isótopos

Sobre isótopos, isóbaros e isótonos dos elementos químicos da tabela periódica.

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usada na descoberta do elemento químico astato
Uma cobaia foi usada para descobrir o astato, o elemento mais raro do mundo.

Às vezes, a descoberta científica requer uma ferramenta incomum.

Por Sam Kean

Qual é o elemento mais raro? Parece uma pergunta direta. Uma explosão de supernova há 4,5 bilhões de anos levou à criação de nosso Sistema Solar e, com ele, todos os elementos da tabela periódica até o urânio. Mas alguns desses elementos (por exemplo, tecnécio e promécio) não possuem isótopos estáveis ​​e, dada à rapidez com que decaem, podemos estar certos, estatisticamente, de que não restarão mais átomos originais. Portanto, a resposta deve ser um empate, com todos esses elementos tendo uma abundância zero.

Essa não é toda a história, no entanto. Alguns dos elementos radioativos mais pesados, especialmente o urânio, decaem de várias maneiras, emitindo partículas diferentes ou dividindo seus núcleos em pedaços de tamanhos diferentes. E, dependendo dos detalhes dessas divisões e decaimentos, os elementos que deviam estar extintos podem reaparecer repentinamente. Eles são os celacantos da tabela periódica.

Mesmo assim, alguns elementos mal apenas são repostos. Isso é especialmente verdade com astato e frâncio, os dois candidatos ao título de mais raros do mundo. Dos dois, o frâncio é mais frágil. Se você tivesse um milhão de átomos de astato, metade deles se deterioraria em outra coisa (normalmente polônio) em cerca de 7 horas. (Em outras palavras, 7 horas é a meia-vida do astato.) Um suprimento similar de frâncio seria reduzido em 20 minutos. Então o bom senso diz que o frâncio deveria ser mais raro.

Mas o senso comum está errado. Os cientistas calculam que entre 20 e 30 onças [0,57 e 0,85 kg] de francium existem na Terra a qualquer momento. Ao mesmo tempo, há apenas uma onça [0,028 kg] de astato. Como isso é possível? Como pode um elemento 20 vezes mais frágil ser 20 vezes mais abundante? A resposta é que o caminho de decaimento do urânio para o frâncio é mais fácil de seguir do que o caminho de decaimento do urânio para o astato; o resultado líquido é que mais átomos de urânio são convertidos em frâncio. O astato é, portanto, o elemento mais raro na tabela periódica, porque é o mais difícil de produzir.

Tão difícil de produzir, de fato, que os cientistas que o criaram em 1939 não puderam detectar sua existência diretamente e tiveram que recorrer a um truque. Eles criaram um pouquinho de astato dentro de uma amostra de bismuto bombardeando o bismuto com partículas de um ciclotron. Eles então alimentaram uma cobaia com isso. O astato fica abaixo do iodo na tabela periódica, dando aos dois elementos propriedades semelhantes. E depois de algumas horas de digestão, a glândula tireoide da cobaia faminta por iodo filtrou e concentrou o astato. Permanece como o único elemento descoberto por um não humano.

Mesmo depois de coroar o astato como o elemento mais escasso, no entanto, temos que qualificar essa afirmação: é apenas o elemento natural mais raro. Além do urânio, há duas dúzias de elementos feitos pelo homem e, a menos que encontremos provas de inteligência extraterrestre algum dia, podemos estar bastante confiantes de que a maioria dos elementos além do urânio (os transurânicos) nunca existiram fora de um laboratório científico aqui na Terra.

Quão raros estamos falando? Produzir um elemento ultra-pesado pode levar uma década de trabalho – e, afinal de contas, os cientistas podem ter encontrado cinco ou seis átomos, no total, nenhum dos quais sobreviveu por mais de um segundo. (Para comparação, o registro de um esforço para reunir átomos de frâncio em um único lugar é de 10.000.) E se você está pensando que parece muito fútil, você está em boa companhia: sempre que eu dou palestras sobre a tabela periódica, a pergunta mais comum que me perguntam é por que os cientistas se importam. De que adianta fazer elementos ultra-pesados?

A maioria das pessoas que perguntam são genuinamente curiosas. De vez em quando, porém, alguém começa a tagarelar, beirando a raiva: a questão deles é realmente um desafio. Às vezes é o dinheiro que os incomoda: eles vêem a ciência como um jogo de soma zero, e cada centavo não gasto em, digamos, curas médicas é um centavo desperdiçado. Mas mesmo quando eu explico os efeitos da pesquisa (isso pode levar a novas formas de produzir isótopos médicos), eles não são acalmados. Realmente, é o desprezo intencional por praticidade que os consome. A ideia de que os cientistas possam dedicar suas vidas à criação de algo que não tem, e nunca terá, qualquer valor prático quase ofende-os.

No final, costumo sorrir e dizer que precisamos abraçar a inutilidade desses elementos, até mesmo celebrá-los. Em um cálculo utilitarista, não se pode justificar a produção de elementos ultra-pesados ​​e ultrararos – exceto para dizer que eles contribuem para a soma do conhecimento e felicidade humanos, o que não é pouca coisa. Mais do que isso, a criação deles satisfaz a necessidade humana de ir além de nossas fronteiras naturais, explorar o máximo possível de nosso pequeno espaço do universo. São necessários todos os tipos para fazer uma tabela periódica, e se alguns desses elementos são tão raros e fugazes quanto um pica-pau de bico de marfim, eles são ainda mais bonitos por isso.

Sam Kean é autor dos best-sellers “O Duelo dos Neurocirurgiões” e “A Colher Que Desaparece“.

Este texto é uma tradução autorizada oficialmente – do original ‘Tiny Productions’ publicado na revista Distillations Magazine.

Traduzido por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle, professor na Universidade Federal do Pampa – Bagé ( luisbrudna@gmail.com ).

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Yasser Arafat foto original da ONU
Yasser Arafat foi assassinado com polônio?

Os envenenadores há muito fazem uso da tabela periódica de elementos para seu trabalho sujo – lembre do arsênio e mercúrio -, mas a tecnologia moderna oferece uma nova opção elementar: um veneno que desaparece.

No quadrante sudeste da tabela periódica se esconde o que eu gosto de chamar de corredor do envenenador. Chumbo, mercúrio, arsênio, cádmio – são os bandidos na química, a marca de muitos locais contaminados e a causa do recall de muitos brinquedos. E a maioria das pessoas nem ouviu falar do pior veneno ali: o tálio, um elemento tão letal que a CIA supostamente considerou assassinar Fidel Castro com um pouco de pó de tálio em suas meias. (Além de matar Castro, a CIA supostamente adorava o fato de que o elemento 81 faria sua barba cair e, assim, humilharia El Comandante.)

Ultimamente, a tecnologia moderna introduziu um novo membro no corredor do envenenador, o tóxico nuclear polônio. Em 2006, Alexander Litvinenko – um ex-espião russo que se tornara um crítico ferrenho do governo de Vladimir Putin – ficou gravemente doente depois de beber chá verde com polônio em um restaurante de sushi em Londres. Ninguém jamais foi assassinado com polônio antes: é raro na natureza e requer tecnologia avançada para manufaturar. Mas fotografias de Litvinenko em seu quarto de hospital, especialmente depois que o cabelo dele caíra, tornaram o elemento 84 mais notório em todo o mundo: tão notório que alguns toxicologistas o implicaram em outro suposto assassinato, o do político palestino Yasser Arafat.

Em outubro de 2004, durante uma longa prisão domiciliar, Arafat adoeceu uma noite depois de um jantar, vomitando e se contraindo. Ele morreu em um hospital francês um mês depois, supostamente de um derrame causado por coágulos sanguíneos generalizados. Por razões desconhecidas, o hospital ignorou a autópsia e circularam rumores de que Arafat – com 75 anos e com boa saúde até então – foi envenenado, seja por rivais políticos palestinos ou (a acusação mais comum) por autoridades israelenses.

Em 2012, a viúva de Arafat fez com que os toxicologistas testassem alguns de seus pertences, incluindo roupas íntimas, escovas de dentes, lenços para a cabeça e óculos. Eles não encontraram vestígios de venenos convencionais, mas encontraram evidências de polônio. A roupa íntima, por exemplo, mostrou níveis de polônio dezenas de vezes superiores aos níveis de fundo.

Por que usar polônio em um assassinato? É insípido e inodoro, ambos recursos úteis. E é tão raro que existem poucos testes para detectá-lo. Finalmente, e surpreendentemente, é seguro para transportar. Isso porque o polônio emite apenas partículas alfa, feixes de prótons e nêutrons que são tão volumosos que até a roupa pode pará-los. Assassinos podem, portanto, carregá-lo seguramente.

Por mais benignas que sejam do lado de fora do corpo, as partículas alfa causam danos massivos se ingeridas ou inaladas – degradando órgãos, desintegrando ossos, destruindo glóbulos brancos e embaralhando o DNA. (A longo prazo, o polônio também causa câncer, especialmente câncer de pulmão em fumantes, já que é encontrado no tabaco. O polônio se deteriora rapidamente, com uma meia-vida de 138 dias. Isso faz com que seja especialmente mortal, capaz de bombardear suas células com intensidade de uma blitzkrieg. No geral, os toxicologistas estimaram que o polônio é 250.000 vezes mais mortal que o cianeto.

Depois de encontrar evidências de polônio nas roupas de Arafat, as autoridades desenterraram seus restos mortais em 2013 e entregaram amostras de tecidos a três laboratórios. Equipes francesas e russas não encontraram evidências de polônio no corpo de Arafat. Mas uma equipe da suíça que usou placas de prata para extrair átomos de polônio do tecido encontrou evidências de envenenamento (manchas de polônio na prata). Você pode adivinhar qual resultado teve mais manchetes.

Os resultados suíços, no entanto, vêm com grandes ressalvas. A curta meia-vida do polônio significa que ele desaparece rapidamente. Já em 2004, 25 meias-vidas se passaram, deixando para trás apenas 1 / 30.000.000 da suposta dose de veneno – pouco acima dos níveis de fundo.

Como alternativa à procura do próprio polônio, os toxicologistas podem procurar por produtos de decaimento, como certos isótopos de chumbo. Mas os principais resultados da equipe suíça foram ambíguos, não oferecendo conclusões definitivas. Pior, o solo perto do túmulo de Arafat continha radônio, que se decompõe em chumbo e polônio, tornando qualquer interpretação dos resultados complicada.

Certos fatos médicos também enfraquecem a teoria do polônio. Ao contrário de Litvinenko, Arafat nunca perdeu o cabelo – um sinal clássico de envenenamento por radiação. Arafat também apresentava contagens elevadas de leucócitos, sinal de infecção, mas não de exposição à radioatividade. No geral, então, o caso do envenenamento de Arafat é duvidoso, com dois laboratórios votando não, e um laboratório votando talvez. E, infelizmente, a chance de resolver a controvérsia só vai piorar, já que qualquer polônio nos restos mortais, se é que houve algum, continua a esvair.

Este é um problema exclusivo dos novos venenos nucleares. Mesmo atrasos prolongados geralmente não prejudicam o teste de venenos elementares convencionais. Em 1991, por exemplo, o presidente dos EUA, Zachary Taylor, foi exumado 140 anos após sua morte para testar o arsênio – nenhum foi encontrado – e os cientistas daqui a 140 anos poderiam fazer o mesmo. Mas mesmo 2004 é um longo tempo para o polônio. Estamos acostumados à ciência avançando ao longo do tempo, dando-nos resultados cada vez mais precisos para determinar a verdade. Mas a natureza dos venenos radioativos garante que alguns casos arquivados provavelmente permanecerão arquivados.

Texto escrito por Sam Kean – autor best-seller de O Duelo dos Neurocirurgiões e A Colher Que Desaparece.

Tradução autorizada do original ‘Nuclear Option’ publicado na revista Distillations Magazine.

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sigurd hofmann mostra equipamento
Darmstadt, na Alemanha, é uma cidade com um grande significado para a tabela periódica. Foi nesta localidade, no centro de pesquisas GSI, que pelo menos seis elementos da tabela periódica foram sintetizados – bóhrio, hássio, meitnério, darmstádtio, roentgênio e copernício.

Martyn Poliakoff, do canal Periodic Videos, fez uma visita ao centro de pesquisas e mostra como esses elementos químicos foram sintetizados.

O processo para se fazer elementos super pesados basicamente consiste em acelerar elementos mais leves para forçar uma colisão e fusão destes com um alvo no qual estão localizados os elementos mais pesados para então (com sorte) conseguir a formação de um elemento super pesado.

A instabilidade dos átomos formados é tal que o processo precisa ser meticuloso e preciso, com acelerações de átomos em uma velocidade em torno de 10% da velocidade da luz. A eventual obtenção de um átomo desejado precisa ser confirmada em um detector, que por vezes só consegue detectar o processo de decomposição.

O sistema é tão sensível que existe uma curiosa história, contada por Martyn no vídeo abaixo, de uma estação de rádio que estava interferindo com a precisão do experimento em um determinado horário.

Vídeo com legenda em português. Veja como ativar a exibição.

Perceba que o elemento darmstádtio foi batizado com esse nome em homenagem à cidade e o centro de pesquisas.

Texto e legenda escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

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imagem da sonda new horizons da nasa
A sonda espacial New Horizons passou por Plutão, o planeta-anão, em julho deste ano (2015) após 9 anos e 8 meses de viagem. E o elemento químico plutônio faz parte dessa história.

O distanciamento cada vez maior do Sol impedia que a NASA usasse painéis solares como uma fonte de energia na manutenção dos equipamentos de comunicação. Além de significar um peso extra na sonda no transporte de uma gigante estrutura de painéis. A solução foi utilizar o isótopo radioativo plutônio-238.

A elevada radioatividade dos quase 10 quilogramas de plutônio utilizados na sonda produziam uma quantidade de calor que foi convertida em eletricidade por meio de um sistema de termopares. Tendo a equipe do projeto todo o cuidado para dimensionar o uso de energia com a constante diminuição do calor fornecido pelo sistema devido ao decaimento radioativo dos isótopos de plutônio-238.

A curiosidade é que o o elemento plutônio recebeu esse nome em homenagem ao planeta (atualmente um planeta-anão) Plutão. E foi um poético reencontro!

O Professor Sir Martyn Poliakoff, da Universidade de Nottingham na Inglaterra, revela mais detalhes no vídeo abaixo.

Vídeo com legendas em português. Ative as legendas pelo botão CC que aparecerá no vídeo.

Não é necessário ter preocupação com o uso desse tipo de material radioativo em sondas especiais. Não existe perigo de uma explosão nuclear durante o lançamento, ‘apenas’ o risco de contaminação radioativa do local da queda do foguete em caso de falha no lançamento.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

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setas apontando para o elemento
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Nem todos os elementos químicos presentes na tabela periódica possuem uma utilidade prática imediata. Vários elementos, principalmente aqueles com um elevado número atômico, são instáveis demais para que seja possível (atualmente) acumular uma quantidade significativa do material para que possa ser utilizado em algum produto.

A falta de uma ‘utilidade prática imediata’ não significa que sejam inúteis para a ciência. Por exemplo, o Professor Steve Liddle explica como o seabórgio precisa ser sintetizado e preparado muito rapidamente para a realização de análises e experimentos específicos. E feito isso o seabórgio tem importância experimental na confirmação de teorias já existentes para outros elementos químicos. Então é possível verificar se ele tem propriedades semelhantes ao cromo, molibdênio e tungstênio; que também estão no grupo 6 na tabela periódica.

O seabórgio que o Professor Steve Liddle sintetizou foi feito utilizando o elemento cúrio, cujo número atômico é 96, e um tanto de neônio, de número atômico igual a 10, resultando no número atômico 106 – que é o seabórgio.

O seabórgio gerado sinteticamente foi então rapidamente reagido com monóxido de carbono para se obter um composto volátil. Esta volatilidade facilita a posterior análise em um aparelho detector que determina as suas propriedades. E o esperado é que sejam muito similares às carbonilas feitas com cromo, molibdênio ou tungstênio.

Veja no vídeo abaixo mais detalhes e uma demonstração da sublimação do hexacarbonila de cromo.

Vídeo com legendas em português. Ative as legendas no botão CC que aparecerá no vídeo.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.

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contador geiger emitindo alerta de alta radioatividade
Quando o seu medidor de radioatividade apita ao máximo, pisca nervosamente uma luz vermelha e emite o aviso OVERLOAD (sobrecarga), é melhor sair correndo!

Derek Muller, do canal Veritasium, fez um tour por vários lugares do planeta em busca do lugar com mais alta radioatividade (acessível a um curioso corajoso).

De posse do seu medidor de radioatividade – um contador Geiger – ele inicia o vídeo explicando que o equipamento só registra radiação ionizante e que exibe a intensidade em unidades sieverts. A unidade sievert pode ser um pouco complicada para dar a noção exata do perigo de um material radioativo. Por isso o Derek Muller usa a banana como comparação (e unidade) para indicar a intensidade da radiação nos locais em que esteve. Se quiser entender um pouco mais sobre a radioatividade das bananas leia nosso texto ‘Bananas são radioativas (e inofensivas)’.

Ele visitou Hiroshima (Japão), Jáchymov (República Checa), o laboratório de Marie Curie (Paris), Novo México (EUA), … e não vou estragar a surpresa revelando qual é o lugar mais radioativo da Terra. Isso você vai ver no vídeo. 😉

O vídeo abaixo possui legendas em português. Ative a legenda usando o botão CC que aparece no vídeo.

O tour é uma prévia do documentário ‘Uranium: Twisting the Dragon’s Tail’ que será exibido em breve nos Estados Unidos.

Texto escrito por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle.