeno – de cerca de 2-3 fm. Devido a essa limitação, os núcleos maiores tendem a ser instáveis, de tal forma que não se conhecem elementos estáveis com número atômico maior que o urânio (Z = 92). Acima dele, todos são artificiais, conhecidos como transurânicos.
É possível também encontrar elementos artificiais com número atômico menor que o urânio. Eles são conhecidos como cisurânicos, e há apenas dois deles: o tecnécio (Z = 43) e o promécio (Z = 61).
Razão N/P
O hidrogênio leve (prótio ou hidrogênio-1) é o único núcleo formado por apenas um nucleon 1𝐻1. Esse átomo é formado só por um próton e por um elétron. Sendo assim, não existe repulsão nuclear. E, por isso, esse núcleo é bastante estável.
Em todos os demais elementos químicos, existem interações entre prótons e nêutrons. Os prótons se repelem e os nêutrons suavizam essa repulsão. Portanto, a estabilidade de um núcleo depende do número de prótons e de nêutrons presentes.
Nos elementos abaixo de Z = 20 – ou seja, do cálcio -, os isótopos mais estáveis dos elementos seguem as regras gerais:
- Quando o número atômico é par, o número de nêutrons é igual ao número de prótons, sendo o berílio e o argônio as únicas exceções;
- Quando o número atômico é ímpar, o número de nêutrons é uma unidade superior ao número de prótons, sendo o hidrogênio e o nitrogênio as únicas exceções.
Confira a seguir uma versão especial da Tabela Periódica, em que apresentamos os isótopos mais estáveis dos 20 primeiros elementos:
Dessa maneira, os isótopos mais estáveis dos primeiros elementos da Tabela Periódica apresentam a razão N/P igual a aproximadamente 1. À medida que o número atômico do elemento cresce, a razão N/P começa a ficar significativamente mais alta.
Uma observação interessante é que dificilmente um núcleo é estável com número de prótons e nêutrons ímpares. O nitrogênio-14, que possui 7 prótons e 7 nêutrons, é um desses raros casos.
Veja a relação entre número de prótons e número de nêutrons nos isótopos mais estáveis de cada elemento:
Defeito de massa
Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo revolucionário chamado “A inércia de um corpo depende da sua quantidade de energia?” em que propôs a equivalência entre massa e energia como um princípio geral da Física – ou seja, a massa e a energia seriam conversíveis entre si.
Dessa maneira, a massa poderia ser aniquilada, resultando em energia, ou produzida a partir da reunião de fótons. A relação entre essas duas grandezas é regida por uma das equações mais famosas da história:
Apesar de muito simples, essa equação trata de fenômenos de altíssima complexidade. Para fazer as contas, é conveniente conhecer o valor da velocidade da luz nas unidades adequadas.
𝑐2 = 931,5 𝑀𝑒𝑉/𝑢
Somente em 20 de novembro de 2008 foi confirmado experimentalmente pela primeira vez que a massa do próton provém da energia liberada por quarks e glúons. Essa foi a comprovação prática da relação entre massa e energia, conforme havia sido teorizado por Einstein mais de cem anos antes.
Uma das mais sérias consequências desse princípio é que a massa de um núcleo estável, exceto o núcleo do hidrogênio-1, é sempre inferior às massas somadas dos prótons e nêutrons que o constituem.
Como exemplo, temos o núcleo do hélio-4. As massas dos prótons e nêutrons isolados é tabelada:
𝑚𝑃 = 1,007825 𝑢
𝑚𝑁 = 1,008665 𝑢
Já a massa medida para o núcleo de hélio-4 é de 4,002603 u. Para saber a massa total dos 2 prótons e 2 nêutrons que constituem o núcleo do hélio-4 basta somar tudo:
𝑚′ = 2.1,007825 + 2.1,008665 = 2,015650 + 2,017330 = 4,032980 𝑢
Perceba, portanto, que, ao ser formado o núcleo do átomo de hélio, ocorre uma redução de massa que pode ser calculada pela diferença entre as somas das massas dos prótons e nêutrons e a massa total do núcleo.
Δ𝑚 = 𝑚′ − 𝑚 = 4,032980 − 4,002603 = 0,030377 𝑢
Portanto, ao ser formado o núcleo de hélio-4, ocorre uma perda de 0,030377 u. A energia liberada correspondente a essa perda é:
𝐸 = Δ𝑚 𝑐2 = 0,030377.931,5 ≅ 28,3 𝑀𝑒𝑉
Dessa maneira, são liberados 28,3 MeV na formação do hélio-4. Essa energia é denominada energia de ligação nuclear.
Para quebrar o núcleo de hélio-4, seria necessário fornecer exatamente essa energia 28,3 MeV. Essa energia é mais alta do que praticamente todos os processos que ocorrem na eletrosfera. Por exemplo, a energia necessária para remover completamente um dos elétrons do hélio é 24,6 eV – essa é a chamada energia de ionização.
Cálculo da Velocidade da luz MeV/u
A velocidade da luz é de 3.108 m/s nas unidades do Sistema Internacional.
𝑐2 = (2,998.108)2 = 8,998. 1016𝑚2. 𝑠−2
O Joule, unidade do SI de energia, é 1 J = 1 kg. m². s-². Dessa maneira, podemos converter a unidade do quadrado da velocidade.
A unidade de massa pode ser convertida em gramas, lembrando-nos que 1 kg = 10³ g.
Agora, podemos usar a definição da unidade de massa atômica e do número de Avogadro:
Basta, portanto, substituir:
Por fim, devemos converter a unidade de energia de Joules para eV. A conversão é feita com a carga elementar.
Agora, basta fazer a conversão de Joule em elétron-volt na conta c².
Chegamos bem próximos do valor tabelado. Para calcular exatamente 931,5 MeV/u, basta
utilizar valores mais precisos para a velocidade da luz no vácuo, para o número de Avogadro e para a carga eletrônica fundamental.
Ilhas de Estabilidade
Sabemos que os gases nobres são os únicos elementos que possuem eletrosferas estáveis e, por isso, são também os únicos que se apresentam na forma de substâncias simples monoatômicas. Todos os demais elementos precisam se combinar por meio de alguma ligação química para formar uma substância mais estável.
O número de elétrons dos gases nobres é referenciado como um número mágico. É como se os átomos que tivessem essa quantidade de elétrons fossem particularmente estáveis.
| Elemento | Número Mágico | Configuração Eletrônica do Último Nível |
|---|---|---|
| Hélio | 2 | 1s² |
| Neônio | 10 | 2s²2p6 |
| Argônio | 18 | 3s²3p6 |
| Criptônio | 36 | 4s²4p6 |
| Xenônio | 54 | 5s²5p6 |
| Radônio | 86 | 6s²6p6 |
Os números de elétrons 2, 10, 18, 36, 54 e 86 são os números mágicos da eletrosfera. Átomos que possuem essa quantidade de elétrons seriam particularmente estáveis. Nesse caso, os gases nobres possuem a sua última camada preenchida exatamente como ns²np6, exceto o hélio.
Acredita-se também que, assim como a eletrosfera, o núcleo deve ter algum tipo de distribuição de camadas de prótons e nêutrons. Segundo essa teoria, os níveis de energia do núcleo também seriam quantizados e existiria uma certa configuração de camadas que tornaria o núcleo particularmente estável.
Os núcleos com esse tipo de configuração seriam chamados de ilhas de estabilidade. Essa ideia foi proposta originalmente por Glenn T. Seaborg e é coerente com alguns fatos experimentais conhecidos:
- Existe uma quantidade muito maior de núcleos com números de prótons e nêutrons pares estáveis:
- Núcleos contendo 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 prótons ou nêutrons são especialmente estáveis. Por exemplo, o núcleo 82𝑃𝑏208 é o isótopo de maior número atômico estável conhecido, e ele possui exatamente 82 prótons e 126 nêutrons (208 – 82 = 126).
É interessante observar que o isótopo mais estável a natureza é o 26𝐹𝑒56 que possui 26 prótons e 30 nêutrons, portanto, foge aos números mágicos propostos atualmente. Um importante teste para essa hipótese será quando o elemento de número atômico 126 for sintetizado. Será que é possível obter um isótopo estável desse elemento?
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