O urânio é um elemento cujos átomos contêm 92 prótons, 92 elétrons e entre 135 e 148 nêutrons. O isótopo de urânio 235U é utilizado como combustível em usinas nucleares, onde, ao ser bombardeado por nêutrons, sofre fissão de seu núcleo e libera uma grande quantidade de energia (2,35×1010 kJ/mol). O isótopo 235U ocorre naturalmente em minérios de urânio, com concentração de apenas 0,7%. Para ser utilizado na geração de energia nuclear, o minério é submetido a um processo de enriquecimento, visando aumentar a concentração do isótopo 235U para, aproximadamente, 3% nas pastilhas. Em décadas anteriores, houve um movimento mundial para aumentar a geração de energia nuclear buscando substituir, parcialmente, a geração de energia elétrica a partir da queima do carvão, o que diminui a emissão atmosférica de CO2 (gás com massa molar igual a 44 g/mol). A queima do carvão é representada pela equação química:
Qual é a massa de CO2, em toneladas, que deixa de ser liberada na atmosfera, para cada 100 g de pastilhas de urânio enriquecido utilizadas em substituição ao carvão como fonte de energia?
A) 2,10
B) 7,70
C) 9,00
D) 33,0
E) 300
Resolução em Texto
📚 Matérias Necessárias para a Solução da Questão:
Reações de combustão, Energia nuclear, Termoquímica, Estequiometria.
📝 Tema/Objetivo Geral:
Comparar a energia liberada por diferentes fontes (nuclear vs. carvão) e calcular a quantidade de CO₂ que deixaria de ser emitida ao usar urânio-235.
📊 Nível da Questão:
Médio — exige interpretação de dados, proporções estequiométricas e raciocínio termoquímico.
🎯 Gabarito:
D) 33,0
Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo
💡 A pergunta é: Qual a massa de CO₂ que deixa de ser liberada quando se usa 100 g de pastilhas de urânio enriquecido no lugar do carvão?
📌 Palavras-chave: urânio-235, energia liberada, CO₂, combustão, substituição.
🧐 O que está sendo pedido?
A quantidade de CO₂ evitada, em toneladas, ao substituir carvão por 100 g de pastilhas com 3% de U-235.
🎯 Objetivo cristalino: Determinar quanto CO₂ não é emitido ao trocar a fonte de energia fóssil (carvão) por energia nuclear, usando cálculo proporcional da energia e da massa de CO₂ envolvida.
❓ Você percebeu que precisa calcular quanta energia os 3 g de U-235 liberam e depois converter isso na massa equivalente de CO₂ que seria produzida por essa mesma energia?
Passo 2: Explicação de Conceitos Necessários
🧠 Fissão nuclear: Quando o núcleo do U-235 é bombardeado por nêutrons, ele se divide e libera uma quantidade enorme de energia: 2,35 × 10¹⁰ kJ/mol ⚡.
🔥 Combustão do carbono:
Equação: C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g)
Cada mol de carbono queimado libera ΔH = -400 kJ/mol, formando 44 g de CO₂.
🧪 Massas molares envolvidas:
✔ Carbono (C): 12 g/mol
✔ CO₂: 44 g/mol
✔ U-235: 235 g/mol
⚖️ Conversão de unidades:
1 tonelada = 10⁶ g, então ao final devemos converter gramas para toneladas.
💬 Dúvida comum: “Por que comparar com o CO₂?”
Porque o exercício quer saber quanto de CO₂ seria lançado na atmosfera se a energia fosse produzida com carvão, e quanto evitamos ao usar urânio no lugar dele.
Passo 3: Tradução e Interpretação do Texto
📄 O texto mostra:
🔍 As pastilhas de urânio têm 3% de U-235.
⚛️ Cada mol de U-235 libera 2,35 × 10¹⁰ kJ/mol.
🔥 A combustão do carbono libera 400 kJ/mol de CO₂ (44 g).
🧩 A questão nos orienta a comparar a energia gerada em cada caso, para depois determinar a massa de CO₂ que seria necessária para liberar essa mesma energia — ou seja, a quantidade de CO₂ que foi evitada.
Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio e Cálculos
📦 1. Quantidade de U-235 nas pastilhas:
3% de 100 g = 3 g de U-235
⚛️ 2. Energia gerada por 3 g de U-235:
Regra de três:
235 g → 2,35 × 10¹⁰ kJ
3 g → x
x = (3 × 2,35 × 10¹⁰) / 235 = 3 × 10⁸ kJ
🔥 3. Energia gerada na combustão de carbono:
400 kJ → 44 g de CO₂
📐 4. Regra de três para encontrar a massa de CO₂ equivalente:
400 kJ → 44 g
3 × 10⁸ kJ → y g
y = (44 × 3 × 10⁸) / 400 = 33 × 10⁶ g
Convertendo: 33 toneladas de CO₂
Passo 5: Análise das Alternativas e Resolução
A) 2,10
❌ Valor muito baixo, indica um erro ao estimar a energia gerada pelos 3 g de U-235.
B) 7,70
❌ Ainda subestima a energia liberada e, consequentemente, a massa de CO₂ evitada.
C) 9,00
❌ Levemente superior às anteriores, mas continua incompatível com a quantidade de energia real da fissão nuclear.
D) 33,0
✅ Corresponde exatamente à massa de CO₂ que seria liberada para produzir a mesma energia com a queima de carbono.
E) 300
❌ Valor exagerado, representa uma superestimação da massa de CO₂ evitada, sem respaldo nos dados da questão.
Passo 6: Conclusão e Justificativa Final
✅ Substituir 100 g de pastilhas de urânio (com 3% de U-235) por carvão resulta em uma economia de aproximadamente 33 toneladas de CO₂, já que o urânio fornece muito mais energia por mol.
🔍 Resumo Final:
3 g de U-235 fornecem 3 × 10⁸ kJ, o que corresponderia à queima de carbono que produziria 33 toneladas de CO₂. Essa é exatamente a quantidade de gás carbônico evitada com a substituição.
💡 Alternativa correta: D.
