Isótopos

Atualizado: 31 de mai.

Por Juliana Leonel


Muitas são as ferramentas que foram divisores de águas nos avanços dos estudos oceanográficos. Assim como o CTD nos permitiu medir salinidade e temperatura das diferentes camadas do oceano, os métodos de geofísica nos permitiram entender o que há nas camadas de sedimento e rocha do fundo oceânico.


Uma ferramenta que ganhou destaque nas ciências do mar na última década, devido aos avanços analíticos que permitiram um aumento nas suas aplicações, é a assinatura isotópica de diferentes elementos químicos em diferentes matrizes ambientais. Os isótopos, estáveis e radioativos, permitem desde a datação de materiais até a entender mudanças na circulação oceânica que ocorreram há milhares de anos, bem como nos ajuda a entender a evolução da atmosfera terrestre e permite estudar o intemperismo através do tempo geológico.


Mas o que são isótopos?


São átomos de um mesmo elemento químico (X) que possuem a mesma quantidade de prótons, mas diferente número de nêutrons, ou seja, tem o mesmo número atômico (Z) e diferente número de massa (A).


à esquerda a letra X com a letra A sobrescrita  e a letra Z subscrita (ambas à esquerda de X). No lado direito X = elemento químico, Z número atômico (número de prótons) e A = número e massa (número de prótons mais número de nêutrons). Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

Em geral, nos referimos aos isótopos dos elementos da seguinte forma: 14C, 18O, 34S etc, os quais lemos como: carbono-14, oxigênio-18, enxofre-34. A exceção é o hidrogênio, pois seus isótopos recebem nomes específicos: 1H, 2H e 3H são, respectivamente, Prótio, Deutério e Trítio.


Quando a combinação de nêutrons e prótons no núcleo de um isótopo lhe dá estabilidade, ele não sofre decaimento radioativo ao longo do tempo e é chamado de isótopo estável. Isso significa, por exemplo, que o 13C não se transformará em outro elemento. Porém, quando o isótopo tem um núcleo instável ele irá sofrer decaimento radioativo em busca de estabilidade e nesse processo poderá formar outro elemento; por exemplo o 14C ao decair irá formar o 14N. O decaimento radioativo é um processo em que o núcleo instável de um elemento libera energia e ocorre perda/ganho de elétrons ou prótons ou nêutrons formando outro elemento.


Diferentes elementos químicos têm diferentes números de isótopos e um mesmo elemento pode ter isótopos estáveis e radioativos.


isótopos de diversos elementos com número atômico e número de massa: um isótopo de ouro - número atômico 79 e número de massa 197, três isótopos de carbono - todos com número atômico 6 e números de massa 12, 13 e 14, hidrogênio - todos com número atômico 1 e números de massa 1, 2 e 3, oxigênio - todos com número atômico 8 e números de massa 16, 17 e 18, ferro - - todos com número atômico 26 e números de massa 54, 56, 57, 58 e 60, estanho - todos com número atômico 50 e números de massa 112, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122 e 124. Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

A proporção entre os diferentes isótopos estáveis de um mesmo elemento varia em função de cada elemento.


Tabela mostrando exemplos de isótopos de oxigênio com seus respectivos valores de prótons, nêutrons, número de massa e porcentagem de ocorrência. Para os 4 isótopos de oxigênio temos: oxigênio-16 com 8; 8; 16; 99,8; oxigênio-17 com 8; 9; 17; 0,04; oxigênio-18 com 8; 10; 18; 0,2; oxigênio-19 com 8; 11; 19; virtualmente zero; carbono-12 com 6; 6; 12; 99,9; carbono-13 com 6; 7; 13; 0,01; carbono-14 com 6; 8; 14; virtualmente zero. Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

A proporção entre a abundância de diferentes isótopos de um elemento em uma amostra é chamada de razão isotópica ou composição isotópica ou assinatura isotópica. As variações na razão isotópica são chamadas de fracionamento isotópico e ocorrem em função:


  1. do decaimento radioativo;

  2. de reações físico-químicas e biológicas. Alguns exemplos: evaporação, condensação, fotossíntese e oxi-redução.


Essas pequenas diferenças são responsáveis pelas diferentes proporções de isótopos em uma determinada amostra. No entanto, dependendo do elemento, pode ocorrer ou não o fracionamento isotópico: enquanto a evaporação leva ao fracionamento isotópico do oxigênio, o mesmo não ocorre para os isótopos de carbono ou nitrogênio, que serão afetados pelas reações de fotossíntese e de nível trófico, respectivamente.


A quantificação da razão isotópica de um elemento em uma amostra é feita comparando o valor encontrado nela pelo valor de uma amostra de referência, ou seja, é dado pelo desvio relativo (δ) expresso em partes por mil (os valores são multiplicados por 1000 para evitar trabalhar com números muito pequenos).


fórmula para quantificação da abundância isotópica: delta da amostra igual a razão isotópica da amostra dividido pela razão isotópica da amostra de referência menos 1 dividido por mil. Delta é o desvio da abundância. Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

Vamos ver o que isso significa na prática.


Imagine um valor de δ13C = - 27:

  • Lemos δ13C como delta carbono-13;

  • δ13C expressa o quanto a razão isotópica na amostra (13C/12C) é maior ou menor que a razão isotópica na amostra de referência;

  • Como o δ13C não se refere a uma concentração (isso é muito importante!), podemos ter tanto valores positivos como negativos;

  • Quando δ13C é positivo significa que a amostra está enriquecida em relação a amostra de referência;

  • Quando δ13C é negativo significa que a amostra está empobrecida em relação a amostra de referência.


Devido à diferença no número de massa, os isótopos apresentam pequenas mudanças nas suas propriedades físico-químicas.


ponto de fusão, ponto de ebulição, pressão de vapor e temperatura da densidade máxima da água com o isótopo 16 do oxigênio = 0; 100; 760 e 3,98. Os mesmos daos para água com isótopo 18 do oxigênio = 0,28; 101,14; 758,10 e 4.30. Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

No caso dos isótopos radioativos, eles decaem espontaneamente em função da instabilidade nuclear e nesse processo emitem diferentes tipos de radiação (∝, ß e γ). O elemento que sofre o decaimento é chamado de isótopo-pai e o elemento formado de isótopo-filho ou isótopo radiogênico. O isótopo-filho tem número atômico diferente do isótopo-pai, ou seja, é um elemento diferente. Além disso, quando ele é estável o decaimento para nesse ponto, mas se ele for também um isótopo radiativo o decaimento continua até formar um isótopo estável.


Exemplos de decaimento radioativo do 238U (decaimento alfa), do 3H (decaimento beta) e do 26Al(decaimento beta) com os respectivos elementos formados a partir da reação.


Um conceito importante dos isótopos estáveis - e que permite que eles sejam usados em diversos estudos, principalmente na datação de amostras - é a meia-vida (representada como t1/2); ela é o tempo que demora para metade de uma determinada quantidade de um isótopo radiativo decair. A meia-vida pode ser da ordem de décimos de segundos até bilhões de anos, dependendo do composto.


Gráfico mostrando o decaimento radioativo de um elemento qualquer. No eixo x temos o tempo (também expresso no número de meias vidas) e em y a quantidade do elemento. Cada vez que metade do elemento se degrada temos o equivalente a uma meia vida. Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

Representação da meia vida


representação de parte da série de decaimento do U-238 e o tempo de meia vida de cada elemento formado: U-238 (meia vida 4.5 Ga), Th-234 (meia vida 24.1 d), Pa-234 (meia vida 1,17 segundos), U-234 (meia vida 245.5 ka), Th-230 (meia vida 75.38 ka), Ra-226 (meia vida 1602d) Rn-222 (meia vida 3,82d), aqui é colocado … e passa para o elemeto final da série, o Pb-206 (isótopo estável). Na parte inferior da figura temos o @BatePapoComNetuno e o símbolo da licença Creative Common CC 4.0 BY

Exemplo da cadeia de decaimento do urânio- 238 até chegar no chumbo-206 (isótopo estável)


Bateu aquela curiosidade em como usamos os isótopos em estudos oceanográficos? Em breve traremos exemplos de algumas explicações.


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