Isótopos
Os isótopos são formas nucleares do mesmo elemento: o número de protões mantém-se, enquanto o número de neutrões varia. Essa alteração afeta a massa e, por vezes, a estabilidade nuclear, mantendo praticamente inalterada a química eletrónica.
Notação e identidade
Como ler A e Z
Uma espécie nuclear escreve-se AZX. X é o símbolo do elemento, Z é o número de protões e A é o número de massa. Para 3717Cl, o núcleo contém 17 protões e 37 − 17 = 20 neutrões. O 17 já identifica o cloro; o 37 identifica este isótopo.
Como o símbolo fixa Z, o número inferior é muitas vezes omitido na escrita corrente: cloro-37 ou ³⁷Cl é suficiente.
Nuclídeo e isótopo
A nuclídeo é uma espécie nuclear específica. 12C e 13C são dois nuclídeos. Chamar-lhes isótopos realça a relação entre eles: pertencem ao mesmo elemento porque têm o mesmo número de protões.
Dois núcleos podem ter o mesmo número de massa e pertencer a elementos diferentes. Nesse caso, não são isótopos um do outro.
Química dos isótopos
Os isótopos neutros de um elemento têm o mesmo número de eletrões e, essencialmente, a mesma estrutura eletrónica. É por isso que 12CO₂ e 13CO₂ sofrem as mesmas reações fundamentais e que os isótopos ocupam uma única posição na tabela periódica.
Quase igual não significa exatamente igual. Alterar a massa nuclear modifica as frequências vibracionais e pode alterar ligeiramente as velocidades de reação ou os equilíbrios. Estes efeitos isotópicos são particularmente evidentes no hidrogénio, porque substituir 1H por deutério quase duplica a massa nuclear.
Número de massa e massa medida
O número de massa A é uma contagem inteira de protões e neutrões. A massa isotópica real é uma grandeza medida, expressa em unidades de massa atómica unificada, u, e geralmente não é um número inteiro. 13C tem número de massa 13, mas a sua massa isotópica medida é ligeiramente superior a 13 u.
A diferença reflete as massas reais dos protões, neutrões e eletrões e a energia de ligação nuclear do átomo formado. A ligação nuclear altera a massa segundo E = mc².
Estabilidade e abundância
O núcleo é mantido coeso pela interação forte, enquanto os protões também se repelem eletricamente. Os neutrões reforçam a ligação nuclear sem acrescentar repulsão coulombiana. Por isso, a proporção favorável entre neutrões e protões muda à medida que os núcleos se tornam mais pesados.
Essa proporção não explica tudo. A estrutura em camadas nucleares, o emparelhamento e a ligação total também contam. Núcleos fora de uma região favorável de estabilidade podem reduzir a energia através de transformações radioativas, como o decaimento beta ou alfa.
A abundância isotópica é a fração de átomos pertencentes a um determinado isótopo. As tabelas didáticas apresentam muitas vezes uma percentagem conveniente, mas materiais naturais reais podem ter razões isotópicas ligeiramente diferentes consoante a sua origem e história.
Evaporação, condensação, difusão, formação de minerais e processos biológicos podem fracionar isótopos. Por isso, para vários elementos, os pesos atómicos padrão são expressos como intervalos e não como um único valor exato válido para qualquer amostra terrestre normal.
Peso atómico e medição
O peso atómico de um elemento reflete tanto as massas isotópicas como as suas proporções. Num sistema simples com dois isótopos:
massa atómica média = m₁x₁ + m₂x₂, com x₁ + x₂ = 1.
Trata-se de uma média ponderada pela população. Não significa que um átomo individual de cloro com massa 35,45 u seja o átomo físico típico. Cada átomo pertence a um isótopo específico.
Média ponderada do cloro
Considere-se uma amostra ilustrativa contendo 75,78 % de 35Cl com massa isotópica 34,9689 u e 24,22 % de 37Cl com massa 36,9659 u:
(0,7578 × 34,9689) + (0,2422 × 36,9659) ≈ 35,45 u.
O resultado fica entre as massas dos isótopos e mais próximo de 35Cl porque esse isótopo domina a amostra. Se o material for enriquecido em 37Cl, a massa média aumenta, embora todos os átomos continuem a ser cloro.
Espetrometria de massa
A espetrometria de massa separa iões de acordo com a razão massa/carga m/z. Os isótopos do mesmo elemento têm química quase idêntica mas massas diferentes, pelo que picos isotópicos bem resolvidos podem revelar a composição.
Os espetros de massa moleculares também apresentam padrões isotópicos. Moléculas com cloro, bromo ou vários átomos de carbono podem produzir grupos característicos de picos porque diferentes combinações isotópicas têm massas ligeiramente diferentes.
Razões isotópicas
Os isótopos mais leves e mais pesados não se comportam de forma perfeitamente idêntica. Evaporação, condensação, difusão, reações bioquímicas e formação de minerais podem, por isso, alterar ligeiramente as razões isotópicas. Este fenómeno chama-se fracionamento isotópico.
As diferenças podem ser pequenas, mas as medições modernas conseguem resolvê-las. As razões isotópicas podem, portanto, conservar informação sobre um processo: história do ciclo da água, vias biológicas do carbono, condições de formação de minerais ou origem de um material.
Pequenas diferenças nas razões isotópicas são habitualmente expressas relativamente a uma referência:
δ = [(Ramostra/Rreferência) − 1] × 1000 ‰
R pode ser uma razão como 13C/12C. Um δ positivo significa que a amostra tem uma razão isótopo pesado/isótopo leve superior à referência; um valor negativo significa uma razão inferior. A referência deve ser sempre indicada porque δ é relativo.
Aplicações
Carbono
12C define a referência moderna da massa atómica. 13C é estável e muito utilizado como traçador e em análise estrutural. 14C é radioativo e pode funcionar como relógio para o carbono que trocou com a atmosfera ou a biosfera.
Não são químicas diferentes do carbono. São variantes nucleares do mesmo elemento cuja massa e estabilidade criam diferentes possibilidades experimentais.
Datação
Para um radionuclídeo, os decaimentos individuais são imprevisíveis, mas uma grande população segue N(t) = N₀e−λt, com T½ = ln 2 / λ. Essa regularidade estatística torna possível a datação radiométrica.
Uma razão isotópica medida não corresponde automaticamente a uma idade. É necessário considerar as condições iniciais, o comportamento do nuclídeo-pai e do nuclídeo-filho, a contaminação e se o sistema permaneceu efetivamente fechado.
Traçadores
Um traçador só precisa de ser distinguível. Enriquecer um composto em 13C, 15N ou 18O permite seguir os seus átomos através de uma reação, de um organismo ou de um reservatório ambiental, mantendo praticamente a mesma química.
As razões isotópicas naturais podem igualmente distinguir fontes de carbono, rastrear águas subterrâneas, ajudar a reconstruir aspetos do clima passado e revelar relações em redes alimentares.
Medicina
O decaimento radioativo pode ser detetado a partir do exterior do corpo ou depositar energia nos tecidos. Alguns radionuclídeos são, por isso, úteis em diagnóstico por imagem e terapia. Um isótopo útil deve combinar adequadamente o modo de decaimento, a radiação, a semivida e a química.
Uma semivida demasiado longa pode originar atividade desnecessariamente persistente; uma demasiado curta pode levar ao decaimento antes de a imagem ou o tratamento estarem concluídos. A física nuclear e a orientação química têm de funcionar em conjunto.
Um material enriquecido contém uma fração maior de um isótopo do que um material de referência ou natural. O enriquecimento não altera Z, pelo que não transforma um elemento noutro. Altera a composição isotópica estatística de um conjunto de átomos.
Exercícios
Composição nuclear
Para 5826Fe, Z = 26, existem 26 protões. O número de neutrões é N = A − Z = 58 − 26 = 32. Outro átomo de ferro com 30 neutrões continua a ser ferro porque Z continua a ser 26; é 56Fe.
Média ponderada
Um elemento tem dois isótopos: 10,0 u a 20,0 % e 11,0 u a 80,0 %. Calcule a massa atómica média.
Solução
(0,200 × 10,0) + (0,800 × 11,0) = 10,8 u.