Questão 97 — ENEM 2022Caderno azul · 2º Dia

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Química → Separação de misturas e propriedades físicas (massa, densidade)
• ⚡ Nível: Médio — exige interpretar o princípio físico do enriquecimento isotópico e relacioná-lo a um método alternativo baseado na mesma propriedade explorada (diferença de massa)
• 🎯 Tema/Habilidade BNCC: Métodos de separação de misturas; aplicação tecnológica da diferença de massa molar entre isótopos; competência de área 5 (Ciências da Natureza)
• 🏆 Gabarito: revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Qual técnica alternativa à efusão também explora a diferença de massa entre os hexafluoretos de urânio-235 e urânio-238 para separá-los?"
• Palavras-chave decisivas: diferença de massa, enriquecimento, alternativa à efusão, isótopos
• Armadilha típica: confundir isótopos com substâncias quimicamente diferentes e cair em alternativas como destilação fracionada (que separa por ponto de ebulição) ou extração por solvente (que separa por solubilidade) — propriedades que não distinguem ²³⁵U de ²³⁸U porque os hexafluoretos têm comportamento químico idêntico
• O que a resposta precisa demonstrar: que o método alternativo deve operar pela mesma base física da efusão — a pequena diferença de massa molar entre as duas espécies isotópicas — e não por propriedade química

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Isótopos: átomos do mesmo elemento (mesmo número atômico Z) com diferente número de massa A. ²³⁵U e ²³⁸U diferem em três nêutrons, possuem propriedades químicas praticamente idênticas e diferem apenas em massa, densidade e estabilidade nuclear
• Hexafluoreto de urânio (UF₆): composto volátil utilizado no enriquecimento porque sublima a temperaturas relativamente baixas (≈ 56 °C). A massa molar do ²³⁵UF₆ é ≈ 349 g·mol⁻¹ e a do ²³⁸UF₆ é ≈ 352 g·mol⁻¹ — diferença de menos de 1%
• Efusão gasosa: processo descrito pela lei de Graham em que gases mais leves atravessam um orifício pequeno mais rapidamente. A razão das velocidades de efusão é √(M₂/M₁). É uma técnica que depende exclusivamente da massa molecular
• Centrifugação: técnica que separa componentes por diferença de densidade ou massa, aplicando força centrífuga. Em ultracentrífugas a gás, moléculas mais pesadas migram para a periferia do rotor enquanto as mais leves se concentram no eixo
• Destilação fracionada: separa por diferença de ponto de ebulição. Como ²³⁵UF₆ e ²³⁸UF₆ têm pontos de ebulição praticamente idênticos, a técnica é inviável para isótopos
• Extração por solvente: depende da diferença de solubilidade em duas fases imiscíveis. Não distingue isótopos, que possuem afinidade química idêntica
• Separação magnética: atua sobre materiais com propriedades magnéticas diferentes. UF₆ não é ferromagnético; isótopos do urânio não diferem significativamente em comportamento magnético

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "pequena diferença de massa entre os hexafluoretos de urânio-235 e urânio-238" → o critério físico que viabiliza a separação é a massa, não diferença química
• Evidência 2: "separá-los por efusão, precedida pela vaporização" → a técnica padrão usa a fase gasosa e a passagem por barreiras porosas, dependente da velocidade molecular (que varia com 1/√M)
• Evidência 3: "devido à complexidade e à grande quantidade de energia envolvida... pesquisar procedimentos alternativos" → a questão pede outro método que seja igualmente fundamentado na diferença de massa, mas operacionalmente diferente
• Síntese: o método alternativo precisa explorar massa (ou densidade, que é massa por volume); só uma das alternativas listadas aproveita esse princípio físico de modo análogo — a centrifugação a gás, que é justamente o método mais empregado mundialmente em substituição à efusão

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Identificar a propriedade-chave

A questão deixa explícito que a separação dos isótopos do urânio só pode ocorrer por uma propriedade física, pois quimicamente o ²³⁵UF₆ e o ²³⁸UF₆ são idênticos. A propriedade explorada é a massa molar — diferença de cerca de 3 unidades em moléculas de aproximadamente 350 u, o que representa menos de 1%.

Subpasso 4.2 — Eliminar técnicas que não dependem de massa

• Peneiração separa partículas por tamanho. As moléculas de UF₆ têm dimensões iguais nos dois isótopos. Inviável.
• Extração por solvente depende de solubilidade. Não há diferença de solubilidade entre isótopos. Inviável.
• Destilação fracionada usa diferença de ponto de ebulição. Os pontos de ebulição de ²³⁵UF₆ e ²³⁸UF₆ são praticamente os mesmos. Inviável.
• Separação magnética depende de comportamento magnético. UF₆ não é magnético e os isótopos do urânio não se distinguem magneticamente em escala industrial usual.

Subpasso 4.3 — Validar a centrifugação

A centrifugação por ultracentrífuga a gás aplica forças centrípetas elevadíssimas (rotores girando a dezenas de milhares de rpm). Sob essa força, moléculas mais pesadas (²³⁸UF₆) tendem a se acumular nas paredes externas do rotor enquanto moléculas mais leves (²³⁵UF₆) ficam mais próximas ao eixo. A separação ocorre justamente pela diferença de massa — exatamente o mesmo princípio físico explorado pela efusão, porém com mecânica distinta (rotação ao invés de difusão por orifícios). Esse é o método industrial dominante no enriquecimento moderno de urânio.

Subpasso 4.4 — Verificação

A centrifugação a gás é coerente com a exigência do enunciado: explora a diferença de massa entre os hexafluoretos isotópicos, é alternativa à efusão e está em uso real nas usinas de enriquecimento (substituiu progressivamente a difusão gasosa por ser energeticamente mais eficiente). Resposta confirmada na alternativa B.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) Peneiração.

❌ Incorreta: a peneiração separa sólidos por tamanho de partícula. As moléculas dos dois hexafluoretos têm rigorosamente o mesmo tamanho — a diferença está na massa do núcleo, não na geometria molecular. Não há "peneira" capaz de discriminar três nêutrons a mais.

B) Centrifugação.

✅ Correta: explora a diferença de massa entre as moléculas isotópicas, exatamente como a efusão. Em centrífugas gasosas de alta rotação, ²³⁸UF₆ tende às bordas e ²³⁵UF₆ ao eixo. É o método industrial vigente nas principais usinas de enriquecimento.

C) Extração por solvente.

❌ Incorreta: baseia-se em diferenças de solubilidade entre fases. ²³⁵UF₆ e ²³⁸UF₆ têm comportamento químico idêntico e mesma afinidade por qualquer solvente — não há partição diferencial possível.

D) Destilação fracionada.

❌ Incorreta: depende de diferença de ponto de ebulição. Como a massa molar varia menos de 1%, a diferença de ponto de ebulição entre os hexafluoretos é desprezível. A destilação não consegue resolver a separação isotópica de modo prático.

E) Separação magnética.

❌ Incorreta: usa a propriedade magnética dos materiais. UF₆ não apresenta ferromagnetismo, e os isótopos não diferem em comportamento magnético capaz de viabilizar separação industrial. Existe uma técnica chamada espectrometria de massa por setor magnético, mas não é o que a alternativa descreve nem é viável em escala produtiva.

🏆 Gabarito: B — a centrifugação a gás separa moléculas pela diferença de massa molecular, exatamente o critério físico explorado pela efusão, sendo a alternativa industrial atualmente dominante no enriquecimento de urânio.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: entre todas as técnicas listadas, somente a centrifugação opera pela mesma base física da efusão — a diferença de massa entre as moléculas. As demais dependem de propriedades (tamanho, solubilidade, ponto de ebulição, magnetismo) que não distinguem isótopos quimicamente idênticos.
• Padrão de cobrança: o ENEM costuma apresentar processos industriais ou tecnológicos e perguntar qual técnica química/física é compatível com a propriedade do material. A chave está em casar princípio físico (massa, densidade, ponto de ebulição, polaridade, tamanho) com método.
• Generalização: sempre que a separação envolver isótopos do mesmo elemento, descarte qualquer técnica de natureza química — só técnicas físicas que explorem massa, densidade, momento angular ou velocidade molecular funcionam.
• Dica de eliminação rápida: ao ver "isótopos" + "separação", elimine de cara extração, destilação e qualquer método que exija diferença química. Sobram peneiração (descarta — mesmo tamanho), magnetismo (descarta — UF₆ não é magnético) e centrifugação.
• Conexões com outros temas: lei de Graham da efusão (Físico-Química), radioatividade e fissão nuclear (Física Moderna), métodos de separação industrial (refino de petróleo, ar líquido), aplicações pacíficas e bélicas da energia nuclear (Geografia/Atualidades).