Cinética, a lei de Arrhenius e suas aplicações nada convencionais

Imagine uma reação simples.

Onde A é o reagente, e P é o produto. A cinética dessa reação dirá, basicamente, como a sua velocidade varia com as muitas variáveis possíveis: natureza química dos reagentes, concentração dos reagentes, temperatura, presença de luz, presença de catalisador etc.

A velocidade da reação

Para a reação simples mencionada acima, a velocidade da reação será a velocidade de consumo do reagente que, neste caso, será igual à velocidade de geração do produto[1]. Assim:


Onde [A] é a concentração de A, e [P] é a concentração de P. O sinal negativo vem do fato de A estar sendo consumido, ou seja, desaparecendo do meio reacional. Sua variação de concentração será negativa, fazendo com que a velocidade seja positiva, sempre.

É muito importante que você perceba que o fato de o termo v, a velocidade da reação, supondo que a sua lei de velocidade não seja de ordem zero (veja mais adiante), depender da concentração, significa que conforme o tempo passa e o reagente é consumido, a velocidade da reação vai diminuindo. A velocidade a que nos referimos é a velocidade instantânea de reação, não a média.

A velocidade média da reação é simplesmente a divisão da quantidade de reagente que foi consumido (ou de produto que foi formado, no caso da reação simples mencionada) por um intervalo de tempo.

Já a velocidade instantânea é a taxa de variação da concentração de reagente em um determinado instante de tempo. (Hã? Pergunte a um matemático, senão esse post vai ficar ainda maior.)

Um perfil comum da curva de variação da concentração do reagente com o tempo está representado a seguir. Quando o tempo é longo o suficiente, a concentração tende a um valor limite, [A]_x, que pode ser zero ou não, dependendo de em que composição do meio reacional a energia livre será mínima.



Deve-se notar que a expressão de velocidade deve levar em consideração os coeficientes estequiométricos da reação. Por exemplo, para a reação:

Qual será a velocidade? Pra isso, basta pensar nas proporções. A velocidade será a própria velocidade de consumo de A. Porém, para cada vez que reage, 2 moléculas de B são consumidas para cada A. Ou seja, se medirmos simplesmente a velocidade de consumo de B, estaremos medindo o dobro da velocidade real. A velocidade será então a metade da velocidade de consumo de B. Ainda, quando reagem, 3 moléculas de P são produzidas. Ou seja, a velocidade será um terço da velocidade de produção de P. Como a reação é uma só, todas essas velocidades são iguais.

A lei de velocidade e a ordem de reação

Tentar estudar a cinética de uma reação dependendo de todas as variáveis citadas no início seria um inferno se tivéssemos que considerar tudo variando ao mesmo tempo. Então o que se faz é fixar todas as outras variáveis e deixar apenas uma livre. Geralmente, se deixa a concentração dos reagentes variando, e se fixa o resto.

A letra k acima da seta é a chamada constante de velocidade da reação. Nela estão embutidas justamente todas as outras variáveis que foram fixas. Dessa forma, k é uma função da natureza dos reagentes, temperatura, presença de luz, presença de catalisador etc.

Assim, a velocidade da primeira reação mencionada no texto será dada por sua lei de velocidade:


Onde [A] é a concentração do reagente A, e a é a ordem de reação com relação a A. Ou seja, se a=1, a reação é de primeira ordem com relação a A, se for 2, é de segunda etc. Não necessariamente a será um número inteiro. Pode também ser fracionário. (1/2; 3/2...) Existe também a ordem global de reação, que é, respirem, a soma dos expoentes dos termos de concentração da lei de velocidade. Complicado? Não, muito simples. Por exemplo, para uma reação:


E supondo que sua lei de velocidade seja:



A ordem global de reação será 1+2=3, ou seja, a reação é de ordem 3. É possível que uma reação tenha ordem zero. Ou seja, nesse caso:


E a velocidade da reação independe da concentração de seus reagentes. Portanto, sua velocidade é constante.[2]

Outro ponto importante é a relação entre a ordem de reação com relação a uma espécie e seu coeficiente estequiométrico. Não necessariamente eles serão iguais. As ordens de reação só serão iguais aos coeficiente estequiométricos se o processo químico for elementar [3], ou seja, se ele ocorrer em apenas uma etapa, sem a geração de intermediários. Se o processo


for elementar, então:


Também é perfeitamente possível que uma lei de velocidade não tenha ordem de reação definida, tanto global quanto com relação a uma espécie. Por exemplo, para a reação

que não é um processo elementar, a lei de velocidade, determinada experimentalmente, é bem feia[4]:

Percebe-se que a reação é de ordem 1 com relação a H₂, mas fica bem complicado, senão impossível, determinar qual a ordem com relação às outras espécies, e até a ordem global.

A lei de velocidade de uma reação é determinada experimentalmente, e geralmente não pode ser deduzida da equação da reação química. Os métodos utilizados para a sua determinação não serão explicados aqui, simplesmente porque seria necessária uma quantidade horrorosa de páginas para isso.

Cenas do próximo capítulo...

A lei de Arrhenius e suas aplicações mais estranhas...

Notas

[1] No caso de uma reação que ocorra em mais de uma etapa, a velocidade da reação será basicamente expressa pela velocidade da etapa mais lenta. (Veja nota [3])

[2] Somente as reações heterogêneas (cujo meio reacional não é monofásico) podem ter ordem global zero.

[3] Um processo não elementar seria, por exemplo:

onde A, B e C são reagentes, I é uma espécie intermediária e P é o produto

[4] k e k' são constantes de velocidade de certas etapas da reação. Cada etapa da reação é geralmente dada como uma etapa elementar.

Brincando com metais alcalinos

Antes de qualquer coisa: não brinque com metais alcalinos! Eles não são divertidos.

Metais alcalinos, quando no estado metálico[1], tendem a reagir explosivamente com água. Isso acontece porque a reação gera gás hidrogênio. Quanto mais "pra baixo" caminhamos na tabela periódica, mas violenta é a reação.

Aqui está um bom vídeo que ilustra isso.

Ele começa com o lítio. Depois vai para o sódio, potássio, rubídio e césio. Só faltou o frâncio. Imagino que eles não tenham feito com o frâncio por dois motivos:

1) Eles não são suicidas.
2) O frâncio é muito radioativo.

Diferentemente desses caras, outros parecem não ter tanto amor assim à própria vida. O vídeo Brainiac Alkali Metals ficou famoso na internet há alguns anos. E apesar de aparentemente terem descoberto que as reações feitas na banheiras foram falsas, tenho que admitir que o vídeo é divertidinho.



Se você gostou e quiser ver mais vídeos, existe um site com vídeos para vários elementos da tabela periódica. É o The periodic table of videos. Já vou avisando: tem que ser MUITO curioso pra ver, porque a maioria é simplesmente um tiozinho com cara de doido sentado falando sobre o elemento. Ainda assim, é interessante ouvir algumas histórias.

Notas

[1] Lembrando que, quando na forma iônica, as propriedades mudam. Afinal, nosso sal de cozinha nada mais é que NaCl, um sal de sódio. E eu nunca ouvi ninguém que tivesse conseguido explodir a cozinha colocando sal em água.

Chuva ácida: parte I

Chuva ácida, na realidade, é um termo generalizado que abrange vários tipo de precipitações ácidas, como a neblina ácida e a neve ácida. Esse fenômeno foi descoberto em meados de 1800, por Robert Argus Smith, na Grã-Bretanha, mas só começou a receber mais atenção nos anos 1950. No livro “Air and Rain: The beginnings of a Chemical Climatology” (Ar e Chuva: Os inícios de uma climatologia química), publicado em 1872, Smith analisou a qualidade do ar na cidade de Manchester, Inglaterra, e estabeleceu, pela primeira vez, uma ligação entre o pH da chuva e a combustão de carvão nesse centro industrial.

O que pouca gente imagina é que a chuva, mesmo em áreas não poluídas, é ácida, com pH por volta de 5,6 [1]. Isso acontece porque naturalmente existe gás carbônico na atmosfera, produto, por exemplo, da respiração humana. Esse gás carbônico, ao se dissolver na água da chuva, gera ácido carbônico, pela reação:


O ácido carbônico se ioniza parcialmente, gerando H⁺ e CO₃^2-, deixando o pH ácido.

O termo chuva ácida é usado para chuvas mais ácidas que o natural, geralmente com pH abaixo de 5. Regiões fortemente industrializadas e com uma enorme frota de automóveis, como Londres, Nova Iorque e São Paulo chegam a emitir chuvas com um pH de 4, considerado muito ácido.

O que deixa a chuva mais ácida?

Erupções vulcânicas emitem ácido clorídrico, HCl, na atmosfera, o que deixa a chuva ácida em locais como a Nova Zelândia e o Alasca, por exemplo.

Os dois ácidos predominantes na chuva ácida são o ácido sulfúrico, H₂SO₄, e o ácido nítrico, HNO₃.

O sulfúrico vem do SO₂ no ar, proveniente de vulcões e da oxidação de gases sulfurados produzidos pela decomposição de plantas. Além disso, a queima de carvão também gera SO₂, e é a principal fonte antrópica [2] desse gás.

O nítrico vem dos NOx, grupo que engloba o N₂O, NO e NO₂. A emissão do N₂O (Óxido de Dinitrogênio) se deve principalmente à ação de bactérias e à reação de N₂ e O₃ na atmosfera. O NO (Óxido de Nitrogênio) é também produzido pela ação de microorganismo, sendo muito emitido nas reações de combustão. Ele se oxida rapidamente na atmosfera, produzindo NO₂. A principal fonte do NO₂ (Dióxido de Nitrogênio) é a oxidação do NO.

Sem fronteiras

A chuva ácida precipita-se segundo a direção do vento, em um local distante da fonte do poluente. Os ácidos são gerados enquanto a massa de ar com os poluentes é arrastada.

Por exemplo, a maior parte da chuva ácida que cai na Noruega, Suécia e Holanda é consequência da poluição em outros países europeus. Há discussões sobre lagos na Escandinávia serem acidificados por chuva ácidas causadas por poluentes vindos da Alemanha, Reino Unido e França. E termelétricas movidas a carvão no Rio Grande do Sul geram poluição que atinge até o Uruguai.

Notas

[1] Lembrando: a escala de pH vai de 0 a 14, e o pH é definido como:

pH = -log [H⁺]

Valores de pH até 7 são considerados ácidos, 7 é neutro, e acima de 7 são básicos.

[2] Fontes geradas por seres humanos.

A Serpente do Faraó

No domingo, 29/03/09, o Detetive Virtual do Fantástico investigou um vídeo muito legal, onde um garoto dizia estar queimando uma pedra de marte, e uma coisa horrorosa saía de lá de dentro.

O vídeo é o seguinte:



Esse vídeo é real, e mostra a decomposição térmica de uma substância chamada tiocianato de mercúrio (II), Hg(SCN)₂. Como todos os compostos de mercúrio, é altamente tóxico, e essa reação deve ser feita em capela, ou em um lugar bem amplo e arejado.
O que acontece é que, quando se coloca fogo na substância, se inicia sua decomposição térmica, formando essa massa marrom muito volumosa, que é predominantemente uma forma de nitreto de carbono (C₃N₄). Esse experimento é conhecido popularmente como serpente do faraó.


O site Chem Toddler tem um vídeo legal sobre isso. Apesar de a primeira parte ser um tédio, o vídeo explica um pouco o que está acontecendo. E eu confesso que fiquei até com um pouco de medo da aparência desse negócio.



Pra quem gostou e quer tentar algo parecido em casa, o site Ponto Ciência ensina uma versão mais simples, com coisas que se encontra pra vender em supermercados e farmácias. Se você for até a última etapa, tem um vídeo mostrando o que acontece no final. Reparem que a aceleração do vídeo é de 1000%, ou seja, o que aparece no vídeo está 10 vezes mais rápido do que o que acontece na realidade.

Brilha brilha estrelinha

Muita gente deve curtir aqueles adesivos que brilham no escuro, em forma de estrelinhas, planetas e várias outras coisas, que a gente cola no teto do quarto e em outros lugares.
Mas por quê esses adesivos, os interruptores de luz ou os botõezinhos do controle remoto brilham no escuro?

"Mini flashback gigante" sobre átomos

Mais uma vez, um flashback só com o que interessa pra entender esse post. Não vou contar a história do átomo e blábláblá.
Um átomo é a menor partícula que se pode obter de um elemento mantendo suas características. Átomos são compostos por prótons, nêutrons e elétrons. Prótons possuem carga positiva, nêutrons são neutros, e elétrons carga negativa. O núcleo do átomo é formado por prótons e nêutrons, e em volta dele, temos os elétrons, numa nuvem eletrônica em que eles giram constantemente em seus orbitais. Um orbital é uma região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron.
Há também os orbitais moleculares. Falando bem grosseiramente, quando dois átomos interagem entre si, formando uma ligação, seus orbitais atômicos se combinam, formando orbitais moleculares (é a teoria dos orbitais moleculares).

Radiação

Mais uma explicação meio grosseira.
Luz, microondas, raios x, ondas de rádio e laser são alguns tipos de radiação. Radiação é um meio de propagação de energia. Muitas das propriedades da radiação eletromagnética são convenientemente descritas pelo modelo clássico da onda senoidal, representado na figura abaixo. O eixo y é a intensidade da radiação e o eixo x pode ser o tempo no qual a radiação passa em um ponto fixo, ou a posição, em um instante de tempo.

O modelo ondulatório falha na consideração de fenômenos associados à absorção e emissão de energia radiante. Para entender esses processos, é necessário recorrer a um modelo de partícula no qual a radiação eletromagnética é vista como um feixe de partículas discretas [1], ou pacotes de energia (sim, você leu direito), chamados fótons. Fótons não tem massa, apenas energia, por mais estranho que isso possa parecer.
Essas duas formas de visão da radiação são complementares. Isso se chama dualidade onda-partícula.

Absorção de radiação

Geralmente, os orbitais atômicos e moleculares são representados por um diagrama parecido com o representado abaixo.


Diz-se que um átomo está em seu estado fundamental (E₀ no diagrama) quando sua energia é a mínima que ele pode ter. O mesmo serve para moléculas.
Porém, se incidirmos radiação em uma molécula, ela pode absorver energia. E vai para o que chamamos de um estado excitado. Mas, pela teoria quântica, a molécula só vai absorver a energia de um fóton se essa energia for exatamente igual à diferença de energia entre dois níveis dela.

Então, no diagrama, vamos supor que a molécula absorve um fóton com energia tal que promova um elétron de valência[2] para um nível energético maior, E₁. Estamos tratando aqui só de níveis de energia eletrônicos, e ignorando os vibracionais e rotacionais! Essa é a primeira etapa do que acontece com as coisas que brilham no escuro. Elas são feitas de substância que absorvem radiação de certos comprimentos de onda, promovendo seus elétrons.


Depois de um certo tempo (que pode demorar de 10^-15 segundos até horas) esse elétron perde essa energia, voltando a seu estado fundamental. Mas a primeira coisa que a gente aprende em ciências na escola é que a nada se cria e nada se perde: tudo se transforma! Se o elétron perde a energia, ela tem que ir pra algum lugar! Essa energia é liberada na forma de um fóton. Ou seja, luz! E é aí que a gente vê ele "brilhar".

As substâncias que demoram mais para voltar ao estado fundamental são chamadas fosforescentes. A fluorescência é mais rápida: vai de 10^-15 a 10^-13 segundos. A fosforescência dura mais, podendo durar horas. Tanto que mesmo depois que você apaga a luz, à noite, e a radiação já parou de incidir nele, ele continua brilhando. Se você acordar no meio da noite, provavelmente ele ainda estará brilhando. Ele ficará brilhando até que praticamente todos os elétrons tenham perdido energia e voltado ao estado fundamental. Aí ele precisará de radiação incidente para promover seus elétrons novamente.

As correções

Na verdade, existem mais processos, associados aos níveis de energia vibracionais e rotacionais das moléculas e átomos. Esse processo todo que eu descrevi nesse post é mais complexo. Mas por enquanto, vamos parar por aqui!

Notas

[1] Dizer que uma partícula é discreta significa dizer que sua energia só pode assumir certos valores quantizados, dados por E=hf, onde E é a energia do fóton, h é a constante de Planck, e f é a frequência do fóton.
[2] Um elétron das camadas mais externas, mais longe do núcleo.

Quantos R's são mesmo?!

Os 3 R's já são famosos. Reduzir, reutilizar, reciclar. Nessa ordem.
O que pouca gente sabe é que na verdade há mais 2 integrantes nessa lista. São a recuperação e a compostagem. Mas você a diferença entre eles? Ou pra você usar a garrafa de refrigerante pra guardar sabão em pó é reciclagem?

Reduzir

Não há mistério com relação a essa. Reduzir o consumo para reduzir a geração de lixo. É o que promove o uso de sacolas de compras reutilizáveis em vez das sacolinhas plásticas e a compra de produtos a granel em vez daquelas encaixotadinhas com 300 camadas de plásticos e papéis pra guardar o produto, por exemplo.

Reutilizar

Reutilizar significa utilizar um resíduo (lixo) para outro fim que não aquele para o qual ele foi gerado. Então, quando você vê a propaganda da Tetra Pak na TV, dizendo que depois que você joga sua caixinha de leite no lixo, ela é reciclada e vira brinquedos, telhado e várias outras coisas, é mentira. Isso é reutilizar, e não reciclar. Quando você usa a sacolinha plástica pra colocar lixo, mesmo que infeliz, isso é uma reutilização.

Reciclar

Como o próprio nome diz, reciclar significa reintroduzir o resíduo no seu próprio ciclo, como parte da matéria prima. O famoso exemplo das garrafas PET: quando elas vão para a reciclagem, são usadas como matéria prima para se fazer novas garrafas PET. A reciclagem, apesar de benéfica, também consome dinheiro e um bem muito precioso: água. Por isso, o princípio dos R's começa na redução, que deve ser a prioridade.

Recuperar

Muitos resíduos tem sua energia aproveitada através da incineração. Na incineração, os resíduos sofrem decomposição térmica, em fornos que vão a temperaturas da ordem dos 1000 °C. O ideal é incinerar resíduos que possuam alto poder calorífico, ou seja, que o calor gerado pela sua queima seja alto o suficiente para manter as chamas acesas com pouco uso de combustível adicional. Geralmente há uma grande redução no volume dos resíduos por esse método. E a energia gerada pela queima pode ser aproveitada em outras áreas da indústria.
O processo de incineração é bastante caro. Por isso há poucos incineradores industriais no Brasil, e as empresas que tem um ganham uma nota preta em cima disso.

Compostar

A compostagem é uma técnica milenar, praticada pelos chineses há mais de 5 mil anos.
É um processo biológico em que os microrganismos transformam a matéria orgânica, como estrume, folhas, papel e restos de comida, num material que se chama composto, que pode ser utilizado como adubo. No bom português, você mistura esterco, folhas, resto de comida e qualquer outra coisa orgânica que você achar pela frente, espera um tempo e o que você tem é um adubo orgânico de primeira, que não prejudica o solo e não compromete sua qualidade, como os NPK's[1].

Amidala moderninha

Conhece a Natalie Portman? É uma atriz israelense, conhecida por ter interpretado a Padmé Amidala na saga Star Wars[2].
A Natalie Portman, quando era criança, fez parte de um grupo chamado World Patrol Kids.
Vou poupar palavras. Vejam que coisa estranha original.

Notas

[1] Fertilizantes químicos à base de nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K), que são macronutrientes das plantas.
[2] Natalie nasceu em Jerusalém, e segundo a Wikipedia, é vegetariana (êêê!) e formada em psicologia pela Universidade Harvard.

Conheçam!
A EPA (Environmental Protection Agency), a agência de proteção ambiental dos Estados Unidos, tem uma seção do site dedicada aos 3 R's. O endereço é: http://www.epa.gov/epawaste/conserve/rrr/index.htm

O site da USP tem uma parte sobre coleta seletiva, e fuçando lá dá pra achar muita coisa legal: http://www.ib.usp.br/coletaseletiva/

Se você curtiu a idéia da compostagem, mas mora em apartamento, isso não é mais desculpa. Clique aqui e descubra porque!

História e química forense: Napoleão morreu por envenenamento?

Após a derrota na batalha de Waterloo, em 1815, Napoleão foi exilado na ilha de Santa Helena, onde viveu por seis anos. De Napoleão resta ainda um vestígio material: cabelo. Foi feita uma análise química dos fios de cabelo e, em 1960, foi levantada a hipótese de que Napoleão não teria morrido de causas naturais, e sim envenenado.

Motivo da suspeita: a análise química revelou a presença de uma quantidade anormalmente alta de arsênio no cabelo de Napoleão.

Talvez sim...

O arsênio não é um dos chamados elementos essenciais (elementos que fazem parte da constituição química de vários seres vivos, incluindo os seres humanos, como o zinco e o magnésio, por exemplo), sendo apreciavelmente tóxico. Contudo, o arsênio, assim como muitos outros elementos químicos, não é tóxico quando na forma elementar (o elemento mesmo, e não um de seus compostos). Porém, o óxido de arsênio, de fórmula As₂O₃ é bastante tóxico. É um composto sólido, branco, com uma propriedade bastante útil para aqueles que desejam envenenar alguém: é solúvel em água, produzindo soluções incolores. Assim, pode ser acrescentado ao chá, café, refrigerante, cerveja etc. Além de tudo é insípido. Outra vantagem para o assassinato perfeito: é difícil de ser detectado por análises químicas convencionais, o que torna difícil a identificação da causa mortis no caso de uma autópsia.

Talvez não...

Contudo, no início dos anos 90, uma outra explicação para o alto teor de arsênio no cabelo de Napoleão, que não o envenenamento criminoso, foi levantada: o envenenamento por arsênio teria sido acidental.

Um suspeito inusitado

O papel de parede de um dos aposentos de Napoleão era verde, graças ao uso de um composto de arsênio, o arsenato de cobre, de fórmula CuHAsO₄. Tratava-se de um pigmento verde muito utilizado na época de Napoleão.

O clima úmido da ilha de Santa Helena teria propiciado a formação de mofo no papel de parede. Os microrganismos que constituem o mofo teriam então convertido bioquimicamente o arsenato de cobre no composto trimetil arsênio, (CH₃)₃As, o qual é altamente volátil[1]. O trimetil arsênio é muito tóxico e, sendo também muito volátil, seria facilmente inalado por todos que estivessem na sala. Uma vez que Napoleão estava sempre por lá, deve ter respirado uma quantidade maior do composto do que qualquer outra pessoa.

Esta hipótese é corroborada pelo fato de que aqueles que visitavam Napoleão com certa regularidade queixavam-se de distúrbios gastrointestinais, além de outros sintomas característicos de envenenamento por arsênio. Reportavam ainda que sua saúde costumava melhorar quando realizavam atividades ao ar livre.

Notas

Texto adaptado de "Introdução à química forense", de Robson Fernandes de Farias.
[1] Fácil de passar para o estado gasoso.

Vou te dar muita pressão! - Parte III (Final)

A saga chega ao fim.

Uvas borbulhantes

Provavelmente todo mundo estudou em química na escola que, para gases, a relação PV/T é constante, sendo P a pressão, V o volume e T a temperatura. Isso significa que, se mantivermos a temperatura constante, e diminuirmos o volume de um gás pela metade, a pressão dobra.
Agora imagine que você tem o sistema abaixo:

Onde a parte azul é um pistão que pode se mover nos dois sentidos indicados. Dentro do cilindro temos gás. Se o pistão vai para a esquerda, o gás é comprimido. O que acontece se colocarmos uma uva dentro do cilindro, com gás lá dentro, e pressionarmos o pistão até que a pressão lá dentro se torne muito maior do que a inicial? O gás, que agora tem maior pressão (por causa da diminuição do volume), terá que se solubilizar na água da uva, até que a pressão e a concentração de gás na água estejam em equilíbrio. E aí você tem uvas borbulhantes, que te dão a mesma sensação de estar tomando refrigerante quando você as come.
Isso existe. Há algum tempo vi uma reportagem na TV sobre um restaurante experimental que tem um aparelho parecido com uma garrafinha térmica de café, mas é um aparato como o da figura, onde eles colocam qualquer fruta lá dentro, pressionam e deixam assim por um tempo, até que uma parte do gás se dissolva na água da fruta. E depois é só servir!

O meu sangue ferve por você

É bem conhecido o fato de que, quando se está a grandes profundidades, não se deve retornar à superfície muito rapidamente, ou corre-se o risco de o sangue "ferver".
O sangue não ferve. Essa expressão é usada porque, caso a subida seja brusca, se formam bolhas no sangue, que podem até matar a pessoa.
Quando você está muito no fundo do mar por exemplo, a pressão é muito maior que a atmosférica. Essa pressão, exercida no seu pulmão, força o oxigênio a se dissolver no sangue mais do que seria possível a altitudes próximas ao nível do mar. Quando você vai retornando à superfície, esse gás extra dissolvido tende a ser liberado, e sair pelo pulmão na expiração.
Se você sobe muito rápido, o gás não tem tempo de chegar ao pulmão antes de passar para o ar que será expirado, e passa para a fase gasosa ali mesmo, dentro dos seus vasos sanguíneos, formando bolhas.

Vou te dar muita pressão! - Parte II

Como agilizar (e salvar) a sua vida, evitar desperdícios e experimentar novos sabores usando... Pressão!

Secagem nada mágica

Alguém já se perguntou por quê as roupas secam no varal mesmo quando estão na sombra? Eu nunca tinha me perguntado, e precisou meu irmão questionar isso pra eu perceber que não fazia nenhum sentido. Como a água virava vapor, se ela não estava a 100 °C?
Agora que já falamos sobre pressão de vapor, fica fácil responder. As moléculas de água tendem a escapar da fase líquida para a vapor, até que a pressão de vapor máxima seja atingida. Como as roupas estão ali, ao léu, nem um pouco isoladas, aquelas moléculas escapam para o infinito e além, e nunca vai haver moléculas o suficiente em contato com a água na roupa para que o equilíbrio seja atingido e ela pare de evaporar! Por isso, a água vai evaporando continuamente, na tentativa de atingir esse equilíbrio.
Considerando isso, dá pra entender também por que em dias de chuva ou com muita umidade no ar as roupas demoram mais pra secar. Porque uma maior umidade no ar significa mais moléculas de água em vapor em contato com a água nas roupas.
E por quê quando venta elas secam mais rápido? Porque você está afastando as moléculas que foram para a fase vapor mais rapidamente do líquido!

Refri pra que te quero

Nesse calor infernal que tá fazendo aqui em São Paulo, de vez em quando tem rolar um refrigerante. A saúde que me desculpe, mas na hora do desespero eu deixo o suco de lado e quero mesmo é um refrigerante quase congelado!
Mas convenhamos, tirando as pessoas que (por algum motivo que eu jamais vou entender) gostam de refrigerante sem gás, é altamente frustrante abrir a garrafa de 2 litros e descobrir que ele se foi!
Quando você compra o refrigerante, se você apertar aquela parte da garrafa que não tem líquido, vai perceber que ela está dura. Claro, existe gás (carbônico, nesse caso) ali dentro, fazendo pressão. Quando você abre, e faz aquele barulhinho legal, o gás escapa quase todo da garrafa. Então você se serve, e fecha a garrafa. O gás carbônico vai começar a escapar do refrigerante, para o espaço sem líquido dentro da garrafa, até conseguir a pressão de equilíbrio (uma pressão suficiente para manter o resto do gás dissolvido no refrigerante; lei de Henry, people!). E toda vez que você abre a garrafa para se servir, o ciclo se repete.
Agora pense: quanto mais espaço sem líquido dentro da garrafa, mais gás terá que sair do refrigerante para se atingir a pressão de equilíbrio, certo? A solução (nem um pouco prática, mas eficiente) para seu refrigerante não perder o gás é, toda vez que você tirar uma certa quantidade de refrigerante da garrafa, transferir o resto do líquido para uma garrafa menor, onde sobre a menor quantidade possível de espaço sem líquido. E fechar bem!, claro, senão não adianta.

Continua no próximo post... (mel dels, vai ter uma Parte III!)

Vou te dar muita pressão!

É... O Bonde do Tigrão já sabia o que dizia.

Evidentemente, não no mesmo sentido, mas esse negócio de pressão é mesmo muito divertido. (pelo menos eu acho!)

Pressão

Pressão é definida como força dividida pela área sobre a qual a força é aplicada. Se tratando de pressão de gases, a origem da força exercida por um gás sobre as paredes de um recipiente que o contém é a sequência incessante de colisões das moléculas do gás com as paredes. São tantas colisões que o gás exerce uma força praticamente constante , que se manifesta como uma pressão constante.

Pressão de vapor

O que acontece se você deixar um copo com água em cima da mesa por dias? A água evapora. E o que acontece se você deixar o mesmo copo com água em cima da mesa, mas cobrir e vedar bem a boca do copo com um plástico? A água vai evaporar tão mais lentamente que vai dar até a impressão de não estar evaporando, certo?
Isso acontece por causa de uma propriedade chamada pressão de vapor, que nada mais é que a pressão exercida pelo vapor de uma substância. Quando você fecha o copo, as moléculas de água que estão na forma de vapor não tem para onde escapar, e ficam ali, em contato com o líquido. Depois que uma certa quantidade de água evaporou, e está ali dentro, em contato a fase líquida, a água para de evaporar. Nesse ponto, diz-se que o vapor e o líquido estão em equilíbrio dinâmico, e temos a pressão de vapor máxima. Geralmente, os líquidos tendem a evaporar até atingirem sua pressão de vapor máxima. E isso é o que explica as coisas legais.

Pressão parcial

Pressão parcial é a pressão que um gás exerceria se estivesse sozinho em um recipiente. Por exemplo, suponha que você tenha uma mistura de 3 gases, A, B e C, e a pressão total seja 1 atm. Você tira o gás A, e a pressão cai para 0,9 atm. Isso significa que a pressão parcial do gás A era 0,1 atm. A pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões parciais desses gases.

A lei de Henry

A lei de Henry se aplica a concentrações de soluto pequenas e pressões parciais baixas. Em 1801, o químico britânico William Henry descobriu que a solubilidade de um soluto (que pode ser um gás) está relacionada à sua pressão parcial na fase gasosa, e a constante de proporcionalidade é uma constante empírica, K, que depende da natureza do gás, do solvente e da temperatura.

A solubilidade de um gás em um líquido é diretamente proporcional à sua pressão parcial.

Ou

P_g=x_gK_g

Onde x_g é chamada fração molar (ou seja, no líquido,a fração molar ocupada pelo gás solubilizado).

A parte divertida

Fica para o próximo post! Senão esse aqui vai ficar gigante como o último!

O caso do Lago Nyos

Parece um filme de terror, mas é um fato.

No dia 21 de agosto de 1986, às 19h30, a comunidade que habitava a região próxima ao lago Nyos, no noroeste dos Camarões, África, teve seu sossego perturbado por uma série de ruídos estranhos. Aproximadamente no mesmo horário uma nuvem branca se formou sobre a superfície do lago, permanecendo ali. Pouco depois, e sem aviso, uma bolha gigantesca emergiu violentamente das profundezas do lago, lançando suas águas a mais de 50 metros de altura. Em questão de segundos toda a população das redondezas, em um raio de 25 km a partir do lago, estava inconsciente. Algum tempo depois, algumas pessoas ainda estavam inconscientes, mas outras 1700 pessoas, bem como a maioria do gado que era criado ali, morreram.

O Monstro do lago Nyos? Não. Uma substância química.

Esta tragédia misteriosa e sem precedentes se tornou alvo de intensas investigações científicas. Muitos detalhes relacionados ao acontecimento ainda não estão claros, mas se sabe que a morte daquelas pessoas está associada à liberação de mais de 240 000 toneladas de dióxido de carbono (gás carbônico, CO₂) das águas do lago. O gás carbônico é mais denso que o ar, e ficou próximo ao solo, onde as pessoas respiravam.

O cenário

O lago Nyos tem uma área superficial de 1,48 km² e uma profundidade de 210 metros, em forma de cone com o fundo chato. Formas naturais de aeração permitem a entrada contínua de gás carbônico, que se dissolve na água. Toda a água do lago tem capacidade de manter dissolvido aproximadamente 1,5 km³ de CO₂. Fazendo-se as contas com a taxa de aeração do lago e a capacidade, tem-se que em pouco mais de 20 anos, o lago estaria saturado, ou seja, todo o gás carbônico que se conseguiria dissolver no lago estaria lá, dissolvido na água.

As causas

As causas da liberação ainda não geraram unanimidade. Uma teoria muito aceita é uma chuva fria que havia caído por muitos dias no lago tivesse aumentado a densidade das águas superficiais, fazendo com que elas fossem para o fundo, deslocando as águas profundas para o único lugar aonde elas poderiam ir: para cima. Quanto mais para cima, dentro do lago, menor a coluna de água acima e, assim, menor a pressão. Quanto menor a pressão, menos gás é possível se dissolver em um líquido. Por isso que quando você abre uma garrafa de refrigerante, as bolhinhas se formam no líquido, sobem para superfície e saem dele. Por que você liberou a pressão que estava lá dentro, forçando o gás a ficar dissolvido no líquido[1].

À profundidade de 200 m, o máximo calculado que se consegue dissolver de CO₂ na água é 0,620 mol/L. A concentração real que havia a essa profundidade era 0,475 mol/L, e 0,475 mol/L é a concentração de saturação à profundidade de 150 m. Ou seja, qualquer água que estivesse a 200 m, caso subisse para profundidades menores que 150 m, liberaria o CO₂ em forma de gás. Por isso, acredita-se que o movimento da água fria descendo foi suficiente para deslocar a água mais profunda o pouco necessário para a liberação de uma quantidade enorme de gás. Afinal de contas, 50 m não é exatamente uma grande distância.

A química analítica do desastre

Você lembra das aulas de oxirredução? Pois bem, vamos fazer uma revisão super-hiper-ultra-mega-bombasticamente rápida! Na verdade, voltada ao que interessa aqui. O oxigênio é um agente oxidante[2], certo? Por isso que quando deixamos um prego exposto muito tempo ao ar, ele enferruja, porque o oxigênio do ar o oxida, formando óxido de ferro (ferrugem).

Muito bem. Na água de um lago, não temos só água e gases dissolvidos. Temos também diversas outras espécies, em diversos estados de oxidação. Uma dessas espécies é o ferro, presente muitas vezes como bicarbonatos e sulfitos de ferro. Os estados mais comuns do ferro são Fe(II) e Fe(III) (+2 e +3). O mais oxidado é o +3 (que perdeu 3 elétrons).

Agora vamos tratar do oxigênio dissolvido no lago. Quanto "mais rasa" a água, maior seu contato com a atmosfera e a probabilidade de oxigênio se dissolver nela. Assim, quanto menor a profundidade, mais oxigênio dissolvido na água.

Agora temos tudo para deduzir um fato interessante que ocorreu juntamente com o lançamento da bolha. Considerando que:

• o ferro está presente na água nas suas duas formas mais comuns de oxidação, +2 e +3;


• quanto mais profunda a água, menos oxigênio dissolvido, e


• o oxigênio é um agente oxidante

O que esperamos com relação à formas do ferro presentes em certas profundidades? Esperamos que a forma mais oxidada do ferro, o Fe(III), esteja mais presente nas águas mais rasas (ambiente oxidante), e a mais reduzida, o Fe(II), mais presente nas águas profundas (ambiente redutor). Lembre-se que estamos falando de formas dissolvidas, ou seja, o ferro metálico (Fe⁰) não entra no jogo.

Então o que aconteceria com o ferro dissolvido em água mais profundas caso essa água de repente fosse para a superfície? Ele se oxidaria. E foi o que aconteceu. O ferro, presente como bicarbonato, reage com o oxigênio, se oxidando, e depois reage com a água, formando hidróxido de ferro (III) (Fe(OH)₃), que é vermelho. E foi assim que o lago ficou (antes e depois na figura abaixo), com uma cor marrom-ferrugem.

Errar uma vez é humano...

Para evitar que isso volte a acontecer (afinal de contas, a aeração do lago nunca para) hoje se realiza um projeto de retirada do excesso de gases dissolvidos do lago Nyos. O projeto de chama Degassing Nyos (seria algo como "desgasificando" Nyos). O que se faz é puxar água do fundo do lago, através de um tubo, com uma pequena bomba. Se puxa a água até uma certa altura em que a pressão não seja mais suficiente para manter o CO₂ dissolvido. Então, se formam bolhas, e as próprias bolhas continuam por arrastar a água para cima, sem necessidade da bomba.
No site do projeto pode-se até acessar uma webcam, com a qual de tempos em tempos eles tirar uma foto do lugar.

Até mais povo!

Notas

[1] Tema para um post futuro.
[2] Um agente oxidante é aquele que retira elétrons da outra espécie química.

O fantástico mundo da química diz Oi!

Oi! Não, eu não sou o fantástico mundo da química, mas eu faço parte dele, e pretendo fazer muito mais daqui para o fim da minha vida. Eu sou a Juliana, e me sinto honrada de passar a integrar a equipe LeGauss e dar espaço a meu lado geek. Irei falar principalmente de química, mas considerando a abrangência do tema, posso perder a noção e me espalhar um pouco.

Para o meu primeiro post, não irei falar sobre a química em si. ("mas ela acabou de começar!") Mas sobre porque raios alguém falaria de química. Bom, se você é uma das pessoas que acham que a química morreu junto com Linus Pauling, em 1994, minha opinião é que você está benzenicamente[1] enganado. Só pra começar, provavelmente poucas pessoas já ouviram o nome Indra Nooyi, que é simplesmente o nome da presidente mundial da PepsiCo, empresa que faz bebidas e dona da FritoLay, que fabrica salgadinhos, entre eles o Doritos. Indra é indiana, nascida em 1955, e é uma química graduada[2], com mestrado em administração na Universidade Yale, nos Estados Unidos.

Pra quem não gosta de química, meu palpite é que o único contato que vocês tiveram com ela até agora tenha sido na escola. Eu reluto um pouco, mas tenho que concordar: daquele jeito, fica mesmo difícil gostar. Eu mesma, quando estava na escola odiava química orgânica. Pra falar a verdade, depois de 4 anos de faculdade eu continuo odiando. Minha proposta aqui não é ensinar a dar nome a compostos orgânicos, mostrar reações e produtos, ensinar estequiometria. Mas sim mostrar a enorme quantidade de coisas legais que a química explica[3]. Tomates que brilham, a química forense, as armas químicas, fenômenos físico-químicos e muitas, muitas outras coisas. Como a química está intimamente ligada à biologia e à física, posso eventualmente invadir um pouco essas áreas. Provavelmente vou me cuidar mais com a física, pois nesse blog já tem gente mais do que suficiente com conhecimentos nisso!

Até mais, povo!

Notas

[1] Essa palavra não existe!
[2]Que queria ser cantora de rock quando criança.
[3] Ou pelo menos pensa que explica.