Fundamento das Reações em Cadeia e Explosões Químicas

1. REAÇÕES EM CADEIA

São reações com uma cinética mais complexa que ocorrem explosivamente rápidas. Em uma reação em cadeia um intermediário extremamente reativo, reage para produzir outro, e assim sucessivamente. O intermediário numa reação em cadeia é um propagador da cadeia, que em uma reação é um radical livre paramagnético.

1.1 Fundamentos das Reações em Cadeia

A primeira etapa em qualquer reação em cadeia é a iniciação, que é a formação dos propagadores de cadeia a partir de um reagente. Uma vez formados os propagadores de cadeia, a cadeia passa para a segunda etapa, conhecida como propagação, onde o propagador reage com uma molécula do reagente para formar outro propagador. Os radicais se combinam e finalizam a cadeia em um processo denominado terminação.Pode-se verificar o processo de uma reação em cadeia através da figura 1.

clip_image002

Figura 1. Reação em Cadeia

O mecanismo de uma reação em cadeia é sugerida para explicar a lei da velocidade de reação entre o Hidrogênio e o Bromo.

H2(g) + Br2(g) à 2HBr(g)

  1. Br2× à 2HBr× Iniciação
  2. Br× + H 2 à HBr + H× Propagação
  3. H× + Br2 à HBr + Br×
  4. H× + HBr à H2 + Br× Inibição
  5. 2HBr× à Br2 Terminação

A reação 1 é a decomposição das moléculas diatômicas do bromo, para produzir átomos de bromo que é o respectivo intermediário reativo.A reação 1 em temperatura elevada ocorre numa grande extensão, rapidamente, e desencadeia as demais reações, por isso a etapa 1 é a etapa de iniciação pois ela começa a cadeia. Já nas reações 2 e 3 ocorre a formação do produto HBr, com radicais livres que mantém o prosseguimento da reação, sendo esta a etapa de propagação da cadeia. A etapa 5 a apenas a formação de uma espécie estável que finaliza a cadeia sendo essa a etapa de terminação. A etapa 4 é a inibição por que sua ocorrência remove o produto e diminui a velocidade da produção do ácido bromídrico.Esta etapa é incluída no mecanismo pois a presença do HBr diminui a velocidade da reação.

De uma forma geral as reações em cadeia ocorrem numa velocidade muito rápida; por isso muitas reações explosivas ocorrem por um mecanismo em cadeia.

A formação de um único intermediário reativo faz com que haja muitas moléculas do produto, antes que a cadeia se encerre. Com isso, a velocidade de formação dos produtos é muitas vezes maior que a velocidade da etapa de iniciação sozinha.

2. FISSÃO NUCLEAR

Fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo de numero de massa grande se divide em dois fragmentos de numero de massas comparáveis.

O processo de construção da bomba atômica é apresentado através da fissão nuclear. Neste processo alguns átomos do elemento radioativo são bombardeados através de uma explosão fazendo com que seu núcleo seja dividido em núcleos menores, formando novos elementos e liberando nêutrons que entram em choque com novos átomos e assim sucessivamente, caracterizando uma reação em cadeia, mas só enquanto a massa do elemento radioativo for superior à massa crítica, caso contrário a reação termina.

2.1 Reação em Cadeia na Fissão Nuclear

O material nuclear com o qual se podem construir bombas atômicas é o Urânio 235; este é o elemento mais pesado que se encontra na natureza; todos os elementos mais pesados que ele são denominados transurânicos e são instáveis podendo apenas serem obtidos se sintetizados. O urânio é extremamente radioativo o que indica que ele pode ser levado a explodir. Para que ocorra a explosão é necessário que haja a desintegração do núcleo de urânio e com isso uma grande liberação de energia.

Para que haja a desintegração do átomo de urânio 235 é necessária à emissão de feixes de partículas e em 1930 cientistas descobriram que os nêutrons são excelentes desintegradores de átomos de urânio como demonstrado na figura 2.

clip_image004

Figura 2. A desintegração do urânio.

Sendo bombardeado por nêutrons.

Pode-se verificar através da figura que a partir da desintegração do átomo há a produção de outros nêutrons este processo de divisão do núcleo é denominada fissão nuclear. Quando há desintegração do urânio 235 o átomo se divide em duas partes; xenônio e estrôncio. Pode-se dizer que a desintegração segue-se da seguinte forma: Nêutrons + Urânio 235 à estrôncio + xenônio + 3 nêutrons + energia. Se pelo menos um desses nêutrons provoca fissão em outro núcleo e, dos nêutrons emitidos nessa nova fissão, pelo menos um provoca outra fissão, e assim por diante, tem-se uma reação em cadeia como demonstrado na figura 3.

clip_image006

Figura 3. Reação em cadeia no núcleo de urânio 235.

Em uma bomba atômica a reação em cadeia da desintegração do núcleo de urânio ocorre rapidamente num tempo menor do que um milésimo de segundos, a energia produzida durante a fissão nuclear é gigantesca e é produzida na forma de explosão, a energia liberada é da ordem de 1010 kJ por mol de urânio bombardeado por mol de nêutrons absorvidos.

Em um reator nuclear a fissão explosiva não pode ocorrer por que o combustível não é denso o suficiente. Ao invés disso, os reatores sustentam uma reação em cadeia lenta e controlada com o uso eficiente de uma fonte limitada de nêutrons onde o número de nêutrons disponíveis para novas fissões é controlado de modo que, em média, apenas um nêutron por fissão origina nova fissão. O combustível é moldado em longas astes e é introduzido em um moderador, cuja função é reduzir a energia cinética dos nêutrons resultantes das fissões até o ponto de torná-los térmicos, sem absorvê-los. Aí, então, eles podem sustentar uma reação em cadeia.

3.EXPLOSIVOS

Explosivos são substâncias ou misturas capazes de se transformar quimicamente em gases (sofrer combustão) com uma extraordinária rapidez e com desenvolvimento de calor, produzindo elevadas pressões e um considerável trabalho devido á ação do calor liberado sobre os gases produzidos ou adjacentes. Para ser considerado um explosivo o composto tem que ter uma instabilidade natural que pode ser acionada por chama, choque, atrito ou calor. Os explosivos diferem muito quanto à sensibilidade e à potência. Tem uma maior importância industrial ou militar os de natureza insensível, que podem ser controlados e tem um elevado conteúdo energético. Existem três tipos fundamentais de explosivos, os mecânicos, os atômicos e os químicos.

Os mecânicos: pólvora preta ou qualquer mistura de combustível e comburente;

Os atômicos: fissão e fusão nuclear;

Os químicos: moléculas (substâncias químicas energéticas).

Conhecendo-se os três principais tipos de explosivos relataremos o que é de nosso maior interesse que são os explosivos químicos.

4.EXPLOSÃO QUÍMICA

Explosão é o resultado de uma reação físico química, na qual a velocidade extremamente alta é acompanhada por brusca elevação de pressão e temperatura, devido ao fato da energia liberada pela reação em cadeia ser feita num intervalo de tempo muito curto para ser dissipada na medida de sua produção, propaga-se rapidamente através do meio (ar ou água) provocando variações da pressão as quais formam a onda explosiva.

A explosão inicia-se quando um estímulo exterior provoca um aumento da energia cinética no explosivo, como demonstrado na figura 4.

clip_image008

Figura 4. Teste de sensibilidade.

Esta energia, leva a quebra das ligações das moléculas afetadas, provocando a sua decomposição e conseqüentemente libertação de energia, propagando o efeito ás moléculas adjacentes, provocando o efeito de reação em cadeia.

A propagação no interior do explosivo dá-se por reação em cadeia da decomposição das moléculas, liberando energia que vai gerar a decomposição das suas vizinhas. À frente desta propagação tem o nome de onda explosiva, velocidade desta mais ou menos constante no explosivo e característica do mesmo, mas podendo ser alterado por diversos fatores inclusive a energia cinética inicial aplicada, figura 5.

clip_image010

Figura 5. Propagação no interior do Explosivo.

4.1 Tipos de Explosões Químicas

Deflagração: É a auto combustão de um corpo, que pode estar em qualquer estado físico e que contém em sua composição combustível e comburente intimamente misturados em proporção adequada. Ocorre na direção normal à superfície, por camadas, devido à transferência de calor da zona de chama que se encontra na fase gasosa adjacente à superfície. Pode ocorrer a velocidades controladas que variam de uns poucos centímetros por minuto até aproximadamente 400 m/s. É um fenômeno de superfície e é característico dos chamados baixo explosivos.

Combustão: É a reação química do oxigênio com materiais combustíveis em cujo processo se apresentam luz e rápida produção de calor. A diferença entre a reação química de oxidação clássica (ferrugem, zinabre, aluminugem, etc…) e a de combustão é a velocidade com que essa última ocorre independente da quantidade de calor liberado. Em outras palavras a combustão é um tipo de reação de oxidação mais rápida na qual há liberação de luz e calor.

Detonação: É o fenômeno no qual uma onda de choque auto sustentada, de alta energia, percorre o corpo de um explosivo causando a sua transformação em produtos mais estáveis com liberação de grande quantidade de calor, ver figura 6.

clip_image012

Figura 6. Aumento de Calor.

Esta onda de choque ou zona de choque, da ordem de 10-5 cm, causa um pico de pressão, e um conseqüente pico de temperatura, que ocasiona a quebra das ligações das moléculas, como no caso da nitroglicerina. Como mostra a figura 7.

clip_image014

clip_image016

Figura 7. Reação em Andamento.

Seguindo esta zona de choque vem a zona de reação química, que é da ordem de 0,1 cm a 1,0 cm, na qual iniciam-se as reações químicas e atinge-se o máximo de pressão, densidade e temperatura, como visto na figura 8.

clip_image018

Figura 8. Formação dos Produtos.

Esta zona de detonação segue-se à expansão dos produtos gerados e a liberação de calor. As velocidades de detonação variam aproximadamente entre 1.000 m/s e 9.500 m/s. É um fenômeno exclusivo dos altos explosivos, como demonstrado na figura 9.

clip_image020

Figura 9. Representação da Detonação.

A velocidade de detonação é uma medida importante para a determinação do funcionamento e performance de um explosivo e depende do tamanho da partícula, da composição, da massa específica, do grau de confinamento e do diâmetro do explosivo.

A velocidade em que ocorre a detonação de um explosivo pode ser medida através do teste de D’ Autrichi representado na figura 10.

clip_image022

Figura 10 teste D’ Autruchi

Ao se verificar a velocidade com a qual a explosão ocorre pode-se definir a forma típica de passagem sobre um alvo, como ilustrado na figura 11 onde esta dividida em quatro fases distintas.

clip_image024

clip_image026

clip_image028

Figura 11. Caso ilustrativo das fases de uma explosão

e seus efeitos sobre estruturas e alvos

Inicialmente, uma situação normal (A) sucedida pela detonação do explosivo, acontece à chama do pico de sobre pressão (B), significando um aumento rápido de pressão acima da pressão atmosférica e que ira determinar a forma da onda de choque. Segue uma diminuição de forma similar á logarítmica até uma fase de pressão “negativa”, fase (C) atingindo novamente a pressão atmosférica (D).

Esse efeito de pressão “negativa”, na verdade é a diminuição da pressão abaixo da atmosférica, ocorrendo devido à contração de fluidos que expandiram na explosão para proporcionar o equilíbrio do sistema.

Para uma melhor compreensão do tema explosões serão exibidas dois vídeos mostrando as diferenças entre um explosivo mecânico e um químico.

5.BIBLIOGRAFIA

  1. BRADY, J. E.; HUMISTON, G. E. Química Geral. 2°.ed. Vol 2. Rio de Janeiro:
  1. Livros Técnicos e Científicos Editora, 1986.

Atkins, P.; Jones, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Porto Alegre: Bookman. 2001.

9. http://www.sige.ita.br/VIII_SIGE/AAe/AA002.pdf

10.http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.phpmidia=rec&cod=_comosefazumabombaatomica.

Anúncios

Publicado em 04/01/2011, em Conceitos Químicos. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair / Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair / Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair / Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair / Alterar )

Conectando a %s

%d blogueiros gostam disto: