Questão 106 — ENEM 2022Caderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Química → Separação de Misturas (processos baseados em diferença de massa entre isótopos) e Física → propriedades cinéticas de partículas em campos de força
• ⚡ Nível: Médio — exige interpretação de processo físico-químico aplicado a isótopos e reconhecimento de método alternativo à efusão gasosa
• 🎯 Tema/Habilidade BNCC: Tecnologias de enriquecimento isotópico e aplicações industriais da ciência dos materiais; competência de avaliar processos baseados em propriedades físicas para separação
• 🏆 Gabarito: revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Que procedimento alternativo à efusão pode separar ²³⁵UF₆ de ²³⁸UF₆ aproveitando a pequena diferença de massa entre os isótopos?"
• Palavras-chave decisivas: diferença de massa, isótopos, alternativo à efusão, enriquecimento
• Armadilha típica: confundir métodos que separam por outras propriedades (volatilidade, solubilidade, reatividade) com métodos que dependem exclusivamente da massa. Como ²³⁵U e ²³⁸U são quimicamente idênticos, qualquer método baseado em propriedades químicas falha — apenas processos físicos sensíveis à massa funcionam.
• O que a resposta precisa demonstrar: identificação de um processo físico que, assim como a efusão, explore exclusivamente a diferença de massa entre os hexafluoretos de urânio para promover a separação isotópica.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Isótopos: átomos de um mesmo elemento químico (mesmo número atômico Z) com diferentes números de massa A, devido a quantidades distintas de nêutrons. ²³⁵U e ²³⁸U têm o mesmo comportamento químico, mas diferem em massa nuclear, o que permite separação apenas por métodos físicos sensíveis à inércia.
• Efusão gasosa (Lei de Graham): velocidade de efusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa molar, v ∝ 1/√M. Por isso, o ²³⁵UF₆ (mais leve) efunde ligeiramente mais rápido que o ²³⁸UF₆, possibilitando enriquecimento progressivo após milhares de estágios.
• Centrifugação gasosa: quando um gás é submetido a alta rotação em uma ultracentrífuga, surge uma força centrífuga proporcional à massa de cada molécula (F = m·ω²·r). As moléculas mais pesadas (²³⁸UF₆) se deslocam preferencialmente para a periferia do rotor, enquanto as mais leves (²³⁵UF₆) concentram-se próximo ao eixo. Esse processo também depende exclusivamente da diferença de massa e é hoje o principal método industrial de enriquecimento.
• Métodos químicos clássicos: destilação, cristalização, filtração, precipitação e dissolução não distinguem isótopos do mesmo elemento, pois isótopos têm comportamento químico essencialmente idêntico. Métodos baseados em pH, ponto de fusão ou solubilidade falham para separação isotópica de urânio.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "pequena diferença de massa entre os hexafluoretos de urânio-235 e urânio-238" → o processo de separação tem que ser sensível à inércia (massa) das partículas. A descrição visual implícita do enunciado mostra que as alternativas trazem ilustrações de cinco diferentes processos físicos de separação, dos quais apenas um aproveita força centrípeta gerada por rotação.
• Evidência 2: "efusão repetida... milhares de vezes através de barreiras porosas" → a efusão funciona exatamente porque moléculas mais leves atravessam orifícios com velocidade ligeiramente maior. O processo alternativo deve preservar essa lógica: separar por movimento diferencial dependente da massa.
• Evidência 3: "continuam a pesquisar procedimentos alternativos" → a questão pede um método físico industrialmente viável, conhecido por substituir progressivamente a efusão. A centrifugação gasosa (ultracentrífugas Zippe) é justamente o método dominante hoje em usinas de enriquecimento como Resende (Brasil), Natanz (Irã) e Capenhurst (Reino Unido).
• Síntese: o procedimento alternativo deve gerar separação por força proporcional à massa molecular. Entre os processos físicos disponíveis, a centrifugação cumpre esse critério ao usar rotação em alta velocidade para deslocar moléculas pesadas à periferia e leves ao centro do rotor.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Reconhecer que somente métodos físicos separam isótopos

²³⁵U e ²³⁸U são isótopos: têm idêntica configuração eletrônica, mesmas reações químicas, mesmas constantes de equilíbrio e mesmas propriedades termodinâmicas relevantes (com diferenças isotópicas desprezíveis para efeitos práticos). Por isso, qualquer método que dependa de afinidade química, ponto de fusão, ponto de ebulição ou solubilidade é inviável. A separação só ocorre por processos que distinguem partículas pela inércia (massa).

Subpasso 4.2 — Identificar a propriedade explorada pela efusão

Pela lei de Graham, v ∝ 1/√M. Para os hexafluoretos:

• M(²³⁵UF₆) = 235 + 6 × 19 = 235 + 114 = 349 g/mol
• M(²³⁸UF₆) = 238 + 6 × 19 = 238 + 114 = 352 g/mol

A razão entre velocidades é v(²³⁵UF₆)/v(²³⁸UF₆) = √(352/349) ≈ √1,0086 ≈ 1,0043. Apenas 0,43% de diferença por estágio — daí a necessidade de milhares de etapas. O método alternativo precisa explorar essa mesma diferença de massa.

Subpasso 4.3 — Avaliar o método centrífugo

Na centrifugação gasosa, um cilindro contendo UF₆ gira a velocidades de até 70 000 rpm. A força centrífuga sobre cada molécula é F = m·ω²·r, proporcional à massa molecular. Moléculas de ²³⁸UF₆ (mais pesadas em 3 unidades de massa atômica) sentem força centrífuga ligeiramente maior e se acumulam preferencialmente na periferia interna do rotor, enquanto moléculas de ²³⁵UF₆ ficam mais concentradas próximas ao eixo. A diferença por estágio é cerca de 2 a 5 vezes maior do que na efusão, exigindo menos cascatas. Esse é o método baseado em diferença de massa que o enunciado solicita.

Subpasso 4.4 — Eliminar métodos não baseados em massa

Destilação fracionada: separa por ponto de ebulição — desprezível diferença entre os isotopólogos. Filtração: separa sólidos de líquidos, não isótopos gasosos. Decantação: separa fases imiscíveis, irrelevante para gases homogêneos. Cromatografia clássica: depende de afinidade químico-superficial, não de massa. Apenas a centrifugação resta como processo físico viável que aproveita a diferença de massa.

Subpasso 4.5 — Verificação

A alternativa correta deve corresponder à imagem que ilustra um processo de centrifugação (cilindro rotativo com saídas axiais para frações leve e pesada). O gabarito C corresponde ao esquema da centrifugação gasosa.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) [Imagem: aparelho de destilação fracionada, com balão, coluna de destilação e condensador]

❌ Incorreta: a destilação fracionada separa misturas pela diferença nos pontos de ebulição dos componentes. Como ²³⁵UF₆ e ²³⁸UF₆ têm pontos de ebulição praticamente idênticos (a diferença isotópica no PE é da ordem de milikelvins), o método não promove enriquecimento isotópico significativo. Além disso, não explora a diferença de massa, mas sim a volatilidade.

B) [Imagem: funil de decantação separando duas fases líquidas imiscíveis]

❌ Incorreta: a decantação separa misturas heterogêneas formadas por fases de densidades diferentes, como água e óleo. Não é aplicável a gases homogêneos como UF₆ e, ainda que fosse, não distinguiria isotopólogos com massas tão próximas. O processo depende de imiscibilidade, não de massa molecular.

C) [Imagem: ultracentrífuga / centrífuga com rotor cilíndrico em alta rotação, separando frações leve e pesada]

✅ Correta: a centrifugação gasosa explora exatamente a diferença de massa entre ²³⁵UF₆ e ²³⁸UF₆. A força centrífuga F = m·ω²·r é diretamente proporcional à massa molecular, deslocando o isotopólogo mais pesado para a periferia do rotor e o mais leve para o centro. É hoje a tecnologia padrão para enriquecimento de urânio em escala industrial (centrífugas tipo Zippe), substituindo progressivamente as plantas de difusão gasosa.

D) [Imagem: filtração simples com funil e papel-filtro, separando sólido de líquido]

❌ Incorreta: a filtração separa sólidos suspensos de uma fase líquida ou gasosa por meio de uma barreira física (filtro). Como ambos os isotopólogos UF₆ são gases nas mesmas condições, atravessariam qualquer filtro convencional sem distinção. O método não opera por diferença de massa, mas por tamanho/estado físico.

E) [Imagem: extração líquido-líquido com funil de separação ou extrator]

❌ Incorreta: a extração líquido-líquido depende da diferença de solubilidade do soluto em dois solventes imiscíveis. Como ²³⁵U e ²³⁸U são quimicamente equivalentes, qualquer solvente os solubilizaria com o mesmo coeficiente de partição, tornando o método ineficaz para enriquecimento isotópico. Não há exploração da diferença de massa.

🏆 Gabarito: C — a centrifugação gasosa é o único processo físico ilustrado que separa moléculas pela inércia, deslocando ²³⁸UF₆ (mais pesado) para a periferia do rotor e ²³⁵UF₆ (mais leve) para o centro, atendendo exatamente ao critério do enunciado.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: apenas a centrifugação gasosa, entre os processos ilustrados, explora a diferença de massa entre os isotopólogos do hexafluoreto de urânio, ao gerar uma força centrífuga proporcional à massa molecular que separa as frações leve e pesada do gás.
• Padrão de cobrança: o ENEM frequentemente cobra processos físicos de separação aplicados a contextos tecnológicos (urânio nuclear, dessalinização, refino de petróleo, separação de gases atmosféricos). A ideia central é vincular a propriedade explorada (massa, ponto de ebulição, solubilidade, tamanho de partícula) ao método correto.
• Generalização: sempre que a questão envolver isótopos do mesmo elemento, descarte métodos baseados em propriedades químicas (reações, solubilidade, pH). Procure métodos que dependam de massa (efusão, centrifugação, espectrometria) ou de propriedades nucleares (ressonância, captura de nêutrons).
• Dica de eliminação rápida: elimine destilação, filtração, decantação e extração porque dependem de pontos de ebulição, tamanho ou solubilidade — propriedades que não distinguem isótopos. Sobra apenas a centrifugação como método baseado em massa.
• Conexões com outros temas: lei de Graham (efusão e difusão de gases), radioatividade (fissão de ²³⁵U em reatores nucleares e em armamento), química nuclear (decaimento alfa e beta), Brasil-energia (Resende, INB, Programa Nuclear Brasileiro) e dinâmica circular (força centrípeta em referencial não inercial).