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1 2.ª Parte Escola Secundária de José Saramago FQA – 10º ano 2011/12 Marília Peres 1 A origem dos Elementos Químicos A origem dos Elementos Químicos Marília Peres 2

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2.ª Parte

Escola Secundária de José Saramago

FQA – 10º ano 2011/12

Marília Peres1

A origem dos Elementos QuímicosA origem dos Elementos Químicos

Marília Peres 2

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Hoje sabemos que um fotão pode originar uma

partícula de matéria e

A matéria surgiu a partir dos fotões! A matéria surgiu a partir dos fotões!

aantimatéri matéria fotão

partícula de matéria e outra de antimatéria.

Quando uma partícula de antimatéria colide com a sua

oposta de matéria

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oposta de matéria, aniquilam-se mutuamente

sendo convertidas num fotão (energia).

Fonte: http://atlas.ch/angels-demons/3.html

Por que razão a matéria não foi toda aniquilada pela antimatéria?

Os físicos pensam que num estádio inicial do Universo houveuma quebra espontânea de simetria na transformação dosfotões em matéria e antimatéria, tendo resultado um excesso,muito pequeno de matéria.

Felizmente vivemos num mundo de matéria!!

É possível criar antimatéria na Terra. O CERN já o fez!

4Fonte:

http://algol.fis.uc.pt/quark/viewtopic.php?f=7&t=172

j

A antimatéria é utilizada, em medicina, na tomografia por emissão de positrões (PET).

Adaptado de Amélia Fabião

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A propósito de matéria e antimatéria … O Modelo Padrão

Fonte: http://www.lip.pt/~pedros/aux/psilva_LHC.pdf

5Adaptado de Amália Fabião

Como é que se formaram os primeiros átomos ?Como é que se formaram os primeiros átomos ?

A formação dos núcleos atómicos no Universo foi resultado dereações nucleares nas estrelas.

Em 1 segundo o sol

FUSÃO NUCLEAR: Processo de produção de energia nas estrelas

Em 1 segundo o sol (t =15 MºC) produz maisenergia que o homemconsumiu nos últimos10.000 anos

Fonte: JET

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As reações nucleares

Reações químicas

Reações nucleares

Os núcleos dos átomos não são alterados.

Os elementos químicos

Os núcleos dos átomos são alterados.

Os elementos químicos mantêm-se.

Há transformação de uns elementos noutros diferentes.

Outra diferença importante ! A energia posta em jogo nas reações nucleares é milhões de vezes superior à que é posta em jogo na reações químicas.

Marília Peres 7

Quais são as partículas subatómicas? Como se representam?

Partícula Símbolo Notação qAZ x

Protão p

Neutrão n

Eletrão e- ou β-

Positrão e+ ou β+

01-01 ou e

0101 ou e

Hou p 11

11

n10

8

Neutrino ν 00

Antipartícula do eletrão

Vamos pensar parapreencher a coluna.

Lê-seniú

Adaptado de Amélia Fabião

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As reações nucleares

Na escrita das equações correspondentes às reações nucleares deve-se ter em conta:ç

a lei da conservação do número de nucleões – a soma dos números de massa deve ser igual nos dois membros da equação.

a conservação da carga total – a soma dos números atómicos deve ser igual nos dois membros da equação.

EnergiaHepLi 42

11

73 2

Marília Peres 9

A origem dos elementos químicos

Big Bang originaUniverso de:

EspaçoTempoEnergia

Partículas elementares:Quarks, neutrinos e

electrões

por expansão e consequente arrefecimento

originaEnergia o g a

Núcleos atómicos

Electrões livres

Primeiros átomosH – 2/3He – 1/3

em contínua expansão e

arrefecimento, surgem

sempre expandindo e arrefecendo,

aparecem

expandindo, arrefecendo e por

acção da gravidade surgem

Marília Peres 10

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A origem dos elementos químicos

Marília Peres 11

A origem dos elementos químicos

Fase principal da vida da Estrela

Marília Peres 12

nHeHH 10

32

21

21 HepH 4

211

31

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A origem dos elementos químicos

Big Bang originaUniverso de:

EspaçoTempoEnergia

Partículas elementares:Quarks, neutrinos eelectrões

por expansão e consequente arrefecimento

originaEnergia o g a

Núcleos atómicos

Electrões livres

Primeiros átomosH – 2/3He – 1/3

em contínua expansão e

arrefecimento, surgem

sempre expandindo e arrefecendo,

aparecem

Nuvens GaláxiasEnxames de galáxiasPrimeiras estrelas

Estrelas tipo Sol

Estrelas gigantes

expandindo, arrefecendo e por

acção da gravidade surgem

evoluindo as estrelas para

Marília Peres 13

A origem dos elementos químicos

Nuvens GaláxiasEnxames de galáxiasPrimeiras estrelas

Estrelas tipo Sol

Estrelas gigantes

expandindo, arrefecendo e por

acção da gravidade surgem

evoluindo as estrelas para

nas quais se dão

Reacções NuclearesH He

Núcleo contrai-se e aqueceEstrela expande-se

quando o H acaba no núcleo da

estrela

originando Gigantes vermelhas

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A origem dos elementos químicos

Fase de estrela gigante vermelha

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(Corrêa; 2007)

Gigantes vermelhas e fusão nuclear do hélioGigantes vermelhas e fusão nuclear do hélio

3 4He 12C + 7,03 x l09 kJ /mol

Química A - Ano 1 16

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A origem dos elementos químicos

Estrela tipo Sol(M < 8 Mo)

Reacções nuclearesHe C, O

ocorrem

se forGigantes vermelhas

( 8 o) , O

Anã brancaevolui para

Estrela gigante(M > 8 Mo)

Reacções nuclearesHe C, O

Ne, Mg Si, S, FeAcabam as reacções no núcleo da estrela

ocorrem

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A origem dos elementos químicos

Fase de estrela supergigante vermelha

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A formação estelar de elementos químicosA formação estelar de elementos químicos

Mais tarde, outras estrelas nascem a partir de nuvens de

hidrogénio, enriquecidas agora com os elementos resultantes

de estrelas já desaparecidas, e nessas novas estrelas

sintetizam-se, por sua vez, os restantes elementos químicos.

Nucleossíntese primordial Do “Big Bang” até às proto-estrelas

Nucleossíntese estelar Durante a vida das estrelas

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Nucleossíntese interestelar Depois da morte das supernovas

A origem dos elementos químicos

Estrela gigante(M 8 M )

evolui paraSupernova

(M > 8 Mo)

Explosão da superfície

Contracção do núcleo Estrela gigante inicial

(M < 25 Mo)Pulsarevolui para

Reacções nucleares na superfície durante a explosão

Formação de todos os elementos com Z > 26 (Fe)

Estrela gigante inicial(M > 25 Mo)

Buraco negroevolui para

se

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Os elementos que formam o nosso qcorpo, como o cálcio dos ossos, o ferro

do sangue e todos os outros elementos, foram gerados no interior

das estrelas, na matéria que delas resultou.

Marília Peres 21

Somos feitos de Somos feitos de S s f sS s f smatéria cósmica; matéria cósmica; ““somos poeiras de somos poeiras de

estrelasestrelas”.”.

Marília Peres 22

Carl Sagan

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Distribuição dos elementos químicos no UniversoDistribuição dos elementos químicos no Universo

O elemento maisO elemento mais abundante é o hidrogénio, com 60,3% (88,6% em número de átomos) e em seguida o hélio, com 36,5% (11,3% em número de átomos).

Química A - Ano 1 23

Distribuição dos elementos químicos no UniversoDistribuição dos elementos químicos no Universo

Química A - Ano 1 24

Consulte: http://media.open2.net/periodictable/preview-full/

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O que é a Fusão Nuclear?

Junção de 2 núcleos pequenos com obtenção de um núcleomaior, de menor massa que o conjunto dos núcleos iniciais.

Protão

Neutrão

Marília Peres 25

EnergiaeHeH 01

42

11 24

O que é a Fissão Nuclear?

Um núcleo grande, instável, divide-se em 2núcleos mais pequenos, e mais estáveis.

Energiana 10

14056

9336

10

23592 3BKrnU

Marília Peres 26

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O que é a Fissão Nuclear?

É uma reacção em que se bombardeiam os núcleos deátomos “pesados” com neutrões.

Obtê lt d d i f t dObtêm-se como resultados dois fragmentos de massasemelhantes e emissão de neutrões.

Estes por sua vez voltam a bombardear outros núcleos,produzindo-se assim uma reacção em cadeia.

Marília Peres 27

Consulte: http://phet.colorado.edu/en/simulation/nuclear-fission

Fusão

núcl

eo

A Energia Nuclear tem origem na conversão da A Energia Nuclear tem origem na conversão da massa dos núcleos em energiamassa dos núcleos em energia

Fissão dos Núcleos Pesados

rgia

de

ligaç

ão d

o

D

THe

nFusão

nU

n

Fissão

Numero Atómico

Ener

Fonte: JET

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FISSÃO – envolve neutrões que penetram no nucleon + 235U Ba + Kr + 3n

Energia do neutrão ~ 2 MeVFonte: JET

Esquema de uma Central Nuclear de Fissão30

Marília Peres

Consultar: http://wps.prenhall.com/esm_mcmurry_chemistry_5/73/18724/4793409.cw/index.html(VARANDAS; s.d.)

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Fusão Nuclear: que Futuro?31

O ITERITER (“InternationalThermonuclear Experimental p

Reactor”) é o primeiro reactor é o primeiro reactor experimental de fusãoexperimental de fusão, da

configuração tokamak, concebido e projectado no

âmbito de um Protocolo assinado entre a “European

Atomic Energy Community” e os Governos do Japão

Marília PeresDesenho esquemático do ITER (Fonte: IST)

os Governos do Japão, Estados Unidos e União

Soviética.

FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA reacções em laboratório

Ciclo do Deuterão

Viável

Fonte: JET

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FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA reacções em laboratórioreacções em laboratório

Fonte: JET

∆m = 5 - 4.8 = 0.2 (u.a.)

E = ∆m.c2

1 kg

Energia para 675 pessoas por um ano (EUA)0.2 kg

Fusão Nuclear: que Futuro?34

Marília Peres

Esquema de uma central de Fusão Nuclear (Varandas; s.d.)

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As aplicações das reacções nucleares

Marília Peres 35

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