Carbono-14

O carbono-14 é um dos isótopos naturais do carbono, porém encontrado apenas na atmosfera, já que é produzido por ação dos raios cósmicos sobre núcleos de nitrogênio-14. O carbono-14, em relação ao isótopo mais estável do carbono, possui dois nêutrons a mais. Sua peculiaridade é o fato de ser radioativo, com uma meia-vida de 5730 anos.

O carbono-14 é utilizado para datação de materiais carbonáceos, como fósseis e demais matérias orgânicas, que tenham até, aproximadamente, 55 mil anos. Há sempre uma pequena quantidade de carbono-14 nos seres vivos e vegetais, uma vez que ele é introduzido na cadeia alimentar por meio da fotossíntese. Contudo, apesar de radioativo, o carbono-14 não é considerado um radioisótopo perigoso.

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Resumo sobre carbono-14

• O carbono-14 (¹⁴C) é um isótopo natural e radioativo do elemento químico carbono.
• É encontrado na atmosfera, onde é produzido por ação de raios cósmicos sobre os núcleos de nitrogênio 14 (¹⁴N).
• A meia-vida do carbono-14 é igual a 5730 anos, o que permite que ele seja utilizado na datação de materiais carbonáceos de até 55 mil anos.
• Os seres vivos mantêm uma quantidade de ¹⁴C constante ao longo da vida, o qual é introduzido na cadeia alimentar principalmente por meio da fotossíntese.
• Apesar de radioativo, o carbono-14 não é considerado perigoso para os seres vivos.

O que é o carbono-14?

O carbono-14 (ou ¹⁴C, ou carbono-14) é um dos isótopos naturais do carbono, elemento de número atômico 6, porém com 2 nêutrons a mais que a forma mais estável do carbono, que é o carbono 12. Sua peculiaridade é a sua radioatividade, com uma meia-vida de 5730 anos, a qual é ideal para datação de fósseis e demais matérias orgânicas que tenham até 55 mil anos.

Características do carbono-14

O carbono-14, em relação ao carbono-12 (forma isotópica mais estável do elemento carbono) possui dois nêutrons a mais em seu núcleo. Assim sendo, além dos seis prótons característicos do elemento carbono, ele também possui oito nêutrons.

O carbono-14 é radioativo, com uma meia-vida (tempo necessário para a quantidade desse radioisótopo cair pela metade) de 5730 anos. Ele é um beta emissor e a energia máxima gerada nesse processo é de 154 keV (quilo-eletronvolts).

No corpo humano, a quantidade de carbono-14 já atingiu um equilíbrio, mantendo-se praticamente constante ao longo de nossa vida. A dose ionizante de carbono-14 produzida em nosso corpo é baixa, na faixa dos 10 µSv/ano.

Para que serve o carbono-14?

A principal função do carbono-14 é a datação de materiais que contenham carbono na sua composição até cerca de 55 mil anos. De forma simples, os seres vivos assimilam ¹⁴C por meio da alimentação de vegetais e produtos de origem animal. Quando eles vêm a falecer, a assimilação de ¹⁴C cessa e, assim, não há renovação deste no organismo, sofrendo apenas o seu decaimento radioativo, cuja meia-vida é de 5730 anos.

É possível medir a concentração residual de carbono-14 por meio de uma técnica conhecida como espectrometria de massas com aceleradores (AMS), que permite acelerar os isótopos de carbono presentes em velocidades altíssimas, separando-os por sua pequena diferença de massa com grande precisão.

O mais interessante é que essa técnica permite ainda ignorar elementos mais abundantes que possuem a mesma massa do carbono-14, como o nitrogênio 14, que é o isótopo mais estável do elemento químico nitrogênio.

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Como funciona o carbono-14?

O carbono-14 é absorvido em nosso corpo da mesma forma que os demais isótopos desse elemento, ou seja, por meio da alimentação de vegetais e animais. Da mesma forma que o carbono-12, o carbono-14 é assimilado pelos organismos fotossintetizantes, chegando à cadeia alimentar.

Uma vez em nosso corpo, seu tempo de meia-vida biológico é de cerca de 12 dias nos tecidos mais macios e na gordura. Assim, enquanto estamos vivos, ele acaba sendo eliminado e ingerido, de tal forma que a concentração de ¹⁴C não se altera (atinge um equilíbrio dinâmico).

Onde é encontrado o carbono-14?

O carbono-14 é basicamente encontrado na atmosfera, mais especificamente na estratosfera e na troposfera, na forma de ¹⁴CO₂. Até então não se encontraram fontes naturais de carbono que possuam níveis significativos de carbono-14 de modo a interferir na abundância isotópica do carbono. A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) considera apenas os isótopos ¹²C e ¹³C para a composição da massa atômica do carbono.

O ¹⁴CO₂ apresenta grande tempo de retenção na estratosfera e a troca com a troposfera é muito lenta, fazendo com que a quantidade de ¹⁴CO₂ fornecida para a troposfera seja praticamente constante.

Meia-vida do carbono-14

A meia-vida é entendida como o tempo necessário para a quantidade de uma amostra radioativa cair pela metade. No caso do carbono-14, esse tempo de meia-vida é de 5730 anos. Esse valor é relativamente recente, uma vez que, na década de 1950, o valor para a meia-vida do ¹⁴C era de 5568 anos.

Carbono-14 é radioativo?

O carbono-14 é um isótopo radioativo do carbono, sendo um beta emissor. Contudo, a radiação produzida pelo ¹⁴C em nosso corpo não atinge níveis perigosos.

\({}_{6}^{14}\mathrm{C} \rightarrow {}_{7}^{14}\mathrm{N} + {}_{-1}^{0}\beta\)

Formação do carbono-14

O carbono-14 é um radionuclídeo cosmogênico, ou seja, é produzido por conta da ação dos raios cósmicos em nossa atmosfera. De forma mais específica, os raios cósmicos são partículas altamente energéticas oriundas do espaço sideral (principalmente prótons). Ao adentrarem na atmosfera, sofrem transformações, e uma delas inclui a produção de nêutrons, os quais são capazes de converter o nitrogênio-14 em carbono-14, conforme demonstrado no processo a seguir.

Depois, o carbono-14 vai sendo oxidado por ação do gás oxigênio (O₂) presente, primeiro se transformando em ¹⁴CO e, depois, em ¹⁴CO₂.

Exercícios resolvidos sobre carbono-14

Questão 1. (Uneb – 2º dia/2024) Em 1946, a Química forneceu as bases científicas para a datação de artefatos arqueológicos, usando o ¹⁴C. Esse isótopo é produzido na atmosfera pela ação da radiação cósmica sobre o nitrogênio, sendo posteriormente transformado em dióxido de carbono. Os vegetais absorvem o dióxido de carbono e, através da cadeia alimentar, a proporção de ¹⁴C nos organismos vivos mantém-se constante. Quando o organismo morre, a proporção de ¹⁴C nele presente diminui, já que, em função do tempo, se transforma novamente em ¹⁴N. Sabe-se que, a cada período de 5730 anos, a quantidade de ¹⁴C reduz-se à metade. Um determinado fragmento fóssil foi encontrado e a taxa de ¹⁴C representava cerca de 1/4 do valor normal.

Com base nas informações anteriores, o arqueólogo pode afirmar que tal objeto é parte de uma espécie que viveu, em anos, há, aproximadamente:

a) 573.

b) 5730.

c) 1140.

d) 11500.

e) 18200.

Resposta: Letra D.

Pelo conceito de meia-vida, a cada 5730 anos, a quantidade de ¹⁴C cai pela metade, ou seja, a cada 5730 anos, a sua massa é multiplicada por 0,5.

Sendo assim, são necessários dois tempos de meia-vida para que a quantidade de ¹⁴C caia a ¼ (0,5 x 0,5), o que totalizam 11460 anos.

Questão 2. (UPE – 1ª Fase – 2º dia – SSA/2023) Uma das formas de fazer a datação de achados arqueológicos é a partir do decaimento radioativo do isótopo 14 do carbono (C-14), que tem tempo de meia-vida de 5700 anos. Um fóssil de réptil foi encontrado num sítio arqueológico, com atividade radioativa de C-14 corresponde a 6,25% da atividade de quando a espécie viveu na região.

Assinale a alternativa que apresenta a idade CORRETA do fóssil encontrado.

a) 11400 anos

b) 17100 anos

c) 22800 anos

d) 34200 anos

e) 57000 anos

Resposta: Letra C.

No início do processo, a atividade de C-14 era de 100%. Após um tempo de meia-vida, essa atividade caiu para 50%. Mais um tempo de meia-vida e a atividade caiu para 25%. Com o terceiro tempo de meia-vida, a atividade caiu para 12,5% do que era inicialmente. Por fim, após um quarto tempo de meia-vida, a atividade caiu para 6,25% do que era inicialmente.

Como foram 4 tempos de meia-vida, podemos dizer que foram decorridos 4 x 5700 anos, o que totalizam 22800 anos.

Créditos da imagem

^[1] Annet_ka / Shutterstock

Fontes

GÄGGELER, H.; SZIDAT, S. Nuclear dating. In: Nuclear- and Radiochemistry. v.2, cap. 5, 2a ed. Berlim, Alemanha: Walter de Gruyter GmbH, 2022

OBODOVSKIY, I. Radionuclide Sources of Ionizing Radiation. In: Radiation – Fundamentals, Applications, Risks, and Safety. Cap. 17. 1ª ed. Amsterdam, Países Baixos: Elsevier B. V., 2019.

COMMISSION ON ISOTOPIC ABUNDANCES AND ATOMIC WEIGHTS – CIAAW. Carbon. CIAAW. Disponível em: <https://ciaaw.org/carbon.htm>.