Isótopos: o que são e o que fazem?

Tudo o que existe é composto por partículas. Prótons, elétrons, nêutrons, fótons etc. Esse é o consenso entre a comunidade científica atual. Nem sempre foi assim! E nada garante que assim será no futuro. Até bem recentemente, os cientistas não aceitavam a existência dos átomos! Imagina só!

Para citar um exemplo emblemático lembro do caso de Ludwig Boltzmann, importante cientista do século XIX~XX. Esse cientista deu fim a própria vida em setembro de 1906 após ser duramente criticado por defender a ideia da existência do átomo. Anos mais tarde, porém, diversas evidências acabaram por consolidar a posição da ciência em relação a concepção atomística.

De lá para cá, diversas descobertas em relação ao comportamento dessas estruturas vêm sendo feitas. Entre elas, merece destaque a isotopia.

 

Composição de um átomo

Todo átomo é composto por um núcleo e uma eletrosfera. No núcleo, habitam duas estruturas conhecidas como prótons e nêutrons. Já na eletrosfera, encontramos os elétrons. Isto ocorre na matéria denominada de bariônica. O número de prótons (número atômico) dá o nome ao elemento químico. Por exemplo, um átomo que tenha um único próton é denominado Hidrogênio, um átomo que tenha 2 prótons é o Hélio, com 3 o Lítio e assim por diante (vide Figura 1).

Figura 1: Tabela periódica dos elementos químicos. São representados todos os elementos químicos naturais (e alguns sintéticos).

 

A soma do número de prótons e de nêutrons é denominado massa atômica. Os elétrons não entram nessa conta por questões de simplificação, uma vez que são cerca de 2000 vezes menos massivos que prótons e nêutrons. Normalmente, o número de prótons e nêutrons em um átomo é mesmo, então, por exemplo, o Hidrogênio teria massa atômica 2, pois é composto de um único próton (por isso Hidrogênio) e um nêutron. Provavelmente, você lembra de alguma dessas informações das aulas da escola, certo?

 

A descoberta da isotopia

Em 1913, o químico Frederick Soddy, estudando a emissão radioativa do Urânio (92 prótons) e do Chumbo (82 prótons) descobriu que haviam 11 elementos entre eles. Note que entre o Urânio e Chumbo, na tabela periódica, só existem 9 elementos! Ele chamou esses dois elementos extras de mesothorium (mais pesado que o Rádio-226) e thorium-X (mais leve que o Rádio-226).

Intrigado com essa observação, o cientista passou a estudar melhor esses dois elementos. Ele descobriu que ambos tinham mesmo número atômico que o Rádio, ou seja, 88 prótons. Isso demonstrou que algo inédito acontecia no núcleo atômico desses elementos. Soddy compreendeu que o mesothorium possui 228 de massa e o thorium-X 224 e ambos contam com 82 prótons. Ele os chamou de isótopos (iso = mesmo, topos = número atômico). Anos mais tarde, depois de novas descobertas similares, a nomenclatura foi homogeneizada e o mesothorium e o thorium-X, respectivamente, passam a ser chamados Rádio-228 e Rádio-224, isótopos do elemento químico Rádio.

Isótopos são elementos que possuem mesmo número atômico, porém números de massa diferentes. Isso acontece porque o número de nêutrons nessas espécies é diferente do número de prótons. Como possuem mesmo número atômico, possuem mesma denominação (como no caso do Rádio, citado acima).

Foram descobertos, desde então, um grande número de isótopos. Desses, talvez, os mais famosos são os isótopos do Carbono: o Carbono-12, Carbono-13 e o Carbono-14 (aquele que é usado para datação, sabe?).

 

De onde vem ou vieram os isótopos?

De onde vem e como são produzidos essas espécies atômicas tão curiosas?

Isótopos podem ser de dois tipos:

  1. Isótopos naturais: São produzidos pela nucleossíntese estelar junto com vários outros elementos químicos. Sim, isso mesmo! Todas as coisas, incluindo nosso próprio corpo, vieram de explosões estelares. Os isótopos naturais podem ainda ser classificados em estáveis e instáveis (ou radioativos). Em geral, possuem tempo de meia vida grande.
  2. Isótopos artificiais: São produzidos em laboratório utilizando reatores nucleares ou aceleradores de partículas. Também podem ser instáveis (radioativos) ou estáveis. Os tempos de meia vida desses isótopos são bastante variáveis e os mais curtos chegam a poucos milissegundos.

Além do processo de nucleossíntese estelar, os raios cósmicos de alta energia também são responsáveis pela fabricação de alguns isótopos por um processo conhecido como espalação. Nesse processo, uma partícula de alta energia emitida por um núcleo galáctico ou ainda por uma estrela próxima, converte um próton em nêutron formando assim um isótopo do elemento com um número atômico a menos. É assim, por exemplo, que é produzido o Carbono 14, pela conversão de um próton em um nêutron no Nitrogênio 14.

 

Para que servem os isótopos?

A compreensão dos mecanismos pelos quais os isótopos são formados entre outras características, como o tempo de meia vida, são de extrema utilidade técnica. Podem, por exemplo, ajudar a resolver crimes misteriosos! Como o caso da “mulher de Isladen”, na Noruega. Um crime ainda sem solução que aconteceu há 50 anos em condições peculiares. Sua elucidação pode estar próxima, graças a testes utilizando os isótopos do oxigênio que foram encontrados na dentição do cadáver. Esses isótopos podem revelar que tipo de água essa mulher bebia no lugar onde cresceu. Os isótopos de estrôncio encontrados podem revelar sua alimentação, por exemplo. De posse desses dados, seria possível, finalmente, revelar a identidade dessa misteriosa mulher.

O isótopo 14 do Carbono é amplamente utilizado para datação de objetos muito antigos, o que é de incrível utilidade para a compreensão da nossa história. A radiação emitida por alguns isótopos instáveis, se bem dosada, pode ser utilizada também para tratamentos de saúde, exames radiográficos e até para conservar os alimentos  por mais tempo!

 

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REFERÊNCIAS

Choppin G, Liljenzin JO, Rydberg J. Radiochemistry and Nuclear Chemistry (2nd ed.) Butterworth-Heinemann. 1995.

Nagel MC. Frederick Soddy: From Alchemy to Isotopes. Journal of Chemical Education. 1982.

Fleck A. Frederick Soddy. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 1957.

Cheung H. A misteriosa morte da ‘mulher de Isdalen’, o enigma que a Noruega tenta resolver há quase 5 décadas”. BBC News em Bergen (Noruega) . 2017.

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