Urânio (U)

O urânio, símbolo U e número atômico 92, é um actinídeo de grande importância para fins energéticos. Em sua forma metálica, o urânio é bastante reativo, podendo reagir com quase todos os elementos da Tabela Periódica, à exceção dos gases nobres. Possui 23 isótopos catalogados, contudo, apenas três ocorrem naturalmente: os de massa 234, 235 e 238, sendo o último o mais abundante.

O urânio tem grande importância para a geração de energia, pois sua propriedade radioativa faz com que ele gere grandes quantidades energéticas durante os processos de fissão nuclear que ocorrem nas usinas. A energia nuclear tem grandes vantagens, não só por precisar de pouco combustível, mas porque não emite gases tóxicos e poluentes, como os de combustíveis fósseis. Contudo, toda essa capacidade energética já fez com que o elemento fosse utilizado em armas de grande destruição.

Leia também: Césio-137 — o isótopo radioativo que ocasionou o acidente radiológico em Goiânia

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre o urânio
• 2 - Propriedades do urânio
• 3 - Características do urânio
  • Isótopos do urânio
• 4 - Onde o urânio pode ser encontrado?
  • Reservas mundiais de urânio
  • Reservas de urânio no Brasil
• 5 - Obtenção do urânio
• 6 - Aplicações do urânio
  • Urânio e energia nuclear
  • Urânio e bombas nucleares
• 7 - O urânio é perigoso?
• 8 - História do urânio
• 9 - Curiosidades sobre o urânio
• 10 - Exercícios resolvidos sobre o urânio

Resumo sobre o urânio

• O urânio é um actinídeo de número atômico 92.

• É extremamente reativo em sua forma metálica, não reagindo apenas com os gases nobres.

• É o elemento de maior número atômico encontrado na natureza.

• Possui 23 isótopos, todos radioativos, sendo que apenas três deles ocorrem na natureza.

• Seu principal uso está na geração de energia elétrica em usinas nucleares.

• Já teve seu potencial energético explorado para fins bélicos, sendo o combustível da bomba Little Boy, lançada sobre a cidade de Hiroshima durante a Segunda Guerra Mundial.

• Foi descoberto, em 1789, por Martin Klaproth e isolado, em 1841, por Eugène-Melchior Péligot.

Propriedades do urânio

• Símbolo: U.

• Número atômico: 92.

• Massa atômica: 238,03 u.m.a.

• Eletronegatividade: 1,38.

• Ponto de fusão: 1135 °C.

• Ponto de ebulição: 4131 °C.

• Densidade: 19,1 g.cm^-3.

• Configuração eletrônica: [Rn] 7s² 5f³ 6d¹.

• Série Química: actinídeos, grupo 3.

Características do urânio

O urânio em sua forma metálica apresenta coloração cinza e é bastante reativo. Por exemplo, quando finamente dividido, o urânio metálico consegue reagir com quase todos os elementos do ar atmosférico, com exceção apenas dos gases nobres. Essa reatividade, de certa forma, protege o metal, já que uma camada de óxido é formada em ao seu redor e não permite que as camadas internas reajam.

A boa reatividade do urânio permite com que ele reaja com praticamente todos os elementos da Tabela Periódica. Entre as principais reações estão as com os gases oxigênio e nitrogênio, além da reação com água. O urânio também tem capacidade de reagir com a maioria dos ácidos, como o clorídrico, nítrico e fluorídrico, porém, não apresenta reatividade com bases.

Além disso, o urânio apresenta três estruturas metálicas diferentes, chamadas de alfa, beta ou gama, as quais podem ser intercambiadas por meio de aquecimento. O elemento é um pouco mais macio que o aço, maleável e tem boa ductilidade.

Os compostos de urânio podem apresentar estados de oxidação que variam de +2 a +6, sendo os estados +4 e +6 os mais comuns, como nos compostos UO₂ (óxido de urânio IV ou dióxido de urânio) e UF₆ (hexafluoreto de urânio).

• Isótopos do urânio

O urânio possui, atualmente, 23 isótopos conhecidos, sendo que todos são radioativos. Porém, na natureza, todo o urânio encontrado é uma mistura dos isótopos ²³⁸U (99,2745% em massa), ²³⁵U (0,720% em massa) e ²³⁴U (0,0055% em massa).

O isótopo mais leve de urânio é o de massa 217, e o de massa 242 é o mais pesado. O isótopo 238 é o isótopo natural de maior tempo de meia-vida, 4,47 x 10⁹ anos. Por causa disso, ele pode ser usado para datar rochas ígneas.

Leia também: Quais elementos químicos são radioativos?

Onde o urânio pode ser encontrado?

O urânio não é um elemento tão raro, como uma vez já se pensou. Hoje, são conhecidos cerca de 200 minerais de urânio, e já se sabe que ele é mais abundante que o mercúrio, antimônio, prata e cádmio, com uma ocorrência parecida a do molibdênio ou a do arsênio.

Entre os principais minérios de urânio estão a uraninita (também conhecida como pechblenda), carnotita, autunita, uranofano, davidita, tobernita, entre outros. O urânio pode ainda ser encontrado em rochas fosfálticas, na linhita (carvão fóssil) e em areais com monazita.

• Reservas mundiais de urânio

A tabela a seguir mostra os cinco países com as maiores reservas de urânio no mundo, dados coletados no ano de 2019 e publicados em 2020.

Apesar de não possuir a maior reserva, o Cazaquistão liderou a produção de urânio em 2020, gerando mais de 19 mil toneladas do elemento, suprindo 41% da demanda em todo o mundo. Dentre as dez maiores minas produtivas no ano de 2020, quatro estavam no Cazaquistão.

Atualmente, a mina com maior produção de urânio é a de Cigar Lake, localizada no Canadá, cuja produção em 2020 foi de cerca de 3885 toneladas de urânio.

• Reservas de urânio no Brasil

O Brasil possui a sétima maior reserva de urânio do mundo, com cerca de 276.800 toneladas do elemento, o que corresponde a 5% de todo o urânio global. Contudo, a produção brasileira vem diminuindo com o passar dos anos, pois caiu de 326 toneladas, em 2012, para 15 toneladas, em 2020.

As principais reservas uraníferas brasileiras encontram-se na Bahia e no Ceará. Contudo, estima-se que o Brasil tenha um potencial de reservas com cerca de 900.000 toneladas do elemento.

Obtenção do urânio

O urânio é um elemento muito eletropositivo, em um nível que remete ao alumínio e ao magnésio. Como consequência, ele não pode ser obtido por redução com hidrogênio, sendo necessárias outras técnicas.

Entre as utilizadas, estão:

• redução do dióxido de urânio com elementos altamente eletropositivos, como cálcio;

• decomposição térmica;

• eletrólise do KUF₅ ou UF₄ dissolvidos em uma mistura fundida de CaCl₂ e NaCl;

• decomposição de haletos de urânio em um filamento quente (método van Arkel de Boer);

• redução dos haletos de urânio (UCl₃, UCl₄ e UF₄) com metais eletropositivos (Li, Na, Mg, Ca, Ba).

No último método, por exemplo, o urânio (na forma de U₃O₈, um óxido misto de UO₂ e UO₃) é dissolvido em ácido nítrico, formando o nitrato de uranila, UO₂(NO₃)₂. O nitrato de uranila então é convertido a UO₃, o qual é reduzido a UO₂ por ação do hidrogênio. O UO₂ reage com o HF para formar o UF₄, que então é reduzido com Mg segundo a reação:

UF₄ + 2 Mg → U + 2 MgF₂

Aplicações do urânio

Embora boa parte do urânio seja utilizado para a produção de energia (o Brasil, por exemplo, usa quase todo o urânio para esse fim), o elemento tem sido utilizado em outras áreas, como medicina e agricultura.

Na medicina, o urânio é utilizado para tratamento de câncer e para desenvolvimento de radiofármacos. Já na agricultura, o urânio pode ser utilizado no processo de irradiação dos alimentos, uma forma de esterilização altamente efetiva e segura que garante a eliminação de microrganismos decompositores.

Contudo, como já dito anteriormente, boa parte do urânio é utilizado com fins energéticos, utilização sobre a qual discorreremos um pouco mais a seguir.

• Urânio e energia nuclear

Boa parte da demanda global de urânio é formada por países que utilizam a energia nuclear em sua matriz. A principal vantagem da utilização de urânio para esse fim é que a energia nuclear apresenta emissão zero de CO₂ para a atmosfera.

Também não há emissão de nenhum gás intensificador do efeito estufa, nenhum gás causador de chuva ácida e nenhuma emissão de metais carcinogênicos, teratogênicos ou mutagênicos (como arsênio, mercúrio, chumbo, cádmio etc.), algo comum na produção de combustíveis fósseis. Também não há nenhum dano à camada de ozônio, nem liberação de particulados que possam causar poluição urbana.

Sem dúvida alguma, o principal problema da produção de energia elétrica por meio da energia nuclear está na armazenagem segura dos resíduos gerados pelas usinas de energia nuclear. No Brasil, a Lei 10.830 de 20 de novembro de 2001 foi promulgada para regular a destinação dos resíduos radioativos. A União, por meio da Comissão Nacional de Energia Nuclear (Cnen), é responsável pelo destino final dos rejeitos radioativos produzidos em território nacional.

A energia gerada nessas usinas é oriunda das reações de fissão nuclear, descritas inicialmente por Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann, em 1938. O isótopo 235 do urânio é o único isótopo natural do elemento capaz de sofrer fissão. No processo, o ²³⁵U pode capturar um nêutron, transformando-se no isótopo ²³⁶U. A partir daí, o isótopo 236 tem seu núcleo partido, gerando produtos de fissão, os quais incluem isótopos de bário, criptônio, telúrio e zircônio, além de nêutrons, quantitativo que fica entre dois e três mols para cada mol de urânio.

Esses nêutrons gerados são essenciais, pois eles permitem a propagação da reação em cadeia, fazendo com que a energia seja produzida em uma progressão geométrica. Os nêutrons também podem ser capturados por outros isótopos do urânio para produção de outros radioisótopos que também podem sofrer fissão, como é o caso do ²³⁸U, o qual, ao receber um nêutron, se transforma no ²³⁹U e é então convertido a ²³⁹Pu (plutônio-239) físsil.

A reação a seguir ilustra uma das rotas possíveis de fissão nuclear do urânio.

\({_92^{235}}U+{_0^1}n\rightarrow{_92^{236}}U\rightarrow{_56^{141}}Ba+{_36^{92}}Kr+3{_0^1}n+ENERGIA\)

A energia produzida se dá na faixa de 2 x 10⁷ kWh para cada quilograma de urânio. Contudo, nos reatores, é necessário o controle dos nêutrons, por meio das varas (ou barras) de controle de nêutrons. Nessas varas, estão contidos elementos que possuem grande capacidade de absorção de nêutrons, como boro ou cádmio, os quais limitam e controlam a produção de energia, pois, ao absorverem os nêutrons, não desenvolvem fissão nuclear.

Outro ponto importante sobre a produção de energia a partir da fissão é que o urânio-235 corresponde a apenas 0,7% do urânio encontrado na natureza. Para aumentar esse percentual, existe a técnica de enriquecimento de urânio, em que o isótopo ²³⁸U (correspondente a mais de 99% do urânio natural) é convertido em ²³⁵U, aumentando o teor do isótopo físsil para 3%–5%. Algumas plantas nucleares chegam a elevar o teor da amostra para cerca de 20% de ²³⁵U.

• Urânio e bombas nucleares

Infelizmente, a grande energia gerada no processo de fissão do ²³⁵U pode ser utilizada com fins bélicos. Com a descoberta da fissão, em 1938, os Estados Unidos temeram que a Alemanha nazista pudesse utilizar a tecnologia para a produção de armas nucleares durante a Segunda Guerra Mundial.

Assim, deu-se início ao Projeto Manhattan, que culminou no desenvolvimento das primeiras armas atômicas da humanidade. O urânio foi o combustível da bomba Little Boy, lançada sobre a cidade japonesa de Hiroshima na manhã de 6 de agosto de 1945, o que causou a morte de cerca de 66 mil pessoas e feriu cerca de 69 mil.

O Brasil não pode desenvolver armas nucleares, pois, além de tratados internacionais já assinados, a Constituição Federal, promulgada em 1988, discorre, em seu artigo 21, inciso XXIII, alínea a, o seguinte:

a) toda atividade nuclear em território nacional somente será admitida para fins pacíficos e mediante aprovação do Congresso Nacional.

O artigo 21 é cláusula pétrea da Carta Magna, ou seja, não pode ser alterado ou revogado, nem mesmo por Proposta de Emenda à Constituição (PEC).

Confira no nosso podcast: Tratado sobre a Proibição de Armas Nucleares (TPAN)

O urânio é perigoso?

Sem dúvidas, o risco associado ao urânio está na sua radioatividade. Segundo o Ministério da Saúde, os danos decorrentes da exposição ao elemento podem ser um simples eritema (vermelhidão) até a síndrome aguda da radiação, a qual pode ser letal. Dentre as doenças causadas pela exposição à radiação ionizante, a mais conhecida é o câncer. Além disso, um acidente pode causar sérios riscos ao meio ambiente, como contaminação do solo, água e ar.

As usinas nucleares também estão no centro da discussão acerca da poluição térmica, pois a água utilizada para esfriar os reatores pode ser despejada em corpos hídricos com alta temperatura. A temperatura elevada da água diminui a quantidade de oxigênio dissolvido nela, podendo gerar mortandade de espécies marinhas.

O urânio em si tem uma toxicidade química semelhante à do chumbo, assim, qualquer fumo inalado ou ingestão de algum composto pode ser considerado um risco à saúde. O urânio ingerido é excretado em alguns dias pelo nosso corpo, atacando basicamente o fígado. Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), é tolerada a ingestão de 0,6 microgramas de urânio por quilo corporal.

No mais, deve-se falar sobre o urânio depletado, o rejeito das usinas nucleares, rico em ²³⁸U. Essa substância não é classificada como perigosa se considerarmos seu caráter radiológico, visto que o tempo de meia-vida do radioisótopo está na faixa de bilhões de anos. Assim, embora grandes quantidades possam ser consideradas perigosas, nunca foi reportado casos de câncer ou outros efeitos negativos por exposição ao urânio depletado.

História do urânio

Vidros amarelos contendo cerca de 1% de dióxido de urânio datados de 79 d.C. foram encontrados próximo à Nápoles, Itália, indicando que o elemento poderia ter sido utilizado como pigmento.

Contudo, o urânio só foi descoberto como um elemento químico em uma amostra de pechblenda, analisada pelo alemão Martin Heinrich Klaproth, o qual publicou suas descobertas em 1789.

O nome urânio foi dado por Klaproth ao novo elemento em homenagem ao planeta Urano, descoberto oito anos antes, em 1781, por William Herschel. O nome do planeta Urano faz referência a uma antiga divindade grega dos céus.

Klaproth acreditava que havia conseguido isolar o urânio metálico, porém, em 1841, o químico francês Eugène-Melchior Péligot obteve urânio metálico através da redução do UCl₄ anidro com potássio. Assim, Péligot demonstrou que Klaproth estava diante, na verdade, de uma amostra de UO₂.

Curiosidades sobre o urânio

• É o elemento de maior número atômico que ocorre na natureza.

• Grande parte do calor interno do planeta Terra provém do decaimento radioativo do urânio, tório e potássio-40, mantendo nosso núcleo em fase líquida, permitindo assim a movimentação das placas tectônicas.

• As propriedades radioativas do urânio só foram descobertas em 1896, pelo francês Henri Becquerel.

• As prospecções com minerais radioativos somente tiveram início no Brasil em 1952.

Exercícios resolvidos sobre o urânio

Questão 1

O urânio é um elemento químico usado como combustível para gerar energia nuclear e também para produção de armas atômicas. Ele é radiativo, ou seja, emite energia na forma de minúsculas partículas. Na ciência, usam-se símbolos para representar os elementos químicos. O do urânio é U.

Trata-se de um elemento metálico denso e duro de cor branca prateada. Na presença de ar, o metal fica manchado. Quando dividido em partes muito pequenas, elas pegam fogo sozinhas. Assim como muitos metais, ele pode adquirir diversos formatos, mas, diferentemente deles, não é bom condutor de eletricidade.

No final da década de 1930, cientistas descobriram que o urânio libera grande quantidade de energia quando o núcleo de seu átomo se divide em dois.

O urânio pode ser encontrado com massas diferentes: 92U235 e 92U238. Podemos classificar esses elementos em:

A) isóbaros.

B) ânions.

C) isótopos.

D) cátions.

E) isótonos.

Resposta:

Letra C

Por apresentarem o mesmo número atômico (92) e diferentes massas, as duas espécies apresentadas devem ser classificadas como isótopos.

Questão 2

(Uern 2014) O Brasil possui uma das maiores reservas mundiais de urânio, o que permite o suprimento das necessidades domésticas a longo prazo e uma possível disponibilização do excedente para o mercado externo. O urânio é garantia de futuro com energia, de desenvolvimento planejado e se encontra inserido nas necessidades do século 21.

Disponível em: http://www.inb.gov.br/pt-br/webformas/Interna2.aspx?secao_id=47.

Sabendo que o tempo de meia vida do isótopo radioativo do 92U238 é 4,5 bilhões de anos, qual seria o tempo necessário, em bilhões de anos, para que ele perdesse 87,5% de sua atividade?

A) 1,5.

B) 3,9.

C) 9.

D) 13,5.

Resposta:

Letra D

Meia-vida é o tempo necessário para a quantidade da amostra radioativa cair pela metade. Se o tempo de meia-vida do isótopo 238 do urânio é de 4,5 bilhões de anos, quer dizer que a cada 4,5 bilhões de anos sua massa cai pela metade.

Assim, tomemos como exemplo a seguinte situação:

Após 4,5 bilhões de anos, apenas 50% da amostra inicial de 238U permanece.

Depois de mais 4,5 bilhões de anos, mais 50% de massa é perdido, restando 25%, ou seja, fazendo com que apenas um quarto da massa inicial ainda exista.

Após mais 4,5 bilhões de anos, metade dos 25% remanescentes anteriormente são perdidos, restando apenas 12,5% da massa inicial. Nesse ponto, 87,5% da massa já foi perdida, ou seja, 87,5% da atividade.

Assim, para que 87,5% da atividade fosse perdida, seriam necessários três tempos de meia-vida, mais especificamente 13,5 bilhões de anos.

 

Por Stéfano Araújo Novais
Professor de Química