DISCIPLINA: QUÍMICA
(CINÉTICA QUÍMICA E RADIOATIVIDADE)
Cinética Química: é o estudo da velocidade (“rapidez”) das transformações da matéria e também dos fatores
que influenciam essa velocidade.
O objetivo desse estudo para a ciência é a possibilidade de controlar a velocidade das transformações da matéria, tornando-as mais rápidas ou mais lentas.
Em uma transformação da matéria, a rapidez de transformação dos reagentes em produtos diminui com o passar do tempo. Ou seja, a velocidade da reação não se mantém constante. Por esse motivo estudamos a rapidez das transformações da matéria através da velocidade média.
VELOCIDADE MÉDIA (Vm)
A velocidade média de uma transformação da matéria é a razão (divisão) entre a variação da quantidade de uma substância envolvida (produto ou reagente) e o tempo decorrido.
tempo
) substância da
quantidade (
Vm
A quantidade de substância pode ser expressa em: a) Massa:
b) Número de mols:
c) Volume:
d) Concentração:
Exemplo 1:
(UFSC) A água oxigenada (H2O2) decompõe-se produzindo água e oxigênio, de acordo com a equação: 2H2O2 2H2O + O2
A tabela a seguir demonstra dados obtidos a partir de um determinado experimento onde a concentração inicial de H2O2 era de 0,8 mol.L-1.
Tempo (minutos) [H2O2] (mol/L) [H2O] (mol/L) [O2] (mol/L)
0 0,8 0 0
10 0,5 0,3 0,15
20 0,3 0,5 0,25
30 0,2 0,6 0,3
Calcule:
a) A velocidade de decomposição da água oxigenada no intervalo de 0 a 30 minutos.
t O H O
H t
O H
VH2O2 2 2 2 2final 2 2inicial
L / mol 02 , 0 30 ) 6 , 0 ( ) 0 30 ( ) 8 , 0 2 , 0 (
VH2O2
b) A velocidade de formação do O2 no intervalo de temperatura de 0 a 30 minutos.
t O O t OVO2 2 2 final 2 inicial
L / mol 01 , 0 30 3 , 0 ) 0 30 ( ) 0 3 , 0 (
VO2
c) A velocidade de formação de H2O no intervalo de tempo de 0 a 30 minutos.
t O H O H t O HVH2O 2 2 final 2 inicial
L / mol 02 , 0 30 6 , 0 ) 0 30 ( ) 0 6 , 0 (
VH2O
VELOCIDADE MÉDIA DA REAÇÃO
Para se obter a velocidade média global da reação, divide-se o valor da Vm obtido ou multiplica-se a pelo coeficiente da respectiva substância. Generalizando:
aA + bB cC + dD
No exemplo anterior consideramos a reação: 2H2O2 2H2O + O2
L / mol 01 , 0 2 V
Vmédia H2O2 ou 1 0,01mol/L
V
Vmédia O2 ou 2 0,01mol/L
V
Vmédia H2O
EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO Obs.: Utilize a tabela do exemplo 1 para resolver os exercícios de 1 a 4.
1. Calcule a velocidade de decomposição da água oxigenada no intervalo de 10 a 20 minutos. 2. Calcule a velocidade de formação do O2 no intervalo de tempo de 10 a 20 minutos.
3. Calcule a velocidade de formação da água no intervalo de tempo de 10 a 20 minutos. 4. Calcule a velocidade da reação no intervalo de tempo de 10 a 20 minutos.
5. A tabela abaixo mostra a variação da massa da substância C que se forma na reação A+B 2C Tempo (s) Massa de C existente (g)
0 0
10 5
30 15
50 40
80 60
6. A tabela abaixo fornece as concentrações em quantidade de matéria de B em vários tempos, de acordo com a sua reação com A: 2A + 3B 2C + D
Tempo (min) Concentração em quantidade de matéria de B (mol/L)
0 2,0
2 1,0
5 0,5
8 0,3
11 0,2
Calcule a velocidade média da reação nos seguintes intervalos:
a) de 0 min a 20 min. b) de 2 min a 5 min. c) de 5 min a 11 min.
FATORES QUE ALTERAM A VELOCIDADE (“RAPIDEZ”) DE REAÇÃO
1) Concentração
O aumento da quantidade de reagentes aumenta a interação entre os reagentes. Conseqüentemente, maior a velocidade de reação
2) Temperatura
Quanto maior a temperatura, maior é o grau de agitação das espécies químicas. Isso permite um aumento no número de colisões entre as moléculas, logo maior é a velocidade da reação.
3) Superfície de contato
Quanto maior a superfície de contato, maior é a chance de interação entre os reagentes. Conseqüentemente, maior é a velocidade da reação.
4) Catalisador
O catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma reação química sem sofrer o processo de interação (após a transformação a substância catalisadora continua a mesma, ou seja, não se transforma em produto).
RADIOATIVIDADE
Radiatividade é o fenômeno pelo qual um núcleo estável emite espontaneamente determinadas entidades (partículas e ondas), transformando-se em outro núcleo mais estável.
As entidades emitidas pelo núcleo recebem genericamente o nome de radiação.
O fenômeno da radiatividade é exclusivamente nuclear, isto é, ele se deve unicamente ao núcleo do átomo. Em 1896, Henri Bequerel notou que sais de urânio manchavam um filme fotográfico .
Em 1897, Rutherford, descobriu que as radiações poderiam apresentar carga positiva ou negativa. OS TIPOS DE RADIAÇÕES
Núcleo instável - pai Radiação
Radiação alfa () também denominada raio alfa, são partículas positivas iguais ao núcleo do elemento hélio.
A partícula alfa () apresenta então carga 2+ e massa 4. A representação da partícula alfa é 42ou 42He.
Radiação beta () também chamada de raio beta, são partículas negativas semelhante aos elétrons. A representação da partícula beta é 01.
Radiação gama () também chamada de raio gama, são ondas eletromagnéticas. Esse tipo de radiação acompanha normalmente as radiações alfa () e beta ().
Evidentemente as radiações gama, por serem ondas eletromagnéticas, apresentam carga e massa nula. São representadas por ou 00.
LEIS DA DESINTEGRAÇÃO RADIATIVA
Lei de Soddy ao emitir uma partícula alfa ( 42), o número atômico tem o seu numero diminuído em 2 unidades, e o seu número de massa diminuído em 4 unidades.
Ex.: um núcleo de Tório 232, ao emitir uma partícula alfa, transforma-se em um núcleo de rádio 228, conforme a equação:
232
90Th 22888Ra+42
Lei de Soddy-Fajans ao emitir uma partícula beta (01), o número atômico tem o seu numero aumentado em 1 unidade, e o seu número de massa permanece inalterado.
Ex.: um núcleo de Tório 231, ao emitir uma partícula beta, transforma-se em um núcleo de protactínio 231, conforme a equação:
231
90Th 23191Pa+01
EXERCÍCIOS
1.Qual das seguintes informações é correta?
a)Raios são núcleos de átomos de hélio, formados por 4 prótons e 4 nêutrons. b)O poder de penetração dos raios aumenta com a elevação da pressão.
c)Os raios são elétrons emitidos pelos núcleos dos átomos dos elementos radioativos. d)Os raios são radiações da mesma natureza que os raios e .
2.Na seqüência de desintegrações radiativas: 23490A 23088B 23089C 23090D 22688E. Temos sucessivamente, emissões:
a) , , , . b) , , , . c) , , , . d) , , , . e) , , , .
3.Dada a série de desintegrações 22387A B C D E, identifique os isótopos, os isóbaros e os isótonos.
4.Complete as equações, escrevendo os números atômicos e de massa que estão faltando: a) 23592U Th + 42
b) Ra 22286Rn + 42
c) 21083Bi Po + 01
5.Analise as equações a seguir e responda às questões: 23992U X + 01 X Y + 01
a) Qual a carga e a massa de Y? b) O que Y é em relação a X.
6.Temos o átomo 23592U. Se ele emitir, sucessivamente, duas partículas alfa e quatro partículas beta, qual será o número atômico e o de massa do átomo resultante?
7.(DESAFIO) O número atômico de um átomo A é dado por (3x + 3) e o seu número de massa por (8x). O núcleo desse átomo emite uma partícula e transforma-se em B, cujo número atômico é dado por (4x – 26) e cujo número de massa é dado por (7x + 23). Que partícula (alfa ou beta) A emitiu?
8.Exemplo de cálculo de partículas e emitidas: Em nosso planeta, átomos de urânio 22888Ra podem sofrer sucessivas transformações nucleares até a formação de um núcleo muito estável (23290Th). Teoricamente, quantas emissões e ocorrem na transformação de urânio em chumbo?
Resolução
U
238
92 20682Pb + x[42] + y[01]
1º passo: soma-se os índices superiores para descobrir a quantidade de partículas . Assim: 238 = 206 + x(4) + y(0) 4x = 238 – 206 4x = 32 x = 8 (oito partículas )
2º passo: o cálculo de y (partículas ) será efetuado pela soma dos índices inferiores. Assim: 92 = 82 + x(2) + y(-1)
Como x = 8, temos:
92 = 82 + 8.2 – y 92 = 98 – y y = 6 (seis partículas )
Resposta: haverá emissão de oito partículas e de seis partículas .
9. Quantas partículas alfa e beta o átomo 23191Pa deve emitir, sucessivamente, para se transformar em 20782Pb?
10. Um átomo X, de número atômico 92 e número de massa 235, emite uma partícula alfa e transforma-se num átomo A, o qual, por sua vez, emite uma partícula beta, transformando-se num átomo B. Descubra os números atômico e de massa dos átomos A e B e identifique os isótopos, os isóbaros e os isótonos
MEIA-VIDA
A meia-vida ou período de semidesintegração (p) é o intervalo de tempo em que se desintegram a metade dos átomos radioativos de um material.
Vamos, agora, ver um esquema para que você possa visualizar melhor o significado da meia-vida ou período de semidesintegração (p):
→ átomo radioativo → átomo gerado
decorre um tempo igual a p decorre um tempo igual a p
Além, do número de átomos radioativos, a massa também é reduzida à metade após transcorrido um período de semidesintegração.
Assim: n0 P n0 P n ...0
2 4
; ...
4 m 2
m
m0P 0P 0 Onde n0 = número inicial de átomos radioativos.
m0 = número inicial de massa radiativa.
Vamos estabelecer uma fórmula para resolução de problemas que envolvem a meia-vida de um material radioativo:
1 2 3
m
οm
tempo transcorrido
=
número de meia-vida
∴
⇒
0 = massa radioativa inicial.
= massa radiativa após um tempo t. = tempo.
= período de meia-vida.
Exemplo 1. O xenônio-133, usado em pesquisas sobre os pulmões, tem meia-vida igual a cinco dias. Se uma amostra contiver 200 mg de xenônio-133, qual será a massa restante desse átomo radioativo após quinze dias? Resolução
Substituindo as representações das grandezas pelos valores correspondentes na equação. Temos:
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
Resposta: =25 mg.
EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO
2. A meia-vida de um isótopo radiativo é de 12h. Após 48h de observação, sua massa tem 12,5g. Determine a massa desse isótopo no início da contagem do tempo.
3. A meia-vida do urânio-235 é de 7,15. 108 anos. Partindo de 300g desse isótopo, que massa restará após 2,145. 109 anos?
4. 20g de um isótopo radiativo, após 21 anos, decresceram para 10g. Que massa restará após 84 anos?
5. A meia-vida de um isótopo radiativo é de 105 anos. Quanto tempo levará para que a massa de 300g desse material se reduza a 37,5g?
6. A meia-vida do isótopo 13153I é igual a 20h. Considerando uma massa inicial de 30 mg, qual o tempo necessário para que ela se reduza a 0,9375 mg?
7. Um elemento radioativo genérico 21082X sofre transmutação, emitindo duas partículas betas e uma alfa. Sabendo-se que uma amostra de 10 gramas irá se reduzir a 1,25 gramas em 66 anos. Pergunta-se: qual o seu período de meia-vida e o elemento final da desintegração.
ATIVIDADE DE PRODUÇÃO
Leia o texto abaixo e responda as questões:
NUCLEOELÉTRICA: O aproveitamento da energia nuclear na geração de energia elétrica, como é feito hoje em dia, foi resultado de muitos estudos que procuravam entender e controlar o comportamento dos núcleos e suas interações com as radiações.
Considere como a energia é gerada numa usina nuclear:
O urânio é colocado em cilindros metálicos no núcleo do reator que é constituído de um material moderador (geralmente grafite) para diminuir a velocidade dos nêutrons emitidos pelo urânio em desintegração, permitindo as reações em cadeia. O resfriamento do reator do núcleo é realizado através de líquido ou gás que circula através de tubos, pelo seu interior. Este calor retirado é transferido para uma segunda tubulação onde circula água. Por aquecimento esta água se transforma em vapor (a temperatura chega a 320oC) que vai movimentar as pás das turbinas que movimentarão o gerador, produzindo eletricidade.
Depois este vapor é liquefeito e reconduzido para a tubulação, onde é novamente aquecido e vaporizado.
Ou seja, numa usina nuclear, a reação nuclear gera energia, que é utilizada para vaporizar água. O vapor d’água
• Não contribui para o efeito estufa;
• Não polui o ar com gases de enxofre, nitrogênio, etc.; • Não utiliza grandes áreas de terreno;
• Não depende de fenômenos climáticos, como, chuvas; • Pouco impacto sobre a biosfera.
Desvantagens:
• Necessidade de armazenar o resíduo nuclear em locais isolados e protegidos; • É mais cara quando comparada às demais fontes de energia;
• Os resíduos produzidos emitem radiatividade durante muitos anos; • Grande risco de acidente nuclear;
• Dificuldades no armazenamento de resíduos, principalmente em questões de localização e segurança. HIDRELÉTRICA: A força hidrelétrica começou a ser utilizada em meados do século 20, mas a idéia de usar a água para gerar energia existe há milhares de anos. Uma usina hidrelétrica é, na verdade, um moinho de água gigante.
Considere como a energia é gerada numa usina hidrelétrica:
Para aproveitar o potencial hidrelétrico de um rio, geralmente interrompe-se seu curso normal através de uma barragem que provoca a formação de um lago artificial chamado reservatório. A água captada no lago formado pela barragem é conduzida até a casa de força através de canais, túneis e/ou condutos metálicos (duto). Após passar pela turbina hidráulica, na casa de força, a água é restituída ao leito natural do rio, através do canal de fuga.
Dessa forma, a potencia hidráulica é transformada em potencia mecânica quando a água passa pela turbina, a potencia mecânica é transformada em potencia elétrica. A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras, dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão (voltagem) elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. Daí, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão levada a níveis adequados para utilização pelos consumidores.
Ou seja, Numa usina hidrelétrica, a produção de eletricidade utiliza a energia da queda d’água de um rio associada ao volume de água disponível num reservatório formado por uma barragem. A água represada é conduzida para o interior da casa de força, através de dutos para movimentar as turbinas; A rotação da turbina faz girar o rotor de um gerador que produz energia elétrica.
Vantagens:
• Energia barata; • É renovável. Desvantagens:
• Gera impacto ambiental, como, alagamento de áreas produtivas ou florestas, aumento no nível dos rios e modificações na fauna e na flora;
• Como as hidrelétricas ficam afastadas dos centros de consumo, também devem ser considerados os impactos adicionais relativos à construção de longas linhas de transmissão e as perdas de energia decorrentes.
1. Compare a usina nuclear com uma hidrelétrica em relação à fonte de energia utilizada.
2. Faça uma pesquisa sobre o elemento urânio, abordando suas características, como, número atômico, número de massa, aplicações, localização na tabela periódica, origem do nome, etc.
3. No reator de uma usina nuclear há um material que é utilizado para diminuir a velocidade dos nêutrons emitidos pelo urânio em desintegração. Qual o nome desse material? Em sua opinião, porque o homem tem o conhecimento de que esse material controla a velocidade de desintegração do urânio?
