Química Nuclear

A Química Nuclear é uma área de estudo da Química que é mais focada no estudo das propriedades químicas e estrutura do núcleo do átomo. Quanto mais pesado for o núcleo atômico, mais significativo é o papel deste nas propriedades do átomo. Os átomos com número atômico acima de 84 apresentam isótopos com núcleos instáveis, sendo estes amplamente estudados pela Química Nuclear.

Leia também: O que é radioatividade?

Resumo sobre a Química Nuclear

• A Química Nuclear estuda as propriedades químicas e a estrutura do núcleo atômico.
• O núcleo atômico apresenta um papel mais significativo para as propriedades do átomo conforme sua massa aumenta.
• A Química Nuclear é importante para diversos campos, contribuindo para desenvolvimento tecnológicos em áreas acadêmicas, medicinais e industriais.
• A Química Nuclear trabalha conceitos envolvendo a radioatividade, como a desintegração nuclear, o tempo de meia-vida, reações nucleares, etc.

Conceito de Química Nuclear

A Química Nuclear é uma área específica da Química mais centrada no estudo das propriedades químicas e estrutura do núcleo atômico. Embora boa parte da Química pareça ser centrada nos elétrons, deve-se atentar que os núcleos de átomos mais pesados apresentam um papel mais significativo em suas propriedades.

Vale lembrar que todos os átomos com número atômico acima de 84 (ou seja, a partir do polônio) apresentam isótopos cujos núcleos se desintegram naturalmente, em um fenômeno conhecido como radioatividade.

Áreas da Química Nuclear

• Produção de novos elementos: o processo de produção de elementos novos e superpesados é realizado em laboratórios por meio de reações de fusão nuclear.

• Pesquisa acadêmica: uma aplicação essencial dessa área se dá por meio da espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), que permite a determinação de estruturas e identificação de compostos desconhecidos.

• Diagnósticos clínicos: obtenção de imagens por ressonância magnética também é muito aplicada no cotidiano da medicina diagnóstica, uma vez que a técnica permite a produção de informações essenciais acerca da estrutura do corpo, as quais são muito difíceis de obter por outros métodos, ao passo que é uma técnica segura. Assim, a ressonância magnética pode ser usada para detecção de tumores, inflamações, inchaços, bloqueios, vazamento de fluidos e danos nos órgãos. Também é aplicada para diagnosticar problemas no sistema nervoso, como demência, esclerose múltipla e a doença de Alzheimer.

• Radioterapia: a radiação pode ser aplicada para destruir células cancerosas, em um processo conhecido como radioterapia. No caso, o paciente recebe altas doses de radiação na região tumorosa, seja por meio da aplicação de raios X de alta energia, ou pela ingestão de materiais radioativos.

• Radiofármacos: são medicamentos com finalidade diagnóstica ou terapêutica, contendo um ou mais radionuclídeos. Tais medicamentos, além do radionuclídeo, possuem um vetor fisiológico que, quando administrado, tem fixação preferencial em um determinado tecido ou órgão. São úteis no diagnóstico e no tratamento de doenças. Após a administração, é possível rastrear o radiofármaco por meio da emissão de suas radiações, permitindo a aquisição de imagens ou o efeito terapêutico desejado, de forma que seu tempo de eliminação não seja suficientemente longo para que as radiações ionizantes afetem o paciente.

• Datação: isótopos radioativos decaem em quantidade dentro de um tempo constante, conhecido como tempo de meia-vida. Dessa forma, radioisótopos que apresentam tempos de meia-vida grandes são utilizados para datação de fósseis e matéria inorgânica, tais como rochas e solos. Isso traz boas leituras acerca da geocronologia do nosso planeta, o que auxilia, inclusive, em estimar o tempo de vida da Terra, além da datação de fósseis e quaisquer outros restos orgânicos de animais que já tenham habitado o planeta.

• Energia nuclear: os processos nucleares, quando ocorrem, envolvem grande quantidade de energia. Dessa forma, pode-se aproveitar esse quantitativo energético para produção de energia elétrica, como é o que ocorre em usinas nucleares. Embora produza poucos rejeitos e não emita derivados de carbono no processo de produção, erros em usinas nucleares podem levar a catástrofes, como no caso dos incidentes de Three Mile Island (1979, EUA), Chernobyl (URSS, atualmente Ucrânia, 1986) e Fukushima (2011, Japão). Além disso, o rejeito nuclear não possui tratamento, sendo necessário enterrá-lo em estruturas adequadas após sua completa utilização.

Química nuclear e radioatividade

Pode-se dizer que a Química Nuclear se inicia com a descoberta e o entendimento da radioatividade. Nesse sentido, sua história começa 1896, quando o cientista francês Henri Becquerel percebeu que uma amostra de óxido de urânio foi capaz de escurecer placas fotográficas, mesmo com elas tendo sido cobertas com um material opaco, fazendo com que Becquerel suspeitasse da emissão de radiação por parte da amostra de óxido de urânio.

Posteriormente, a doutoranda franco-polonesa Marie Sklodowska Curie demonstrou que a radiação era emitida pelo urânio, independentemente do composto em que ele estivesse presente. Tal fenômeno foi nomeado como radioatividade por Marie Curie, que concluiu que os átomos de urânio seriam a fonte da radiação.

Junto com seu marido, Pierre Curie, ela conseguiu ainda demonstrar que outros elementos também eram radioativos, como o tório, o rádio e o polônio (sendo os dois últimos descobertos por eles).

Contudo, a origem da radioatividade ainda era um mistério, até porque, naquela época, ainda não se tinha conhecimento dos núcleos atômicos. Isso avançou significativamente em 1898, quando o cientista neozelandês Ernest Rutherford foi capaz de identificar três tipos de radioatividade, as quais receberam o nome de radiações alfa, beta e gama. A origem dessas radiações foi então comprovada quando o próprio Rutherford, em 1908, conseguiu identificar a existência do núcleo atômico.

Ao se estabelecerem as bases da radioatividade, a Química Nuclear avançou quando se começou a entender melhor que a radioatividade é produzida pelo decaimento nuclear, que é a decomposição (ou fragmentação) do núcleo atômico. Uma reação nuclear é, portanto, a mudança da composição de um núcleo atômico por consequência do decaimento deste. As reações nucleares diferem das reações químicas, uma vez que isótopos distintos sofrem as mesmas reações químicas, porém sofrem reações nucleares diferentes.

Vale ainda destacar que, quando um núcleo emite partículas alfa ou beta, um novo núcleo se forma, com número de prótons diferentes, o que caracteriza a reação nuclear como sendo uma transmutação nuclear (a transformação de um núcleo em outro). Por fim, destaca-se também que as reações nucleares envolvem muito mais energia que as reações químicas. Por exemplo, enquanto a combustão de 1 grama de metano produz cerca de 52 kJ de energia na forma de calor, a reação nuclear de 1 grama do isótopo 235 do urânio produz cerca de 8,2 x 10⁷ kJ de energia.

Curso de Química Nuclear

Quando se estuda Química Nuclear, os tópicos principais envolvem temas relacionados às propriedades do núcleo atômico. Dessa forma, um curso de Química Nuclear irá envolver, em geral, os seguintes temas:

• estrutura básica do núcleo atômico;
• decaimento nuclear espontâneo;
• reações nucleares: transmutação, fissão e fusão nuclear;
• estabilidade nuclear;
• radiações nucleares: as partículas alfa, beta e a radiação gama;
• Nucleossíntese: a síntese de elementos químicos por meio de reações nucleares;
• efeitos biológicos da radiação;
• cinética radioativa: velocidade de decaimento nuclear e tempo de meia-vida;
• aplicação de radioisótopos;
• energia nuclear: conversão de massa em energia e a extração da energia nuclear.

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Exercícios resolvidos sobre Química Nuclear

Questão 1. (Unimontes – Tarde – Biológicas/2025) Na tabela periódica, existe um conjunto de elementos conhecidos como radioativos que são instáveis e emitem radiação durante o seu processo de decomposição. A sua natureza radioativa é utilizada em diversas aplicações, por exemplo, o entendimento do processo de fusão e fissão nuclear é importante para a sua utilização na área médica e energia nuclear.

Sobre esse tema, é CORRETO afirmar:

1. A fissão nuclear envolve a divisão de núcleos pesados, liberando energia em forma de radiação.
2. A fissão nuclear ocorre quando núcleos atômicos leves se combinam para formar um núcleo mais pesado.
3. A fusão nuclear é a junção de núcleos pequenos, consumindo uma quantidade muito grande de energia.
4. A fusão nuclear libera uma quantidade de energia significativamente menor do que a fissão nuclear.

Resposta: Letra A.

A fissão nuclear, como o nome deixa em evidência, é um processo de ruptura de um núcleo atômico pesado em dois outros núcleos atômicos mais leves, com grande liberação de energia e emissão de radiação.

Questão 2. (FMP – Medicina/2024) O radioisótopo iodo-131 apresenta tempo de meia-vida de 8 dias e é empregado no tratamento de tumores da tireoide.

Ao se armazenar uma solução aquosa contendo um sal desse radioisótopo em um frasco fechado, observa-se que há redução da quantidade de iodo-131 em solução ao longo do tempo.

A redução da quantidade de iodo-131 é explicada:

1. pela oxidação do iodo-131.
2. pela evaporação do iodo-131.
3. pela reação entre a água e o iodo-131.
4. pelo decaimento radioativo do iodo-131.

Resposta: Letra D.

Sendo um radioisótopo, o iodo-131 sofre decaimento nuclear naturalmente, logo suas quantidades vão diminuindo com o passar do tempo. Durante o decaimento, o núcleo de iodo-131 vai emitindo radiações, transformando-se em núcleos mais leves e estáveis.

Fontes

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Príncípios de Química: Questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. Nuclear Chemistry. Disponível em: < https://www.acs.org/careers/chemical-sciences/fields/nuclear-chemistry.html>.

CHEMEY, A. T. Nuclear chemistry: an essential nuclear science. Essential Chem. v. 1, n. 1, p. 1-8, 2024.

EBSCO. Nuclear Chemistry. [S. l.]: EBSCO Research Starters, [202-?]. Disponível em: https://www.ebsco.com/research-starters/chemistry/nuclear-chemistry.

VÉRTES, Attila et al. (ed.). Handbook of Nuclear Chemistry. 2. ed. New York: Springer, 2011. DOI: 10.1007/978-1-4419-0720-2.

VITAL, K. D. et al. Radiofármacos e suas aplicações. Brazilian Journal of Health and Pharmacy, [s. l.], v. 1, n. 2, p. 57-69, 2019. Disponível em: https://bjhp.crfmg.org.br/crfmg/article/view/80/47.