UNIDADE
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A QUÍMICA E A SOCIEDADE

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Ao longo dos séculos, os veículos mudaram o modo como as pessoas se locomovem. O uso de tração animal foi substituído por motores, revolucionando diversos tipos de transporte. Atualmente, além dos motores a combustão, os motores elétricos estão ganhando cada vez mais espaço na fabricação de automóveis, pois são alternativas mais sustentáveis e eficientes. A evolução dos veículos continua a moldar a mobilidade e as tecnologias do futuro. A imagem mostra um carro elétrico sêndosendo carregado.

Respostas e comentários estão disponíveis nas Orientações para o professor.

1. Você sabe quais reações químicas ocorrem no motor a combustão?Como essas reações fazem o carro se mover?

2. E quanto ao motor elétrico, quêque reações ocorrem nele e como elas geram energia para movimentar os carros?

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TEMA
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Funções inorgânicas

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

Alguns gases, como o dióxido de enxofre e o óxido de nitrogênio, quando liberados na atmosféraatmosfera por causa de emissões industriais, reagem com a á guaágua presente nas nuvens e formam ácidos quêque caem na Terra com a chuva, causando danos a monumentos, matando plantas e poluindo rios. No entanto, nem todo ácido é nocivo. Alguns são fundamentais para a vida, como o ácido ascórbico, mais conhecido como vitamina C, encontrado nas frutas cítricas.

Os ácidos côrcorrespondem a um grupo de substâncias com características comuns: têm sabor azedo, reagem com metais e alteram a cor de certos indicadores. Eles estão por toda parte, não só na chuva ácida mas também no vinagre, nas baterias e até no estoômagoestômago dos sêresseres vivos. Mas o mundo das funções inorgânicas vai além dos ácidos. As bases, os sais e os óxidos também têm papéis importantes em diversas reações químicas e no cotidiano.

As bases, por exemplo, estão nos antiácidos e nos produtos de limpeza. Já os sais, além de temperar alimentos, dêsempênhamdesempenham funções vitais no organismo. Por fim, os óxidos participam de processos diversos, como a respiração celular e a formação da fêrrugemferrugem.

Neste Tema, serão abordadas essas funções inorgânicas.

Óxidos

Ao longo dos séculos, diversas substâncias da classe dos óxidos foram estudadas (há indícios de quêque óxidos já eram conhecidos pêlospelos alquimistas). Mas foi no século XVIII, com o avanço no estudo dos gases, quêque o dióxido de carbono (CO₂) recebeu atenção especial. O químico francês, naturalizado escocês, jôsefJoseph Black (1728-1799) foi um dos pioneiros no estudo dêêssedesse gás, reconhecendo sua importânssiaimportância em várias reações químicas.

Na natureza, encontram-se óxidos em diferentes formas. Dois exemplos comuns são a á guaágua (H₂O), quêque é um óxido de hidrogênio, e o já mencionado dióxido de carbono. Além díssudisso, muitos metais utilizados no dia a dia são extraídos de minérios quêque contêm óxidos. Os processos de redução transformam esses óxidos em metais puros, essenciais para diversas indústrias.

Outros óxidos, como os de nitrogênio e de enxofre, também estão presentes na atmosféraatmosfera d fórmade forma natural, mas, quando gerados em grande quantidade por atividades antropogênicas, são considerados poluentes atmosféricos. Essas substâncias, em grandes concentrações, contribuem para problemas ambientais, como o efeito estufa e a chuva ácida, o quêque revela a importânssiaimportância de estudá-las e de regular sua produção.

REFLITA

1 Você já deve ter notado quêque objetos feitos de ferro enferrujam e quêque as ma-ssãnsmaçãs escurecem ao serem cortadas e deixadas expostas ao ar. Como você explicaria esses fenômenos?

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Assim, um óxido é uma substância binária, ou seja, formada por hátomusátomos de dois elemêntoselementos químicos, sêndosendo quêque um deles, necessariamente, é o oxigênio.

O oxigênio apresenta a segunda maior eletronegatividade entre os elemêntoselementos. Um dos motivos de os hátomusátomos de oxigênio formarem substâncias com diversos elemêntoselementos químicos é essa alta eletronegatividade.

Óxidos iônicos

Os óxidos mantidos por ligações iônicas, chamados óxidos iônicos, apresentam a seguinte fórmula geral.

E₂O_x

Na equação, E corresponde a um átomo do elemento menos eletronegativo ligado ao átomo de oxigênio; o índice 2, à carga do íon oxigênio; e o índice x, à carga do íon do elemento E. Quando x é par, os coeficientes são simplificados para quêque se obtenha a fórmula mínima.

Em geral, em óxidos iônicos, E corresponde a um átomo de um metal. Dessa forma, a nomenclatura é feita da seguinte maneira.

Metal com valência fixa:

Metais alcalinos e prata → +1

Metais alcalinoterrosos e zinco → +2

Alumínio → +3

Exemplos:

Na₂O – óxido de sódio

Ag₂O – óxido de prata

CaO – óxido de cálcio

ZnO – óxido de zinco

A(éli)"ℓ₂O₃ – óxido de alumínio

Metal com valência variável:

Ouro → +1, +3

Cobre → +1, +2

Ferro → +2, +3

Chumbo → +2, +4

Exemplos:

Au₂O₃ – óxido de ouro(III)

Cu₂O – óxido de cobre(I)

Fe₂O₃ – óxido de ferro(III)

PbO₂ – óxido de chumbo(IV)

No caso de óxidos de metais com mais de uma valência, ainda é encontrada a nomenclatura em quêque se usa: óxido + raiz do nome do metal em latim + sufixo -ico (valência maior) ou óxido + raiz do nome do metal em latim + sufixo -oso (valência menor). O óxido de ferro(III) pódepode sêrser chamado então de óxido férrico, e o óxido de ferro(II), de óxido ferroso.

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Óxidos moleculares

Os óxidos em quêque o oxigênio se liga covalentemente com o átomo do outro elemento, formando moléculas, são chamados de óxidos moleculares. Em geral, o outro elemento, nesses casos, é um não metal.

Acompanhe um resumo da nomenclatura deles.

Nomenclatura de alguns óxidos moleculares

Como a á guaágua (H₂O) pódepode sêrser classificada como um óxido molecular, sua nomenclatura oficial é, portanto, monóxido de di-hidrogênio.

Peróxidos

Os peróxidos são formados pêlospelos elemêntoselementos hidrogênio, prata, metais alcalinos e alcalinoterrosos e a espécie química $\begin{array}{c}{\mathrm{O}}_2^{2-}\end{array}$. Nesse caso, apenas o H₂ O₂ é molecular, os demais peróxidos são iônicos. Neles, há dois hátomusátomos de oxigênio ligados diretamente um ao outro por meio de ligação covalente simples. Vale salientar quêque os índices nas fórmulas dos peróxidos não podem sêrser simplificados.

Os peróxidos inorgânicos são substâncias nas quais o oxigênio apresenta uma valência igual a 1, sêndosendo diferente da valência dos demais óxidos, em razão da presença do grupo $\begin{array}{c}{\mathrm{O}}_2^{2-}\end{array}$.

A ligação simples entre os dois hátomusátomos de oxigênio não é muito estável, o quêque torna essas substâncias bastante reativas. Por isso, elas têm ampla aplicação industrial.

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FORMAÇÃO CIDADÃ
Monóxido de di-hidrogênio (DHMO): uma substância tóxica?

O monóxido de di-hidrogênio (DHMO) é uma substância quêque está associada a diversos problemas contemporâneos, como os listados a seguir.

• Está presente na chuva ácida.

• Causa corrosão de diversos metais.

• Causa êrozãoerosão do solo.

• pódePode levar à morte quando inalada em excéssoexcesso.

• Provoca queimaduras graves em sua forma gasosa.

• Sua grande concentração nos rejeitos de mineração foi um dos fatores quêque contribuiu para o desastre em Mariana (MG) em 2015.

Diante dessas kestõesquestões, seria razoável considerar o banimento dêêssedesse óxido de nossa ssossiedadesociedade? Para uma avaliação mais aprofundada, é necessário analisar com maior atenção essa substância.

Com base em seu nome, pode-se determinar sua fórmula. Monóxido indica a presença de um único átomo de oxigênio, e di-hidrogênio significa dois hátomusátomos de hidrogênio. Assim, a fórmula química do monóxido de dihidrogênio é... H₂ O!

Considerando quêque essa substância é a á guaágua, como interpretar os problemas mencionados anteriormente? De fato, a á guaágua está associada a esses fenômenos, mas isso não significa quêque ela deva sêrser banida. Afinal, a á guaágua é uma substância essencial para a vida.

O uso de informações corretas é essencial para evitar conclusões equivocadas, um conceito quêque recebeu o nome de zohnerismo, em referência ao estudante estadunidense Nathan Zohner. Em 1997, aos 14 anos, Zohner criou um abaixo-assinado solicitando o banimento do DHMO como parte de um experimento para demonstrar como a falta de informação pódepode sêrser manipulada.

Esse experimento simples revelou o impacto da desinformação, especialmente quando utilizada por pessoas mal-intencionadas. A disseminação de informações incorrétasincorretas, conhecidas pelo termo em inglês fêikfake news, tem se tornado ainda mais fácil com o uso de mídias eletrônicas. O melhor antídoto contra isso é o acesso à informação confiável.

ATIVIDADES

1. Quais notícias falsas você já ouviu sobre Ciência ou saúde? Como é possível verificar sua veracidade?

2. Como a disseminação de notícias falsas pódepode impactar kestõesquestões científicas e sociais? Cite exemplos e discuta com os côlégascolegas possíveis maneiras de combater esse problema.

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AlGO A+
O quêque são volumes de á guaágua oxigenada?

A á guaágua oxigenada é normalmente comercializada na forma diluída em á guaágua. Quando um litro de á guaágua oxigenada produz 10 litros de gás oxigênio, diz-se quêque ela foi diluída a 10 volumes. Quando produz 20 litros de gás oxigênio, foi diluída a 20 volumes e assim por diante. Ou seja, trata-se de uma indicação de concentração indireta, pois refere-se ao volume de produto formado. Portanto, quanto maior for o índice volumétrico de gás oxigênio produzido, maior será a concentração de peróxido na solução.

As soluções de até 10 volumes têm aplicações domésticas, como na desinfequiçãodesinfecção de superfícies e objetos e na remoção de manchas de roupas. Nessa concentração, a solução era utilizada como antisséptico bucal e de machucados recentes. Essa prática, no entanto, não é mais recomendada, pois pódepode causar danos às mucosas e a outros tecídostecidos. As soluções de até 40 volumes costumam sêrser utilizadas como descolorante capilar, mas devem sêrser manipuladas com cuidado e com o uso de luvas, pois, em contato com a pélepele, podem causar queimaduras graves.

De acôr-doacordo com a Ficha de Informação de Segurança de Produtos Químicos (FISPQ) a respeito do peróxido de hidrogênio de 20% a 60%, esses materiais são corrosivos e oxidantes, com toxidade aguda quêque pódepode causar lesão grave nos olhos e irritação da pélepele.

Sais

Desde a AntigüidadeAntiguidade até os dias de hoje, as substâncias salinas dêsempênhamdesempenham um papel essencial no cotidiano, sêndosendo utilizadas na preservação e no tempêrotempero de alimentos e em processos industriais diversos.

Os estudos sobre os sais remontam a registros do século X, com obras atribuídas ao médico e alquimista persa Al-Rāzī. Já no século XVI, o alquimista alemão Andreas Libavius (c. 1540-1616) realizou uma das primeiras sínteses de sais. Nessa época, também já se conseguia extrair metais dessas substâncias, como documentado nas obras de Lazarus Ercker (c. 1530-c. 1594) e Georgius Agricola (1494-1555), quêque exploravam depósitos minerais e técnicas de metalurgia. No século seguinte, o químico francês Nicolas Lefèvre (c. 1610-c. 1674) escreveu um dos primeiros livros didáticos a abordar o assunto.

No entanto, apesar de serem bastante usados nos experimentos da época, os sais ainda não tí-nhãotinham sua estrutura química plenamente compreendida. Foi no século XVIII quêque Guillaume-François Rouelle (1703-1770) propôs uma classificação baseada na forma cristalina dessas substâncias. Embora sua abordagem tenha organizado os sais em categorias específicas, a composição química detalhada ainda permanecia um mistério.

REFLITA

2 Além do cloreto de sódio, quêque outros sais você conhece?

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Com o tempo, os avanços na Química permitiram o desenvolvimento de fórmulas e a compreensão das propriedades e das aplicações dos sais conhecidos hoje.

Em Tema anterior, foi apontado quêque os sais são formados pela combinação de cátions e ânions. Entretanto, não são todos os tipos de cátion e de ânion quêque formam sais. Os íons hidreto (H⁻), peróxido ($\begin{array}{c}{\mathrm{O}}_2^{2-}\end{array}$), hidrogênio (H⁺), óxido (O²⁻), hidrônio (H₃ O⁺) e hidróxido (OH⁻) formam outras espécies de substância. Ou seja, sais são formados por cátions quêque não sêjamsejam o H⁺ e ânions quêque não sêjamsejam os de oxigênio, ainda quêque ligados a um hidrogênio.

A nomenclatura dos sais, segundo a IUPAC, segue uma regra bem simples, baseada na combinação dos nomes de cada íon. Para dar nome a um sal, deve-se utilizar: nome do ânion + de + nome do cátion

Alguns ânions e cátions comuns e seus nomes

Assim, o CaC(éli)"ℓ₂, por exemplo, deve sêrser denominado cloreto de cálcio, o Ag₂S, sulfêtosulfeto de prata, o ZnSO₃, sulfito de zinco, e assim por diante.

Vale ressaltar quêque o nome do ânion se relaciona ao ácido quêque lhe dá origem e, portanto, ácidos com terminações -ídrico, -oso e -ico originam, respectivamente, ânions com sufixos -eto, -ito e -ato. Os ácidos e sua nomenclatura serão abordados mais adiante.

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Ácidos

REFLITA

3 Você deve ter alguma familiaridade com a palavra ácido. Quais ácidos você conhece, onde eles são utilizados e quais cuidados são necessários ao manuseá-los?

No cotidiano, a palavra ácido é associada ao sabor de alimentos azedos, como vinagre, limão e outras frutas. No vinagre, o sabor azedo é causado pelo ácido acético e, nas frutas, pelo ácido cítrico, por exemplo.

Uma das primeiras definições das substâncias ácidas foi proposta em 1887 pelo físico e químico sueco Svante August Arrhenius (1859-1927).

Arrhenius deu importantes contribuições para diversas áreas, incluindo Imunologia e Química Ambiental. Foi pioneiro no desenvolvimento do primeiro modelo climático quêque considerava a influência do dióxido de carbono (CO₂) atmosférico na tempera-túratemperatura do planêtaplaneta. Por esse trabalho, é freqüentementefrequentemente lembrado como o cientista quêque antecipou os efeitos das atividades industriais sobre o aquecimento global.

No final dos anos 1880, apresentou a ideia de quêque os eletrólitos, quando dissolvidos em á guaágua, dissociavam-se em partículas carregadas eletricamente, gerando soluções quêque podem conduzir eletricidade. Vale destacar quêque essa proposta foi feita antes da descoberta dos elétrons e dos prótons. Com base nesse conceito, Arrhenius formulou uma teoria para ácidos e bases.

Embora várias tentativas de definir essas substâncias tênhamtenham sido feitas anteriormente, o químico sueco foi o primeiro a propor uma teoria mais moderna e abrangente. Em 1887, ele sugeriu quêque ácidos, bases e sais, ao serem dissolvidos em á guaágua, dissociam-se em seus respectivos íons. Em outras palavras, quando essas substâncias entram em contato com a á guaágua, elas se separam em partículas eletricamente carregadas, os íons, responsáveis por conduzir eletricidade na solução. Para ele, um ácido era uma substância quêque, ao se dissolver em á guaágua, liberava íons de hidrogênio (H⁺).

A teoria de Arrhenius foi bastante eficaz para explicar o comportamento de ácidos em soluções aquosas, mas apresentava limitações quando o solvente não era a á guaágua ou quando não havia íons hidrogênio envolvidos. Como é comum no meio científico, sua proposta enfrentou resistências e críticas. A dissociação iônica, tema central de sua tese de doutorado, quase resultou na rejeição de seu trabalho pela Universidade de Uppsala, na Suécia. No entanto, esses mesmos estudos, quêque inicialmente foram questionados, renderam-lhe o Prêmio NobélNobel de Química em 1903, ilustrando o caminho sinuoso e repleto de desafios quêque muitas vezes marca o progresso científico.

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Embora existam outras definições de ácidos atualmente, neste livro, é usada a apresentada por Arrhenius.

Assim, a fórmula química de um ácido genérico é dada por HA, quêque, em meio aquoso, ioniza e forma H⁺ (também chamado de próton, já quêque o átomo de hidrogênio, quando perde um elétron, reduz-se ao único próton de seu núcleo) e o ânion A⁻.

Os hidrácidos são ácidos cujas moléculas não têm hátomusátomos de oxigênio; já os oxiácidos são ácidos cujas moléculas têm hátomusátomos de oxigênio. Essa classificação foi proposta por LavoisiêLavoisier, quando ainda não se conhecia bem a natureza dessas substâncias.

De acôr-doacordo com a IUPAC, para nomear os hidrácidos, deve-se usar o sufixo -ídrico, e, para nomear os oxiácidos, deve-se usar outros sufixos, conforme explicado a seguir.

Quando dois oxiácidos forem constituídos pelo mesmo elemento central e apresentarem quantidades diferentes de oxigênio, o sufixo -oso deve sêrser atribuído ao ácido quêque tiver o menor número de hátomusátomos de oxigênio, e o sufixo -ico, ao quêque tiver o maior número. Se o elemento ligado ao oxigênio formárformar três ou mais ácidos oxigenados, devem-se usar per- -[nome do elemento]-ico, -ico, -oso e hipo-[nome do elemento]-oso, respectivamente, do mais oxigenado para o menos oxigenado.

Alguns ácidos e seus nomes

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Classificação dos ácidos quanto à fôrçaforça

Quando em solução aquosa, nem todos os ácidos se ionizam completamente. A quantidade percentual de íons H⁺ formados é chamada de grau de ionização.

Esse grau é expresso como uma fração ou percentual quêque reflete o quanto o ácido se transforma em íons hidrogênio (H⁺) e ânions correspondentes, como o cloreto (C(éli)"ℓ⁻) no caso do ácido clorídrico (HC(éli)"ℓ). O grau de ionização é importante para determinar a fôrçaforça de um ácido: quanto maior for o grau de ionização, mais forte será o ácido.

Os ácidos fortes, como o ácido clorídrico (HC(éli)"ℓ) e o ácido nítrico (HNO₃), têm grau de ionização próximo de 100%, o quêque significa quêque praticamente todas as suas moléculas se ionizam quando em solução aquosa. Isso faz com quêque eles sêjamsejam altamente reativos e conduzam bem a eletricidade em soluções aquosas. Já os ácidos fracos e moderados, como o ácido sulfídrico (H₂S) e o ácido fosfórico (H₃ PO₄), têm um grau de ionização muito menor, indicando quêque apenas uma pequena fração de suas moléculas se ioniza. Por essa razão, suas soluções são menos condutoras e menos reativas.

O grau de ionização também varia de acôr-doacordo com alguns fatores, como a concentração do ácido e a tempera-túratemperatura.

Bases

Em seus estudos, Arrhenius sugeriu quêque as substâncias alcalinas também liberavam íons em solução aquosa. De acôr-doacordo com o cientista, uma base é uma substância quêque, em á guaágua, dissocia-se, causando o aumento da concentração do íon OH⁻ (hidróxido).

Essas substâncias também podem sêrser classificadas quanto à fôrçaforça em bases fortes ou bases fracas. A fôrçaforça das bases iônicas está relacionada com a solubilidade e, portanto, com a quantidade de íons OH⁻ liberada em meio aquoso. As primeiras são formadas por metais alcalinos (Na, Li, K, Rb e Cs) e alguns metais alcalinoterrosos (Ca, Sr e Ba). As segundas são formadas pêlospelos demais metais e pelo magnésio.

REFLITA

4 Consulte os rótulos dos produtos de limpeza presentes em sua residência e indique se há alguma base (hidróxido). Anote seus nomes em uma fô-lhafolha avulsa e pesquise em sáitessites confiáveis informações a respeito dessa substância.

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A fórmula das bases inorgânicas é dada pelo sín-bolosímbolo do cátion seguido de OH, em número suficiente para neutralizar a carga do cátion, por exemplo, NaOH ou Ca(OH)₂.

De acôr-doacordo com a IUPAC, para dar nome a uma base, deve-se utilizar: hidróxido de + nome do cátion

Algumas bases e seus nomes

No caso de metais cujo cátion tem duas ou mais valências, também é importante informá-las em símbolos romanos entre parênteses, após o nome do cátion.

Reação de neutralização

Uma reação de neutralização ocorre quando um ácido reage com uma base, resultando na formação de sal e á guaágua. Na concepção de Arrhenius, a reação de neutralização nada mais é do quêque a reação entre íons de hidrogênio (H⁺) do ácido e os íons hidroxila (OH⁻) da base, formando moléculas de á guaágua (H₂O).

H⁺ (aq) + OH⁻ (aq) → H₂O((éli)"ℓ)

Considerando a ionização e a dissociação total do ácido genérico HA e da base genérica COH, o ácido formará H⁺ e o ânion A⁻, já a base formará OH⁻ e o cátion C⁺. A reação de neutralização entre essas espécies resultará na formação de á guaágua, já os íons A⁻ e C⁺

continuarão em solução.

Se a á guaágua presente na solução final evaporar, pode-se obtêrobter a substância CA, um sal.

A neutralização pódepode sêrser total ou parcial, dependendo da fôrçaforça e da quantidade de ácido e base envolvidos.

A neutralização total ocorre quando todo o ácido é completamente neutralizado pela base, e o produto da reação é um sal neutro dissociado e á guaágua. Isso geralmente acontece quando o ácido e a base têm forças equivalentes (como no caso de um ácido forte com uma base forte). A neutralização parcial ocorre quando a proporção entre hidrogênios ionizáveis e íons hidroxila dissociáveis é desigual, resultando no excéssoexcesso de um deles em solução. Nesse caso, quando a á guaágua do sistema é evaporada, os íons em excéssoexcesso são agregados à estrutura do sal formado.

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Hidretos

Os hidretos são substâncias formadas pela combinação de hátomusátomos de hidrogênio com hátomusátomos de outro elemento químico. Eles são bastante variados, pois o hidrogênio pódepode ligar-se a muitos elemêntoselementos, com exceção dos gases nobres.

Os hidretos metálicos, por exemplo, são substâncias binárias em quêque o hidrogênio liga-se a um átomo de menor eletronegatividade.

De acôr-doacordo com a IUPAC, para dar nome a um hidreto, deve-se utilizar: hidreto + de + nome do elemento

A classificação dos hidretos depende da eletronegatividade do elemento ao qual o hidrogênio está ligado. Os elemêntoselementos de baixa eletronegatividade, como os metais alcalinos e alcalinoterrosos, formam hidretos iônicos, como o hidreto de cálcio (CaH₂), em quêque o hidrogênio atua como o íon negativo (H⁻). Os hátomusátomos de elemêntoselementos cuja eletronegatividade é mais próxima da do hidrogênio formam hidretos covalentes, como o hidreto de boro (BH₃), em quêque elétrons são compartilhados.

REFLITA

5 Você sabia quêque alguns metais podem reagir com o hidrogênio e formárformar substâncias chamadas hidretos metálicos?

O quêque você imagina quêque essas substâncias podem fazer ou onde podem sêrser usadas?

ATIVIDADES

1. escrêevaEscreva, em seu caderno, o nome dos sais listados a seguir.

2. Com base nos cátions e ânions a seguir, escrêevaescreva, em seu caderno, os nomes e as fórmulas químicas de ácidos e bases quêque podem sêrser formados.

3. Considere os seguintes elemêntoselementos quêque formam hidretos: A(éli)"ℓ, As, B, T(éli)"ℓ, Fr, Ga, In, Li, Mg e Na. Quais são iônicos e quais são covalentes?

4. Você já encontrou alguma substância na sua residência quêque pódepode sêrser classificada como sal? Apresente o nome e a fórmula molecular de algumas delas e dêz-crevadescreva seus principais usos.

5. Neste Tema, a vitamina C foi apresentada como exemplo de ácido. Procure em sáitessites confiáveis informações sobre sua importânssiaimportância para a saúde humana e investigue outros ácidos quêque têm alguma função no corpo humano.

6. Algumas pessoas podem ter problemas estomacais provocados pela alta concentração de substâncias ácidas no estoômagoestômago. Geralmente, os médicos receitam medicamentos contendo hidróxido de magnésio (Mg(OH)₂) ou hidróxido de alumínio (A(éli)"ℓ(OH)₃) para amenizar os sintomas, conhecidos como antiácidos. A quêque função inorgânica essas substâncias pertencem e como elas ajudam a diminuir a acidez do estoômagoestômago?

7. A maresia, quêque é uma névoa rica em cloreto de sódio, sulfato de cálcio, sulfato de magnésio e cloreto de magnésio, acelera o processo de oxidação de alguns metais. Indique a função inorgânica e a fórmula molecular das substâncias citadas.

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TEMA
32
Eletroquímica

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

O conhecimento sobre a eletricidade impulsionou d fórmade forma significativa o desenvolvimento da Química, expandindo as fronteiras do estudo dos fenômenos físicos e químicos. Por causa dessa interação, alcançou-se um nível de sofisticação tecnológica quêque tornou a eletricidade indispensável para a vida cotidiana. O avanço da eletricidade é um exemplo claro de como a Ciência funciona: um conhecimento gera novos conhecimentos, quêque, por sua vez, possibilitam o desenvolvimento de novas tecnologias.

Esse ciclo, no qual descobertas científicas abrem portas para novas investigações, é o quêque tem permitido à Ciência se desenvolver a passos largos, especialmente nos últimos séculos. Cada avanço gera novos quêquestionamentos e novas oportunidades de pesquisa, criando um fluxo contínuo de inovação. Essa dinâmica explica o crescimento significativo do conhecimento científico, que amplia a compreensão do mundo e transforma a maneira como as pessoas vivem e interagem com o ambiente.

Em essência, o progresso científico é um processo contínuo e colaborativo. Cada nova descoberta é um tijolo na construção do edifício do conhecimento humano, e, à medida quêque novas fronteiras são exploradas, abrem-se caminhos para um futuro repleto de possibilidades ainda inimagináveis.

Origem dos estudos de Eletroquímica

De acôr-doacordo com alguns registros históricos, o filósofo e matemático grego Tales de Mileto foi o primeiro a observar quêque a fricção de pedaços de âmbar, uma resina natural, com pedaços de seda conferia à resina a capacidade de atrair pequenas hastes de palha. Em grego, âmbar era chamado de elektron; por causa díssudisso, esse fenômeno foi denominado eletricidade. Por muito tempo, não houve avanços além dessa constatação: tratava-se apenas de um fenômeno curioso, sem aplicação prática.

REFLITA

1 Com base no quêque estudou até agora, especule sobre a relação entre o corpo humano e a eletricidade.

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Dois milênios depois, esse fenômeno começou a ganhar destaque, em razão da invenção da primeira máquina para gerar eletricidade desenvolvida pelo físico alemão Otto von Guericke.

Cerca de dois séculos depois, em 1869, o engenheiro belga Zénobe-Théophile Gramme (1826-1901) inventou o primeiro gerador elétrico capaz de produzir corrente contínua e em alta voltagem: o dínamo. Essa invenção possibilitou o uso sistemático de corrente elétrica para diversos fins, como produzir luz ou trabalho.

Com o tempo, diversas máquinas foram criadas, levando ao desenvolvimento do campo da eletricidade is-táticaestática. Outro personagem quêque inovou o estudo do fenômeno da eletricidade foi o físico italiano Luigi Aloisio Galvani, quêque dissecava rãs para estudar anatomia. Nessa atividade, observou quêque os músculos das rãs dissecadas se contraíam ao entrar em contato com instrumentos metálicos. Notou ainda quêque as contrações também podiam acontecer no contato do músculo das rãs com as descargas elétricas.

Pesquisando o estímulo dos músculos das rãs, Galvani ordenou os diferentes metais em função de sua ativação muscular. Com base em seus estudos, Galvani publicou, em 1791, o livro chamado De viribus electricitatis in motu musculari commentarius (“Comentário sobre o efeito da eletricidade muscular”, em tradução livre), no qual descreveu quêque parte da fôrçaforça vital animal estaria associada à eletricidade animal. Dessa forma, ele estabeleceu a existência de três tipos de eletricidade: a eletricidade animal; a eletricidade natural (relâmpagos); e a eletricidade elétros-táticaeletrostática.

As ideias de Galvani não foram bem aceitas por um contemporâneo e conterrâneo seu, o físico italiano Alessandro Volta. Para êsteeste, a eletricidade quêque causava a contração muscular era consequência dos metais, e não dos músculos, quêque só respondiam ao fenômeno da eletricidade.

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O debate entre os dois era cordial, a ponto de Volta chamar de galvanismo os fenômenos descritos por Galvani, termo até hoje utilizado em alguns casos. Nesse debate científico, cada um tinha um pouco de razão. Galvani focava a explicação do fenômeno no animal, pois considerava quêque a fôrçaforça vital era sua causadora. Volta focava a explicação do fenômeno nos materiais, ou seja, defendia uma justificativa química.

O nome de Volta é normalmente associado à pilha, mas seu trabalho foi mais abrangente do quêque isso e envolveu duas áreas importantes: a Pneumoquímica e a Eletroquímica.

Na Eletroquímica, Volta propôs a teoria do contato para explicar a eletricidade resultante do contato entre dois metais, e seu trabalho teve maior reconhecimento. Seus estudos resultaram no desenvolvimento da pilha de Volta, quêque originou o nome pilha voltaica.

A pilha de Volta foi apresentada à comunidade científica em 1800, mas a transferência de carga entre diferentes metais só foi adequadamente explicada em 1928, aproximadamente. Na ocasião da apresentação da pilha, ele afirmou quêque o efeito elétrico aumentaria conforme a distância entre os materiais utilizados na seguinte série.

Zn – Sn – Pb – Fe – Cu – Pt – Au – Ag – grafite – carvão

Ou seja, o efeito elétrico observado seria mais intenso se fossem utilizados a grafite e o zinco (sete materiais de distância) e relativamente fraco se fossem utilizadas a platina e a prata (um material de distância).

Naquela época, pela falta de grandezas relacionadas à eletricidade, não era possível medir esse fenômeno de modo quantitativo. No entanto, o uso de pilhas voltaicas em laboratórios permitiu o desenvolvimento de outros conhecimentos, como o do processo de separação da á guaágua em gás oxigênio e gás hidrogênio e o do processo de isolamento de metais alcalinos na forma de substâncias simples.

Esses são apenas alguns exemplos do conhecimento acumulado, inicialmente, por meio da aplicação da eletricidade.

Para avançar no entendimento dêêssedesse fenômeno, no entanto, é fundamental apresentar alguns conceitos básicos, o quêque será feito a seguir.

Oxidação e redução

Em muitas reações, como nas de formação de precipitado, há um rearranjo de espécies químicas iônicas. Acompanhe a reação de formação do cloreto de prata.

NaC(éli)"ℓ(aq) + AgNO₃(aq) ⇌ NaNO₃(aq) + AgC(éli)"ℓ(s)

Nesse e em tantos outros casos, não há transferência de elétrons entre as espécies químicas (íons), mas sim uma reorganização.

No entanto, há reações nas quais ocorrem mudanças na distribuição dos elétrons entre as espécies químicas.

REFLITA

2 Para você, o quêque é oxidação?

Página trezentos e oitenta e seis386

Considere o caso da reação de oxidação do ferro metálico (Fe), originando o óxido de ferro(III) (Fe₂O₃), constituinte da fêrrugemferrugem.

4 Fe(s) + 3 O₂(g) → 2 Fe₂O₃(s)

Cabe mencionar quêque a formação de fêrrugemferrugem é um processo muito mais compléksocomplexo do quêque o descrito nessa equação, pois, em razão das condições nas quais se dá o fenômeno, diferentes substâncias podem sêrser formadas. No entanto, é comum considerar a fêrrugemferrugem como apenas óxido de ferro(III) (Fe₂O₃) ou, mais precisamente, o óxido de ferro(III) hidratado (Fe₂O₃ ⋅ n H₂O).

Em reações dêêssedesse tipo, acontecem mudanças nos hátomusátomos de ferro e de oxigênio. Acompanhe o quêque acontece com os hátomusátomos de ferro, quêque pódepode sêrser representado da seguinte forma.

Fe⁰ → Fe³⁺ + 3 e⁻

De acôr-doacordo com essa equação, os hátomusátomos de ferro transferem elétrons. MNote quêque a carga do átomo de ferro passou de 0 para 3+, indicando quêque cada átomo de ferro transferiu três elétrons. Quando um átomo ou uma espécie química transféretransfere elétrons, o processo é chamado de oxidação.

Se, em uma reação, o ferro está transferindo elétrons, outra espécie química deve recebê-los. No caso da oxidação do ferro, são os hátomusátomos de oxigênio, conforme representado a seguir.

$\begin{array}{c}{\mathrm{O}}_2^0\end{array}$ + 4 e⁻ → 2 O²⁻

De acôr-doacordo com essa equação, os hátomusátomos de oxigênio estão recebendo elétrons. Note quêque a carga do átomo de oxigênio passou de 0 para 2−, indicando quêque cada átomo de oxigênio recebeu dois elétrons. Quando um átomo ou uma espécie química recebe elétrons, o processo é chamado de redução, e essas duas equações são chamadas de semirreações.

SOBRE

Uma semirreação é uma equação quêque descreve apenas o processo de oxidação ou de redução. Quando semirreações eletroquímicas são apresentadas, os elétrons são representados como e⁻, o quêque não significa quêque eles estejam livres no meio reacional. Sua presença na equação indica apenas quêque uma espécie química transferiu ou recebeu elétrons.

Página trezentos e oitenta e sete387

A soma de duas semirreações deve originar a reação global. Para balanceá-la, multiplica-se cada semirreação pelo coeficiente de elétrons da outra, como mostrado a seguir.

Como os 12 elétrons estão dos dois lados da equação, eles são cortados. Essa reação não resulta nas espécies Fe³⁺ e O²⁻, mas sim na formação de óxido de ferro(III).

4 Fe(s) + 3 O₂(g) → 2 Fe₂O₃(s)

Como o oxigênio é a substância quêque provoca a oxidação do ferro, nessa reação, ele é chamado de oxidante. Como o ferro é a substância quêque provoca a redução do oxigênio, nessa reação, ele é chamado de redutor.

O processo de reação no qual uma espécie química ganha elétrons e outra os transféretransfere é chamado de reação de oxirredução (ou redox).

O quêque acontece na pilha de Volta e em outras quêque serão abordadas mais à frente são exemplos de reações de oxirredução. No caso das pilhas e das baterias, diferentemente do processo de formação da fêrrugemferrugem, o sistema é montado para quêque os elétrons trocados entre as espécies sêjamsejam conduzidos de maneira a produzir uma corrente elétrica.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• O artigo a seguir define e discute os alimentos funcionais, entre eles aqueles quêque têm substâncias com propriedades antioxidantes, ou seja, substâncias quêque ajudam na diminuição de espécies eletronegativas, quêque incluem os radicais livres formados naturalmente na respiração celular.
CAÑAS, Gustavo J. S.; BRAIBANTE, Mara E. F. A química dos alimentos funcionais. Química Nova na Escola, São Paulo, v. 41, n. 3, p. 216-223, ago. 2019. Disponível em: https://livro.pw/bjrto. Acesso em: 8 out. 2024.

O número de oxidação

O número de oxidação representa a quantidade de elétrons quêque um átomo transferiu ou recebeu em uma reação de oxirredução. No caso das espécies iônicas, esses números são reais. No caso de moléculas, eles são teóricos e representam as cargas quêque os hátomusátomos de cada elemento teriam se as ligações covalentes fossem rompidas e os hátomusátomos mais eletronegativos ficassem com os elétrons envolvidos na ligação. Essa carga real ou teórica é simbolizada por Nox.

O Nox dos hátomusátomos de um mesmo elemento químico varia em função dos hátomusátomos dos elemêntoselementos aos quais se ligam. O Nox do cobre no metal, por exemplo, é zero (Nox_Cu = 0) e no sulfato de cobre (CuSO₄) é +2 (Nox_Cu = +2). Já os hátomusátomos de oxigênio apresentam número de oxidação igual a zero na substância oxigênio (O₂) e −2 no óxido de cálcio (CaO).

Página trezentos e oitenta e oito388

A determinação do Nox em qualquer substância pódepode sêrser feita com base nas seguintes regras básicas.

• O Nox de hátomusátomos de qualquer elemento químico em substâncias simples é sempre igual a zero.

• O Nox do oxigênio é −2 (exceto nos peróxidos, nos superóxidos e no OF₂).

• O Nox do hidrogênio é +1 (exceto nos hidretos).

• O Nox dos metais alcalinos é +1.

• O Nox dos metais alcalinoterrosos é +2.

• O Nox dos halogênios é −1 (exceto quando ligados a hátomusátomos mais eletronegativos, como o oxigênio).

• A soma do Nox dos hátomusátomos quêque constituem uma espécie química é igual à quantidade de carga dela.

Acompanhe alguns exemplos.

Balanceamento das reações de oxirredução

Nas reações de oxirredução, sempre há um elemento químico quêque é oxidado (transfere elétrons) e outro quêque é reduzido (ganha elétrons). Para fazer o correto balanceamento das reações de oxirredução, é fundamental assegurar quêque a quantidade de elétrons cedida por um elemento químico seja igual à recebida pelo outro. Há situações mais compléksascomplexas, nas quais os hátomusátomos de mais de um elemento químico são oxidados ou reduzidos, mas elas não serão estudadas neste livro.

Para fazer o balanceamento de uma equação química representando uma reação redox, inicialmente, são determinados o elemento químico quêque é oxidado e o quêque é reduzido. Em seguida, realiza-se o balanceamento das substâncias quêque contém esses elemêntoselementos. Posteriormente, faz-se o balanceamento das demais espécies químicas.

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Acompanhe alguns exemplos.

No litoral, por causa da maresia, materiais de ferro, sempre quêque possível, são substituídos pêlospelos de alumínio. Embora êsteeste se oxide com mais facilidade do quêque o ferro, o óxido produzido forma uma fina camada coesa quêque protégeprotege o restante do metal. Como essa camada é impermeável ao gás oxigênio e à á guaágua, o objeto dura muito mais tempo.

A reação de oxidação do alumínio pódepode sêrser representada pela equação não balanceada a seguir.

A(éli)"ℓ(s) + O₂(g) → A(éli)"ℓ₂O₃(s)

Nessa equação, o oxidado (redutor) é o A(éli)"ℓ, cujo Nox varia de 0 a +3, e o reduzido (oxidante) é o O, cujo Nox varia de 0 a −2. Pode-se, assim, determinar a variação do número de oxidação ((delta)"ΔNox), quêque informa quantos elétrons os hátomusátomos de cada elemento químico cederam ou receberam. Em seguida, utiliza-se como coeficiente estequiométrico de uma substância a variação do número de oxidação da outra, e vice-versa.

Para balancear essa equação, portanto, acrescenta-se 2 antes do alumínio e 3 antes do oxigênio; porém, como o oxigênio está na forma de O₂, é preciso multiplicar o coeficiente do A(éli)"ℓ por 2.

4 A(éli)"ℓ(s) + 3 O₂(g) → 2 A(éli)"ℓ₂O₃(s)

Acompanhe uma reação quêque apresenta outras substâncias, além da quêque é oxidada e da quêque é reduzida.

O permanganato de potássio é uma substância de coloração violeta que tem forte caráter oxidante e pódepode sêrser usada para determinar quantitativamente o íon cloreto em meio ácido, segundo a equação não balanceada representada a seguir.

KMnO₄ (aq) + HC(éli)"ℓ(aq) ⇌ KC(éli)"ℓ(aq) + MnC(éli)"ℓ₂(aq) + C(éli)"ℓ₂(g) + H₂O((éli)"ℓ)

Para essa equação, o oxidado (redutor) é o C(éli)"ℓ, cujo Nox varia de −1 a 0 ((delta)"ΔNox = −1); e o reduzido (oxidante) é o Mn, cujo Nox varia de +7 a +2 ((delta)"ΔNox = +5).

Assim, inicialmente, acrescenta-se 1 antes do manganês; porém, como se forma C(éli)"ℓ₂, também é preciso multiplicar esse valor por 2.

Cadeira de praia de alumínio. O metal alumínio é o material mais comum usado nesse tipo de cadeira, tendo em vista suas propriedades físicas (resistência e baixa densidade) e químicas (resistente à corrosão pela maresia).

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Em seguida, as espécies químicas do produto são balanceadas, atentando-se para sua presença nos reagentes.

O balanceamento deve sêrser conferido ao final, para certificar-se de quêque as quantidades de todos os elemêntoselementos químicos são equivalentes em ambos os lados da equação.

Observe quêque, nesse caso, o coeficiente 5 do cloro é o último a sêrser conferido e está de acôr-doacordo com os demais elemêntoselementos químicos presentes.

Pilhas e baterias

As observações de Alessandro Volta, quanto à produção de cargas elétricas mediante contato entre chapas metálicas diferentes, fizeram com quêque ele realizasse diversos experimentos para explorar esse fenômeno, os quais o levaram às seguintes conclusões: o contato entre dois metais forma cargas elétricas opostas; o contato entre um metal e um fluido cria uma fôrçaforça elétrica; e dois metais separados por um fluido condutor formam uma corrente elétrica.

A terceira observação resultou de um experimento em quêque Volta colocou, sobre uma placa de prata, um pedaço de papel-filtro embebido em salmoura (solução saturada de cloreto de sódio) e, por cima dele, uma placa de zinco. O cientista italiano teve a ideia também de empilhar vários dêêssesdesses grupos e observou o efeito do empilhamento na corrente elétrica produzida, como mostra a representação a seguir.

Ao empilhar vários conjuntos de metais e papel-filtro, Volta criou a primeira pilha elétrica. Ele notou quêque quanto maior fosse o número de grupos empilhados, maior seria a corrente elétrica produzida, quando os dois extremos da pilha eram conectados a um condutor.

A publicação dessas descobertas incentivou vários cientistas a utilizar as pilhas voltaicas para produzir corrente elétrica em laboratório.

REFLITA

3 No seu cotidiano, você utiliza algum aparelho quêque tem pilha ou bateria? Qual é a relação entre as pilhas e o processo de oxirredução?

Página trezentos e noventa e um391

Pilhas de Volta e de Daniell

A explicação teórica para o funcionamento da pilha de Volta foi muito debatida e demorou para sêrser resolvida; por outro lado, a proposta de Faraday foi aos poucos sêndosendo aceita pela comunidade científica.

De acôr-doacordo com Faraday, a origem da corrente elétrica era a reação química quêque ocorria entre um metal oxidável e uma substância oxidante. O cientista demonstrou quêque não era necessário um contato direto entre os metais para quêque a corrente elétrica fosse gerada.

No caso da pilha de Volta, o zinco exercia a função de metal oxidável. Mas, ao contrário do quêque se poderia esperar, a substância oxidante não era a placa de prata, mas sim os íons hidrônios presentes na salmoura do papel-filtro.

Logo, as semirreações envolvidas na pilha voltaica são as seguintes.

Zn⁰ → Zn²⁺ + 2 e⁻

2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂

Apesar de sua grande importânssiaimportância, a pilha de Volta não era muito prática, em especial pela formação de gás hidrogênio. A presença do gás, quêque se acumulava nas placas de prata, tornou-se um problema, pois diminuía a superfícíesuperfície de contato entre a placa de prata e a salmoura, impedindo a passagem de corrente elétrica. Por isso, foram estudadas alternativas para a pilha de Volta, com destaque para a pilha de Daniell.

O químico inglês DiônJohn Frederic Daniell (1790-1845) dedicou-se, por muito tempo, à busca de uma pilha alternativa à de Volta. Em 1839, quando Alessandro Volta já havia falecido, Daniell publicou An introduction to the study ÓFof chemical philosophy: being a preparatory víuview ÓFof the forces which concur to the production ÓFof chemical phenomena (“Introdução ao estudo da filosofia química: uma visão preliminar das forças quêque concorrem para a produção de fenômenos químicos”, em tradução livre), quêque continha a descrição de sua pilha.

Página trezentos e noventa e dois392

Embora o nome seja pilha, o artefato desenvolvido por Daniell não era formado pelo empilhamento de placas, mas sim por um arranjo cilíndrico quêque aumentava a área de contato dos reagentes e, consequentemente, sua eficiência. É importante ressaltar quêque a pilha de Daniell, em sua forma popularizada, foi desenvolvida após diversos experimentos, feitos por ele e por outros cientistas, com diferentes metais, soluções e esquemas de montagem. Na pilha de Daniell, um cilindro fabricado de cerâmica porosa é posicionado dentro de outro cilindro de cobre, como mostra a figura a seguir. No interior do cilindro de cerâmica, coloca-se ainda um bastão de zinco. O espaço entre o cobre e a cerâmica é preenchido com uma solução saturada de sulfato de cobre(II) (CuSO₄), e o cilindro de cerâmica é preenchido com ácido sulfúrico (H₂ SO₄).

Na pilha de Daniell, também ocorre a oxidação do zinco metálico para Zn²⁺, mas, diferentemente da pilha de Volta, a substância reduzida é o cobre(II), presente em solução. Logo, as seguintes semirreações fazem parte do sistema.

Zn⁰ (s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻

Cu²⁺ (aq) + 2 e⁻ → Cu⁰(s)

Somando as duas reações, chega-se à equação global da pilha de Daniell.

Zn⁰(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu⁰(s)

A maior estabilidade da pilha de Daniell exerceu um papel importante no desenvolvimento da Eletroquímica e de outras tecnologias. Por sêrser facilmente reproduzida e apresentar bom funcionamento, ela foi utilizada na definição de padrões de unidades de medida importantes e na construção de instrumentos (foi essencial para o funcionamento dos telégrafos, por exemplo).

Componentes de uma pilha

O desenvolvimento da Eletroquímica e das pilhas levou à padronização de seus componentes, facilitando o estudo da função de cada um e a difusão de conhecimento entre cientistas. Para discutir um pouco cada um dêêssesdesses componentes, o modelo da pilha de Daniell será utilizado, mas com os ajustes comumente feitos em laboratórios didáticos de Química para demonstrar seu funcionamento.

O conjunto geral dos dispositivos envolvidos em uma reação eletroquímica é chamado de célula eletroquímica – quêque pódepode sêrser utilizada para gerar eletricidade, como acontece nas pilhas de uso comum, ou para a eletrólise.

As células eletroquímicas quêque geram eletricidade são chamadas de células galvânicas ou células voltaicas.

Nessa montagem de laboratório da pilha de Daniell, ou seja, uma pilha de zinco e cobre, cada uma das semirreações ocorre em um recipiente diferente, denominado semicélula. Apesar da separação, as reações só ocorrem porque as duas semicélulas estão ligadas por um fio, ao qual se conecta um dispositivo (como uma lâmpada) quêque será alimentado pela energia elétrica gerada da reação. Também é necessário outro dispositivo, como a cerâmica porosa usada por Daniell, quêque permite o fluxo de íons.

Página trezentos e noventa e três393

As barras metálicas de zinco e cobre são chamadas de eletrodos. Os eletrodos têm como papel principal conectar os meios reacionais (a solução em cada recipiente) ao circuito elétrico. Uma pilha tem dois tipos de eletrodos: um ânodo e um cátodo. A definição de cada um deles depende do sentido do fluxo de elétrons no sistema. Ânodo é o eletrodo em quêque ocorre a oxidação (transferência de elétrons); ele funciona como o polo negativo em uma pilha. Cátodo é o eletrodo em quêque ocorre a redução (recebimento de elétrons); ele funciona como o polo positivo em uma pilha.

No caso da pilha de Daniell, o ânodo também tem o importante papel de sêrser um reagente essencial. Já o cátodo, de cobre metálico, não participa diretamente da reação, sêndosendo apenas um condutor elétrico. O cobre metálico formado a partir da redução dos íons Cu²⁺ fica depositado na superfícíesuperfície do eletrodo de cobre, pois é nesse local quêque ocorre a reação.

As soluções presentes em cada recipiente são denominadas eletrólitos. Os eletrólitos são formados por sais quêque, em solução aquosa, dissociam-se, aumentando a condutividade elétrica da solução. Eles são importantes para o transporte dos íons envolvidos nas reações.

Por fim, há uma conexão dirétadireta entre os dois eletrólitos, denominada ponte salina, quêque estabelece o equilíbrio iônico entre ambos. Como há a formação de cátions de um lado (ânodo) e o consumo deles no outro lado (cátodo), é necessário quêque outros íons equilibrem essas cargas. Diferentes sais podem sêrser utilizados na ponte salina, e sua escolha dependerá de vários fatores, como sua interação com os reagentes e a velocidade de migração. O mais comum e eficiente deles é o cloreto de potássio (KC(éli)"ℓ).

Potencial eletroquímico de uma pilha

O potencial eletroquímico de determinada semirreação química é uma medida da tendência de quêque a semirreação de oxidação ou de redução ocorra. Esse potencial depende da semirreação em si e de outros fatores, como concentração, tempera-túratemperatura e presença de outras substâncias no sistema.

O potencial elétrico de uma pilha depende dos potenciais de oxidação e redução de suas semicélulas. Como uma medida de potencial eletroquímico só tem sentido quando comparada a alguma referência, definiu-se quêque o potencial-padrão de reação deve sêrser medido em relação ao eletrodo-padrão de hidrogênio (EPH).

Página trezentos e noventa e quatro394

O EPH é uma semicélula em quêque ocorre a transformação de hidrogênio gasoso em íons H⁺, ou o contrário, dependendo do sistema em questão. Por sêrser uma medida de potencial elétrico, sua unidade é o volt (V) e seu sín-bolosímbolo, a letra E.

O potencial-padrão, além de sêrser medido em relação ao eletrodo-padrão de hidrogênio, também requer condições-padrão: 25°C, 1 mol/L e 100 kPa. Representa-se o potencial-padrão de uma semirreação com o sín-bolosímbolo E⁰ à direita da reação.

2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂

E⁰ = 0 V

Para fins de padronização, costuma-se apresentar em tabélastabelas os potenciais-padrão de redução ( $\begin{array}{c}{E}_{\text{red}}^0\end{array}$). O potencial-padrão de oxidação ( $\begin{array}{c}{E}_{0X}^0\end{array}$) tem o mesmo módulo quêque o de redução, com sinal inverso.

Os valores dos potenciais-padrão podem sêrser positivos ou negativos. O sinal indica apenas a relação com o potencial do EPH, não sêndosendo uma informação quêque indique a possibilidade de uma reação ocorrer ou não.

O potencial elétrico de uma pilha é calculado por meio da soma dos potenciais das semirreações de redução e de oxidação.

$\begin{array}{c}{E}_{\text{red}}^0\end{array}$ $\begin{array}{c}{\mathrm{E}}_{\text{célula}}^0\end{array}$ = + $\begin{array}{c}{\mathrm{E}}_{\mathrm{o}\mathrm{x}}^0\end{array}$

Os valores dos potenciais-padrão são obtidos por meio de medição dirétadireta, em relação ao eletrodo-padrão de hidrogênio, ou por cálculos quêque lévemlevem em conta outras reações cujas medidas de potencial já tênhamtenham sido feitas. Acompanhe alguns valores de potencial-padrão de redução ( $\begin{array}{c}{\mathrm{E}}_{\text{red}}^0\end{array}$) nas condições-padrão.

Potenciais-padrão de redução (E⁰red) nas condições-padrão

Fonte: HAYNES, uílhãmWilliam M. (ed.). Physical constants ÓFof organic compounds. In: HAYNES, uílhãmWilliam M. (ed.). CRC Handbook ÓFof chemistry êndand physics. 95th ed. Boca Raton: CRC PréssPress, 2014. p. 5-80-5-84, 5-89. E-book. Tradução nossa.

Página trezentos e noventa e cinco395

Com os valores listados, pode-se calcular o potencial-padrão da pilha de Daniell. Retomando as equações envolvidas, no ânodo, ocorre a oxidação do zinco. Observe quêque, para transformar o potencial de redução da tabélatabela em potencial de oxidação, é preciso inverter seu sinal.

Zn⁰ → Zn²⁺ + 2 e⁻

E⁰ = +0,76 V

No cátodo, os íons Cu²⁺ são reduzidos.

Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu⁰

E⁰ = +0,34 V

Para calcular o potencial-padrão da pilha, basta somar esses dois valores.

$\begin{array}{c}{\mathrm{E}}_{\text{célula}}^0\end{array}$ = 0,34 V + 0,76 V = 1,10 V

O potencial-padrão de uma célula tem um papel importante: ele diz se a célula funcionará, de fato, como uma pilha. Para quêque determinada célula funcione como pilha, seu potencial, nas condições em quêque foi construída, deve sêrser positivo.

Existe uma variedade enorme de pilhas, algumas das quais serão abordadas a seguir.

As pilhas e as baterias modernas

Ao longo dos anos, as pilhas e as baterias ficaram mais acessíveis. Atualmente, elas estão em vários objetos usados pelas pessoas, por exemplo, em relógios, brinquedos, caixas de som, telefones celulares etc. e são cada vez menóresmenores e mais eficientes.

As pilhas e as baterias se distribuem basicamente em dois grupos: primárias e secundárias. As pilhas e baterias primárias não são recarregáveis. De modo geral, são as mais antigas e de uso restrito a uma única carga. São exemplos as pilhas comuns e as pilhas alcalinas. As pilhas e baterias secundárias são recarregáveis. O acesso a essa tecnologia foi possível por causa do desenvolvimento de pilhas e baterias em quêque ocorrem reações reversíveis. Elas são recarregadas ao se passar uma corrente elétrica fornecida por um carregador, induzindo a reação invérsainversa à do funcionamento da pilha. Por isso, podem sêrser utilizadas muitas vezes, chegando a milhares de vezes. São exemplos as pilhas de níquel-cádmio, de hidreto metálico-óxido de níquel e de íons de lítio.

Diferença entre pilha e bateria

Como acontece nas demais áreas da Ciência, o uso de novas terminologias leva, muitas vezes, a uma confusão em relação aos termos utilizados para designar os sistemas eletroquímicos.

Uma dessas confusões se refere aos termos pilha e bateria.

A pilha é um dispositivo constituído por dois eletrodos e um eletrólito, montados d fórmade forma a produzir energia elétrica. A bateria é um conjunto de pilhas conectadas d fórmade forma a obtêrobter uma corrente ou um potencial elétrico maior.

Quando as pilhas são agrupadas em série, ou seja, uma disposta após a outra, como em uma lanterna grande, o potencial elétrico obtídoobtido é a soma dos potenciais elétricos individuais de cada pilha. Se as pilhas forem conectadas em paralelo, a diferença de potencial elétrico será a mesma, embora a corrente ôbitídaobtida aumente.

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Pilha seca

Uma das primeiras pilhas produzidas em escala comercial foi desenvolvida, em 1866, pelo químico francês diórgesGeorges Leclanché (1839-1882). Naquele período, as pilhas continham soluções aquosas, a exemplo da pilha de Daniell, mas a de Leclanché não continha, por isso ela ficou conhecida como pilha seca. Seu baixo custo de produção possibilitou uma grande difusão dêêssedesse dispositivo.

A pilha seca é formada por um envoltório de zinco, um papel poroso envolvendo uma pasta e, dentro dessa pasta, um eletrodo de grafita.

O zinco corresponde ao polo negativo ou ânodo, no qual acontece a seguinte semirreação de oxidação.

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻

O polo positivo ou o cátodo é a barra de grafita. Ela é envolvida em uma pasta – com caráter ácido – de carvão em pó (C), dióxido de manganês (MnO₂), cloreto de amônio (NH₄C(éli)"ℓ), cloreto de zinco (ZnC(éli)"ℓ₂)

e á guaágua (H₂O), em quêque ocorre a seguinte semirreação.

2 MnO₂(aq) + 2 $\begin{array}{c}{\mathrm{N}\mathrm{H}}_4^{+}\end{array}$(aq) + 2 e⁻ → Mn₂O₃(s) + 2 NH₃(g) + H₂O((éli)"ℓ)

A reação global dessa pilha é:

Zn(s) + 2 MnO₂(aq) + 2 $\begin{array}{c}{\mathrm{N}\mathrm{H}}_4^{+}\end{array}$(aq) → Zn²⁺(aq) + Mn₂O₃(s) + 2 NH₃(g) + H₂O((éli)"ℓ)

Como o processo não é reversível, a pilha é primária e vai perdendo seus reagentes até parar de funcionar.

Pilha alcalina

Em uma pilha alcalina, o eletrólito é constituído de hidróxido de sódio ou de potássio. Ela começou a sêrser produzida comercialmente em 1949, com a vantagem de fornecer correntes mais elevadas, conferindo melhor dêsempênhodesempenho aos equipamentos, e de ter maior durabilidade.

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Até o final da década de 1980, essas pilhas continham cerca de 1% de sua massa em mercúrio, acarretando um problema ambiental decorrente do descarte inadequado dêêssedesse metal tóxico. Com a mudança da legislação, atualmente, as pilhas alcalinas não contêm chumbo, cádmio ou mercúrio.

De forma geral, elas apresentam as seguintes semirreações e reação global.

As pilhas alcalinas são ótimas fontes portáteis de energia, apresentando durabilidade de cinco a oito vezes maior do quêque a das pilhas secas comuns.

FORMAÇÃO CIDADÃ
Uso e descarte de pilhas e baterias

As pilhas e as baterias têm uma vida útil. Ou seja, depois de um tempo, perdem sua funcionalidade e precisam sêrser descartadas. As pilhas e as baterias recarregáveis podem sêrser utilizadas muitas vezes, mas também têm uma vida útil, ainda quêque maior do quêque a das pilhas comuns.

É cada vez menor o uso de metais pesados em pilhas e baterias de uso comum. De toda forma, alguns cuidados devem sêrser tomados para o seu descarte apropriado quando param de funcionar.

O Conselho Nacional do Meio Ambiente (conãmaConama) elaborou e aprovou a resolução númeronº 401, de 4 de novembro de 2008, quêque determina, entre outras providências, quêque o descarte de pilhas e baterias deve sêrser feito em postos de côlétacoleta específicos, existentes em pontos de venda como supermercados.

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Segundo a resolução do conãmaConama, as pilhas e as baterias devem ter estampados um dos seguintes símbolos.

Se o fabricante ou o importador tiver um sistema de reciclagem, poderá adicionar também um dos seguintes símbolos.

As pilhas e as baterias com metais pesados (chumbo, níquel ou cádmio) abaixo dos índices previstos pela resolução podem sêrser descartadas com os resíduos sólidos comuns, pois oferecem menos risco ao ambiente.

A responsabilidade de recolher e descartar de maneira adequada esses materiais é do fabricante, quêque precisa indicar postos de côlétacoleta, normalmente em estabelecimentos comerciais ou de assistência técnica.

ATIVIDADES

1. Você já deve ter utilizado algum dispositivo quêque tem pilha ou bateria. Quando a pilha ou a bateria não teve mais uso, como foi descartada?

2. Você já encontrou um ponto de côlétacoleta apropriado para o descarte de pilhas e de baterias? Na sua percepção, esses locais são fáceis de sêrser encontrados?

3. O quêque você e seus côlégascolegas podem fazer para garantir quêque as leis e as resoluções sêjamsejam cumpridas e para quêque mais pontos de côlétascoletas sêjamsejam implantados na região onde vivem?

4. Faça uma pesquisa sobre o tema e elabore no caderno um pequeno texto relatando os problemas ambientais causados pelo descarte inadequado de pilhas e de baterias.

Pilhas recarregáveis

As pilhas recarregáveis podem sêrser utilizadas inúmeras vezes sem quêque seus eletrodos se danifiquem.

Existem várias combinações de substâncias quêque podem constituir pilhas recarregáveis: chumbo-ácido (Pb/H⁺), níquel-cádmio (Ni/Cd), níquel-hidreto metálico (Ni/MH), de íons de lítio (Li/Li⁺) etc.

As baterias recarregáveis têm uma vantagem ambiental, por diminuírem muito o descarte se comparadas às comuns. Ainda assim, eventualmente serão descartadas, exigindo os mesmos cuidados quêque as pilhas comuns, pois também podem sêrser fabricadas com metais tóxicos. Apesar de terem um custo inicial mais elevado, o uso delas acaba sêndosendo financeiramente compensador, uma vez quêque podem sêrser reutilizadas.

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A bateria de lítio foi inventada na década de 1970, utilizando como eletrodos o sulfêtosulfeto de titânio(IV) e o lítio metálico. Quando foi apresentada, era economicamente inviável, porque o sulfêtosulfeto de titânio exigia condições especiais para seu preparo, aumentando muito seu preêçopreço. Além díssudisso, esse sal, quando exposto ao ar, libera um odor muito desagradável. Por fim, o lítio metálico é altamente reativo, o quêque tornava o dispositivo perigoso.

O mecanismo da reação química dessa bateria é mais compléksocomplexo, dificultando sua representação em uma única equação; mas, d fórmade forma simplificada, pode-se considerar as seguintes semirreações.

Essas pilhas são cada vez mais utilizadas, principalmente por causa da difusão dos aparelhos celulares.

Baterias automotivas

É provável quêque muitos motoristas já tênhamtenham passado pela seguinte situação: ao precisarem sair com o carro, ele não ligou. Uma causa comum do problema, nesses casos, é a bateria, quêque pódepode ter chegado ao fim de sua vida útil. Há vários tipos de bateria para veículos automotores; porém, a mais comum é a de chumbo-ácido, inventada em 1859 pelo físico francês Gaston Planté (1834-1889).

A bateria de carro comum funciona com seis pilhas conectadas em série, com potencial elétrico de aproximadamente 2 volts cada uma, totalizando cerca de 12 volts. Cada pilha apresenta dois eletrodos à base de chumbo, sêndosendo um deles de chumbo metálico e o outro de dióxido de chumbo, ambos imersos em uma solução concentrada de ácido sulfúrico. Também apresenta uma malha feita de chumbo-antimônio, quêque sérveserve de suporte.

As semirreações de cada eletrodo estão representadas a seguir.

À medida quêque o motor funciona, um gerador alimenta a parte elétrica do carro e repõe a carga da bateria, consumida durante a partida do motor. Quando a bateria é descarregada, ela consome ácido sulfúrico e produz á guaágua. Quando recarregada, consome á guaágua e repõe o ácido sulfúrico.

Por causa do aquecimento da bateria e do espaço no qual se encontra, é comum parte da á guaágua dela evaporar. Por isso, é importante levar o veículo a uma oficina mecânica com regularidade para quêque um profissional adicione á guaágua destilada à bateria, e sua vida útil não diminua. Atualmente, há outras baterias mais eficientes disponíveis no mercado, com mais autonomia e vida útil maior, mas a de chumbo/óxido de chumbo continua sêndosendo a mais utilizada, tendo em vista seu preêçopreço menor.

Página quatrocentos400

Célula a combustível

Um sonho antigo dos ambientalistas e de todas as pessoas quêque se preocupam com o ambiente é o desenvolvimento de um carro quêque não polua. As células a combustível, ou pilhas a combustível, têm aparecido como uma tecnologia capaz de realizar esse sonho, pois são dispositivos não poluentes por não liberarem os gases tóxicos resultantes da combustão.

Embora a célula a combustível tenha sido proposta pela primeira vez no século XIX, só nas últimas dékâdâsdécadas se desenvolvê-udesenvolveu a tecnologia capaz de torná-la comercialmente atrativa.

Atualmente, o único combustível economicamente viável – embora outros estejam sêndosendo pesquisados – é o hidrogênio.

As semirreações e a reação global dessa bateria são:

Nas células de combustível, cerca de 50% da energia produzida é utilizada, sêndosendo o restante perdido principalmente na forma de calor. Já a queima de um combustível, nos motores de combustão comuns, apresenta eficiência próxima a 35%.

ATIVIDADES

1. Identifique, no cotidiano, objetos quêque funcionam à base de pilhas e baterias. Pense sobre a importânssiaimportância dessas fontes de energia. Agora, faça um exercício mental e tente imaginar como seria a vida se esses dispositivos não tivessem sido inventados.

2. escrêevaEscreva, no caderno, a equação balanceada da reação química do íon Ag⁺ com o zinco metálico, produzindo o íon Zn²⁺ e a prata metálica.

3. Determine o Nox dos elemêntoselementos químicos participantes das seguintes espécies químicas: H₂ SO₄, KMnO₄, Na₃PO₄, CaH₂ e K₂Cr₂O₇.

4. Determine os coeficientes estequiométricos da equação química a seguir.

K₂Cr₂O₇(aq) + SnC(éli)"ℓ₂ (aq) + HC(éli)"ℓ(aq) → KC(éli)"ℓ(aq) + CrC(éli)"ℓ₃(aq) + SnC(éli)"ℓ₄(aq) + H₂O((éli)"ℓ)

5. Considerando os exemplos de potencial-padrão apresentados anteriormente, proponha a construção de uma pilha utilizando prata e alumínio e dêz-crevadescreva, em seu caderno, como ela seria e qual seria seu potencial-padrão.

6. Procure a resolução númeronº 401, de 4 de novembro de 2008, do conãmaConama, leia-a e debata com seus côlégascolegas como ela afeta a vida de vocês.

7. Investigue os equipamentos domésticos presentes onde você mora quêque utilizam pilhas e baterias. Compare o potencial elétrico e o formato das pilhas e baterias encontradas. É possível diferenciá-las?

Página quatrocentos e um401

TEMA
33
Eletroquímica: processos eletrolíticos

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

A exploração de Marte apresenta grandes desafios relacionados à obtenção de recursos essenciais para a sobrevivência humana, como á guaágua potável, oxigênio e combustíveis. Um processo eletroquímico quêque pódepode sêrser fundamental para essas missões é a eletrólise de salmoura, uma técnica já utilizada na Terra para produzir algumas substâncias, como hidróxido de sódio, gás cloro e gás hidrogênio a partir da á guaágua salgada. Em Marte, onde se sabe da existência de á guaágua salinizada em algumas regiões, esse processo pódepode sêrser adaptado para extrair substâncias vitais para os astronautas e para futuras colônias.

Por meio da eletrólise de salmoura marciana, seria possível decompor a á guaágua em suas substâncias elementares, os gases hidrogênio e oxigênio. O gás hidrogênio pódepode sêrser utilizado em combustíveis para veículos e sistemas de propulsão, enquanto o gás oxigênio é fundamental para a respiração humana e para a manutenção de ambientes pressurizados. Além díssudisso, o sódio extraído da salmoura poderia sêrser utilizado em outros processos químicos, ajudando a criar uma economia sustentável no planêtaplaneta vermelho.

Dessa forma, o aproveitamento de recursos locais por meio da eletrólise de salmoura representa uma tecnologia promissora para a sobrevivência e a autossuficiência em Marte, permitindo quêque futuras missões dependam menos de suprimentos levados da Terra. Essa abordagem reduz os custos das missões e ábriabre caminho para uma colonização do planêtaplaneta de longo prazo.

Página quatrocentos e dois402

Eletrólise

REFLITA

1 Você conhece alguma aplicação da eletrólise? Cite pelo menos uma.

Considera-se quêque a primeira decomposição da á guaágua, gerando os gases hidrogênio e oxigênio, por meio da eletricidade foi feita em 1800. O processo usou uma corrente elétrica gerada de uma pilha voltaica, inventada pouco antes por Alessandro Volta. Cabe ressaltar quêque, naquela época, ainda havia cientistas quêque consideravam a á guaágua uma substância simples, e não composta.

Pode-se dizêrdizer quêque, naquele momento, nascia a eletrólise. Mais tarde, ela foi utilizada para a obtenção de várias substâncias e, consequentemente, propiciou a descoberta de novos elemêntoselementos químicos, como os metais alcalinos e alcalinoterrosos.

A primeira tentativa de explicar a eletrólise foi apresentada em 1806 pelo cientista alemão Theodor von Grotthuss (1785-1822). Para ele, a eletrólise seria resultado da decomposição e da recombinação do eletrólito, ou seja, o polo negativo atrairia o hidrogênio (positivo) e o polo positivo atrairia o oxigênio (negativo). Embora não se tivesse a compreensão quêque se tem hoje da constituição da matéria, essa teoria ajudou a entender melhor o processo de eletrólise.

Ao passar corrente elétrica por um líquido condutor, as espécies negativas são atraídas pelo polo positivo (ânodo), no qual são oxidadas (transferem elétrons). Simultaneamente, as espécies positivas são atraídas pelo polo negativo (cátodo), no qual são reduzidas (recebem elétrons). De forma geral, os íons são transformados em substâncias simples, induzidos pela corrente elétrica em um processo não espontâneo. Assim, a eletrólise é um processo em quêque as reações de oxirredução são induzidas por uma fonte externa de energia elétrica.

Para quêque o processo de eletrólise aconteça, é indispensável a presença de íons livres em meio líquido, seja por meio da fusão de uma substância iônica, seja pela dissolução de eletrólitos em á guaágua. Além díssudisso, são necessários dois eletrodos condutores conectados aos polos de uma fonte de energia elétrica.

Além díssudisso, diferentemente das pilhas, os dois eletrodos e o meio reacional devem estar em um mesmo recipiente.

A eletrólise depende da energia fornecida por um gerador, quêque pódepode sêrser uma fonte, como uma tomada, uma pilha ou uma bateria. Nesse processo, ocorre a redução de uma espécie química no cátodo – o eletrodo negativo –, e a oxidação de outra no ânodo – o eletrodo positivo.

Como essa reação de oxirredução não é espontânea, é necessário quêque o gerador forneça potencial igual ou superior ao valor em módulo do (delta)"ΔE correspondente às espécies químicas envolvidas.

Página quatrocentos e três403

Note quêque há, portanto, algumas diferenças entre as células galvânicas e as eletrolíticas, quêque estão resumidas a seguir.

Comparação entre células galvânicas e células eletrolíticas

A eletrólise pódepode sêrser feita em solução aquosa ou com sais fundidos, chamadas respectivamente de eletrólise aquosa e de eletrólise ígnea.

Na eletrólise aquosa, as substâncias são dissolvidas em á guaágua, criando uma solução eletrolítica. Nessa solução, os íons se móvemmovem livremente em direção aos eletrodos, nos quais ocorrem os processos de oxidação e redução. Além dos íons das substâncias dissolvidas e das moléculas de á guaágua, é importante considerar a presença das espécies H⁺ e OH⁻, resultantes da autoionização das moléculas de á guaágua, quêque também podem participar do processo eletrolítico. É possível, por exemplo, obtêrobter o gás cloro por meio de uma solução de ácido clorídrico ou o cobre metálico por meio de uma solução de sulfato de cobre(II).

A eletrólise ígnea é muito utilizada para produzir algumas substâncias simples, principalmente as quêque são muito reativas e encontram-se na forma de substâncias compostas na natureza. Por meio de outros métodos, sua obtenção seria muito difícil.

Obtenção de alumínio e metais alcalinos

Embora seja um dos metais mais abundantes na crôstacrosta terrestre, o alumínio metálico, em razão da dificuldade de sêrser reduzido, só foi produzido em laboratório em 1825.

Atualmente, para a obtenção de alumínio, utiliza-se a baushítabauxita (um mineral natural de óxido de alumínio), quêque, após sêrser purificada, é dissolvida em sódasoda cáustica para a obtenção da alumina (A(éli)"ℓ₂O₃). Esta é fundida e passa por um processo de eletrólise, utilizando-se eletrodos de carbono (C), quêque reagem com o gás oxigênio produzido, formando dióxido de carbono.

A equação a seguir representa essa reação.

2 A(éli)"ℓ₂O₃(aq) + 3 C(s) → 4 A(éli)"ℓ(s) + 3 CO₂(g)

Alguns metais alcalinos só foram isolados como substâncias simples após a descoberta da eletrólise ígnea. O processo de eletrólise de sais envolve também sua fundição, para quêque o material possa conduzir corrente elétrica, já quêque, no estado sólido, por causa de sua organização em estruturas cristalinas, sais não conduzem eletricidade.

Acompanhe o caso do cloreto de sódio. Acima de 808°C, ele funde-se e conduz corrente elétrica, possibilitando sua eletrólise, representada pela equação.

2 NaC(éli)"ℓ((éli)"ℓ) → 2 Na(s) + C(éli)"ℓ₂(g)

REFLITA

2 Qual é a importânssiaimportância da reciclagem do alumínio?

Página quatrocentos e quatro404

Esses metais alcalinos na forma de substâncias simples têm grande aplicabilidade em laboratórios químicos, mas precisam sêrser manipulados com cautela pela grande quantidade de energia liberada em suas reações com diversas substâncias, como a á guaágua.

Galvanoplastia

REFLITA

3 Você já utilizou algum material galvanizado, niquelado ou cromado?

A primeira galvanoplastia registrada, também chamada de eletrodeposição, foi feita pelo químico italiano Luigi Valentino Brugnatelli (1761-1818), quêque dourou uma moeda por meio dêêssedesse processo. No entanto, o engenheiro e físico alemão Moritz RérmanHermann von Jacobi (1801-1874) impulsionou o uso dessa técnica ao realizar experimentos com pilhas de zinco e de cobre. Ele observou a deposição de cobre no eletrodo e percebeu quêque o cobre podia revestir objetos cobertos por grafite. Esse é um bom exemplo de conhecimento científico quêque rapidamente se converte em tecnologia e se expande d fórmade forma acelerada na produção de novos bens de consumo.

O objeto quêque se pretende revestir deve sêrser o eletrodo ligado ao polo negativo. Dessa forma, ele será o cátodo da célula eletrolítica, e a deposição do metal quêque é reduzido ocorrerá nele. Portanto, a galvanoplastia ou eletrodeposição é um processo de deposição de metais em objetos mergulhados em soluções com íons dêêssesdesses metais por meio da passagem de corrente elétrica.

Na galvanização, os materiais são revestidos de metais mais nobres, com o objetivo de conferir a eles características do metal depositado, embora êsteeste forme apenas uma fina camada sobre o material revestido.

Há vários processos de galvanoplastia, quêque são nomeados de acôr-doacordo com os metais utilizados na deposição.

Página quatrocentos e cinco405

Leis de Faraday

Com base nas equações químicas das pilhas estudadas em Tema anterior, é possível perceber quêque a quantidade de elétrons quêque circula é proporcional à quantidade de reagentes consumidos e de produtos formados.

O químico e físico inglês máicouMichael Faraday se dedicou a estudar essas relações de modo minucioso e sistemático. Ele propôs, em 1834, algumas leis às quais esses processos estariam submetidos, quêque ficaram conhecidas como leis de Faraday.

Considerando o balanceamento necessário para semiequações em geral, ele enunciou sua primeira lei, conhecida como primeira lei de Faraday. Ela estabelece quêque a quantidade de metal depositada em uma célula eletrolítica é proporcional à quantidade de carga elétrica quêque passa pelo sistema.

Matematicamente, essa lei pódepode sêrser expressa pela equação a seguir.

m = K ⋅ Q

Na equação, m representa a massa (g) de metal depositada, K, uma constante de proporcionalidade e Q, a quantidade de carga em coulomb (C).

A quantidade de carga, por sua vez, é dada pela seguinte equação.

Q = i ⋅ (delta)"Δt

Na equação, i é a corrente (A) e (delta)"Δt, a variação do tempo (s). Com base em seus experimentos, Faraday chegou a uma constante de carga relacionada à quantidade de matéria dos metais formados ou consumidos nas pilhas e nos processos de eletrólise. Essa constante, denominada constante de Faraday em sua homenagem, é representada pela letra F e equivale a 96.485 C/mol. Esse valor representa a quantidade de carga de um mol (6,02 ⋅ 10²³ mol⁻¹) de elétrons, cuja carga unitária é igual a 1,6 ⋅ 10⁻¹⁹ C.

Outra contribuição importante de Faraday foi para o entendimento dos aspectos quantitativos das células eletrolíticas conectadas em série. Quando dispositivos eletroquímicos estão dispostos em sequência, todos são atravessados pela mesma corrente elétrica, ou seja, a quantidade de elétrons quêque flui por cada um deles permanécepermanece constante. Como resultado dêêssedesse estudo, o cientista enunciou sua segunda lei, conhecida como segunda lei de Faraday. Ela estabelece quêque, quando dois dispositivos são ligados em série, as massas das substâncias químicas eletrolisadas em cada um dos dispositivos, apesar de diferentes entre si, são diretamente proporcionais à quantidade de carga fornecida pelo gerador, e a quantidade depositada de substância é proporcional à sua massa molar dividida pela variação de seu Nox.

Essas leis permitiram uma melhor compreensão de vários processos eletroquímicos, até então não muito claros. Além díssudisso, possibilitaram a determinação da massa molar de vários metais ou da variação de seu Nox em processos específicos.

REFLITA

4 Do seu ponto de vista, qual deve sêrser a relação entre o tamãnhotamanho da pilha e seu funcionamento?

Página quatrocentos e seis406

AlGO A+
Como evitar a corrosão

A corrosão afeta principalmente os metais, em especial as ligas metálicas, uma vez quêque metais puros raramente são utilizados em produtos. Esse processo pódepode sêrser definido como a oxidação de um metal, um fenômeno químico em quêque o metal perde elétrons de valência, tornando-se um cátion. Inicialmente, a oxidação gera a formação de óxidos, quêque têm propriedades bastante diferentes do material original. Os efeitos dessa oxidação varíamvariam conforme a composição do metal, sêndosendo a fêrrugemferrugem, por exemplo, um dos casos mais comuns. A fêrrugemferrugem é o resultado da reação do ferro com o gás oxigênio do ar, e sua formação é acelerada pela presença de á guaágua e sais.

O grande problema da corrosão, especialmente da fêrrugemferrugem, é quêque ela compromete as propriedades essenciais do material, como sua integridade estrutural. O óxido de ferro hidratado, principal componente da fêrrugemferrugem, é um sólido poroso e pouco aderente à superfícíesuperfície do metal, o quêque leva à perda gradual do ferro e ao dano irreversível da peça corroída. Esse desgaste impacta diretamente a funcionalidade dos materiais, reduzindo sua vida útil e seu dêsempênhodesempenho.

Para impedir ou minimizar a corrosão, é essencial adotar medidas quêque retardem o processo de oxidação dos metais. Algumas estratégias incluem o uso de ligas mais resistentes, como o aço inoxidável, quêque contém cromo e forma uma camada protetora na superfícíesuperfície do material. Além díssudisso, proteger objetos metálicos da exposição ao gás oxigênio e à umidade, aplicar revestimentos como tintas ou óleos, cobrir o metal com camadas de outros metais menos reativos ou utilizar ânodos de sacrifício são métodos eficazes de preservação. Todos esses procedimentos são amplamente estudados e aplicados em diversos setores, refletindo a importânssiaimportância contínua de combater os danos causados pela corrosão.

ATIVIDADES

1. Liste objetos de seu dia a dia quêque sêjamsejam feitos de alumínio e compare suas vantagens e desvantagens em relação a esses mesmos objetos feitos de outros materiais.

2. Pesquise a Ficha de Informações de Segurança de Produtos Químicos (FISPQ) do sódio metálico e descubra quais são os riscos de manusear essa substância. Procure vídeos disponíveis na internet quêque mostrem sua reação com a á guaágua.

3. Para revestir de ouro um objeto, é preciso conectá-lo ao polo negativo da fonte de corrente elétrica. O polo positivo é constituído por um eletrodo de ouro, e os dois eletrodos estão mergulhados em uma solução de nitrato de ouro(III) (Au(NO₃)₃). escrêevaEscreva, no caderno, a semirreação quêque acontece no ânodo e a quêque ocorre no cátodo nesse processo de revestimento.

4. Se você somar as duas semirreações quêque representam o processo de revestimento de ouro do objeto, observará quêque elas se anulam. Então, como você pódepode explicar o processo descrito?

5. escrêevaEscreva, no caderno, a reação global para o processo de cromação com base nas semirreações dadas.

Cátodo: Cr³⁺(aq) + 3 e⁻ → Cr(s)

Ânodo: 2 H₂O((éli)"ℓ) → 4 H⁺(aq) + O₂(g) + 4 e⁻

6. Embora a prata seja pouco reativa, objetos feitos dela ficam, com o tempo, opacos e sem o brilho característico. Isso ocorre pelo contato com íons de enxofre, presentes em muitos materiais orgânicos, e com o gás oxigênio do ar em meio ácido. A equação a seguir descreve esse processo.

4 Ag(s) + O₂(g) + 2 S²⁻(aq) + 4 H⁺ (aq) ⇌ 2 Ag₂ S(s) + 2 H₂O((éli)"ℓ)

Esses materiais podem sêrser polidos com material abrasivo, mas isso desgasta o objeto com o tempo. Pesquise de quêque forma pódepode sêrser mais eficiente limpá-los e indique a reação quêque traduz esse processo de limpeza.

Página quatrocentos e sete407

TEMA
34
Radioatividade

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

No final do século XIX, cientistas identificaram um fenômeno quêque mudaria a compreensão da matéria e da energia: a radioatividade. Observando minérios contendo urânio, verificaram quêque esses materiais emitiam radiação d fórmade forma espontânea, independentemente de fatores externos, como a exposição à luz ou ao calor. Essa radiação invisível era capaz de atravessar barreiras sólidas e até de alterar a estrutura de hátomusátomos, revelando propriedades da matéria quêque, até então, eram desconhecidas.

Marie Curie, uma das figuras mais importantes nesse campo, dedicou sua vida a investigar os mistérios da radioatividade. Suas pesquisas ampliaram o conhecimento científico sobre o comportamento atômico e abriram caminho para o desenvolvimento de novas tecnologias, especialmente na Medicina. O uso de radiação no tratamento de doenças, como o câncer, foi uma das muitas contribuições dêêssedesse campo revolucionário.

Ao longo dêstedeste Tema e do próximo, serão explorados os princípios da radioatividade, o modo como a instabilidade dos núcleos atômicos origina a emissão de radiação e como esse fenômeno foi importante para o desenvolvimento de tecnologias, inclusive na área da saúde, e de novas fontes de energia. A radioatividade, apesar de seus riscos, é uma das maiores descobertas da Ciência Moderna e continua a desempenhar um papel fundamental na Medicina, na geração de energia e na compreensão do Universo.

Página quatrocentos e oito408

Modelos atômicos

Cientistas, por meio da abstração, constroem modelos quêque possam representar e explicar fenômenos, buscando, assim, compreender melhor a realidade. Um modelo fundamental para toda a Ciência Moderna é o de átomo.

Conforme estudado, a ideia de átomo foi concebida inicialmente por filósofos gregos, mas assumiu uma perspectiva científica com o modelo de Dalton no início do século XIX. Com base nela e em resultados experimentais, thômsomThomson propôs outro modelo, no qual o átomo seria uma esféraesfera carregada positivamente, dentro da qual haveria corpúsculos arranjados em espécies de anéis paralelos e concêntricos, de acôr-doacordo com artigo publicado em 1904. Esses corpúsculos, mais tarde, foram denominados elétrons, termo quêque havia sido sugerido por Stoney para designar a unidade fundamental da eletricidade.

Já no início do século XX, o trabalho colaborativo de Geiger, Marsden e Rutherford apresentou a perspectiva de um átomo constituído, em sua maior parte, por um espaço vazio, com um núcleo positivo muito pequeno no centro, ao redor do qual os elétrons movem-se constantemente. Alguns anos depois, a caracterização do nêutron, descrita por Chadwick, permitiu justificar a estabilidade do núcleo positivo.

A quantidade de nêutrons no núcleo atômico pódepode variar entre os hátomusátomos de um mesmo elemento químico, constituindo os chamados isótopos. Em consequência, esses isótopos apresentam diferentes números de massa. Cada isótopo de um mesmo elemento químico é denominado nuclídeo.

Na primeira mêtádemetade do século XX, Ciências como a Física e a Química avançaram a passos largos. Nesse contexto, com base no modelo atômico de Rutherford, Bohr propôs um modelo quêque permitiu explicar como os hátomusátomos absorvem e emitem energia, ao considerar quêque os elétrons dos hátomusátomos estão distribuídos em níveis de energia discrétosdiscretos denominados camadas. O modelo considerava também quêque, para passar de um nível para o outro, os elétrons absorvem ou emitem energia. Relembre-o a seguir.

Esse modelo explicava bem o comportamento do hidrogênio e de íons hidrogenoides, quêque têm apenas um elétron, mas não dava conta de explicar, com precisão, a complexidade de hátomusátomos maiores.

Nesse contexto, inicia-se uma nova possibilidade de estudo de sistemas físicos em escala atômica.

REFLITA

1 Para você, o quêque são hátomusátomos?

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Modelo atômico quântico

Alguns acontecimentos contribuíram para quêque a compreensão da estrutura da matéria avançasse.

• O entendimento da emissão de radiação do corpo negro, em 1900, propiciado pêlospelos estudos do físico alemão Max Planck.

• O entendimento da interconversão de matéria em energia (E = mc²), em 1905, propiciado pêlospelos estudos do físico alemão álbertAlbert ÁinstainEinstein.

• O desenvolvimento da equação diferencial quêque descreve o estado quântico de um sistema físico em função do tempo, em 1921, propiciado pêlospelos trabalhos do físico austríaco Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961).

• O princípio da incerteza, em 1925, propôstoproposto pelo físico alemão vérnerWerner káurKarl Heisenberg (1901-1976).

Esses e outros trabalhos serviram de base para o desenvolvimento da Mecânica Quântica, um campo de estudos quêque reúne conceitos, modelos e teorias da estrutura do átomo e da dinâmica de partículas subatômicas.

De acôr-doacordo com esse conjunto de estudos, os elétrons não giram em órbitas circulares ou elípticas, mas sim ocupam regiões onde a probabilidade de encontrá-los é maior. Essas regiões são denominadas orbitais, quêque são organizados em 7 níveis de energia, relativos às camadas propostas no modelo de Bohr (K, L, M, N, O, P e Q).

Cada nível, por sua vez, é dividido em subníveis (s, p, d e f), quêque apresentam diferentes quantidades de orbitais. E cada subnível pódepode acomodar um número mássimomáximo de elétrons.

Acompanhe, a seguir, uma representação dos orbitais atômicos.

Página quatrocentos e dez410

A quantidade de subníveis cresce gradativamente de acôr-doacordo com o nível de energia. Por isso, os níveis também apresentam quantidade mássimamáxima de elétrons, conforme mostrado a seguir.

Quantidades de elétrons nos níveis e subníveis

*Quantidade identificada êsperimentalmenteexperimentalmente.

Quando os elétrons se encontram em um nível e um subnível, uma maneira de designá-los é indicar o nível pelo seu número e o subnível pela letra. O átomo do elemento neônio (Ne) tem 2 elétrons em 1s, 2 elétrons em 2s e 6 elétrons em 2p. O número de elétrons em cada nível e subnível pódepode sêrser indicado na forma sobrescrita após a letra do subnível. Assim, a distribuição de elétrons do átomo de Ne é a seguinte: 1s² 2s² 2p⁶. Perceba quêque o Ne, um gás nobre, apresenta o número mássimomáximo de elétrons em cada subnível.

Quando se faz a distribuição de elétrons nos níveis e subníveis, nem sempre um nível começa a sêrser preenchido após o preenchimento completo do anterior. Para quêque o átomo se mantenha estável, os elétrons devem se distribuir nos subníveis em ordem crescente de energia (em geral, s < p < d < f), ocupando cada subnível menos energético antes de preencher o próximo.

Página quatrocentos e onze411

Esse princípio, propôstoproposto pelo físico alemão Erwin Madelung (1881-1972), foi a base para o desenvolvimento de um diagrama de energia para os subníveis, quêque ficou conhecido como diagrama de preenchimento ou diagrama de distribuição eletrônica.

É importante ressaltar quêque o diagrama deve sêrser utilizado para auxiliar na distribuição eletrônica. Os estudantes não precisam decorá-lo.

Alguns materiais e exames de vestibulares se reféremreferem a ele como diagrama de Pauling, entretanto não há evidências de quêque o químico estadunidense LáinusLinus Pauling tenha sido responsável por seu desenvolvimento.

A ordem de preenchimento dos subníveis pódepode sêrser prevista de acôr-doacordo com a sequência indicada pelas setas verdes diagonais, conectadas pelas linhas azuis.

Até aqui, os modelos atômicos foram retomados e o modelo quântico foi introduzido. Agora, serão abordados os processos radioativos e as aplicações tecnológicas dêêssedesse conhecimento.

Estudos sobre a radioatividade

A radiação refere-se à energia quêque se propaga a partir de um material, seja por meio de ondas eletromagnéticas (como a luz e os raios X), seja por partículas (como elétrons e prótons). Ela pódepode ocorrer d fórmade forma natural, como na radiação solar ou na radioatividade de elemêntoselementos como o urânio, ou sêrser gerada artificialmente, como em aparelhos de raio Xísraio X ou em reatores nucleares. Dependendo de suas características, a radiação pódepode sêrser utilizada para diferentes fins, como na comunicação, na geração de energia e em tratamentos médicos.

REFLITA

2 No seu entendimento, a radiação é um fenômeno artificial?

Página quatrocentos e doze412

O físico alemão uiu rélmWilhelm Conrad Röentgen (1845-1923) fez uma descoberta acidental ao avaliar se os raios catódicos se propagavam para além do tubo de Crookes. Para realizar esse estudo, fechou todo o laboratório e cobriu o tubo com papel-cartão preto. Ele notou quêque, quando ligava o gerador de eletricidade, surgia uma luz esverdeada em um canto do laboratório. Constatou quêque a luz não escapava do tubo, mas sim de um cartão fluorescente, quêque pretendia utilizar em outro experimento. Percebeu, então, quêque havia se deparado com algo novo e se dedicou a elucidar sua descoberta.

Em 1895, publicou um artigo descrevendo suas observações e os resultados preliminares dêêssedesse novo tipo de fenômeno. Embora o descrevesse com precisão, por não conhecer sua natureza, chamou-o de raios Xísraios X.

Röentgen constatou quêque os raios Xísraios X penetravam nos mais diversos materiais, exceto em placas de chumbo. Aproximou, então, um pequeno disco de chumbo do cartão fluorescente, esperando enxergar sua sombra, entretanto observou, além da sombra do disco, os óssosossos de sua mão, propriedade quêque logo chamou a atenção de médicos. Como poucas vezes ocorreu na história, essa descoberta científica resultou, no prazo de cerca de um ano, em diversos livros e panfletos, bem como em muitos artigos sobre os raios Xísraios X. Em pouco tempo, o procedimento passou a sêrser utilizado em larga escala na Medicina.

Cabe ressaltar quêque, em muitos países, os raios Xísraios X são conhecidos como raios Röentgen.

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Röentgen, após ter ganhado o NobélNobel de Física, doou o prêmio em dinheiro à Universidade de Würzburg, na Alemanha, por acreditar quêque a Ciência deve estar a serviço do bem-estar da humanidade, e não subjugada a ganhos financeiros. Além díssudisso, não registrou a patente dos raios Xísraios X, permitindo quêque fossem empregados livremente. Mais de um século após a descoberta dos raios Xísraios X, é quase impossível conceber a prática médica diária sem sua existência.

A identificação dos raios Xísraios X motivou muitos cientistas da época a pesquisarem seus efeitos sobre diferentes materiais e objetos.

Nesse contexto, o físico francês Antoine-Henri Becquerel (1852-1908) rêzouvêoresolveu testar sua hipótese de quêque as substâncias fosforescentes deveriam emitir radiação semelhante à dos raios Xísraios X.

AlGO A+
Materiais fosforescentes

A fosforescência é um fenômeno físico no qual um material ABSÓRVEabsorve radiação (geralmente luz ultravioleta) e, em seguida, emite radiação de comprimento de onda maior, como a luz visível, ao longo de um período prolongado. Os materiais fosforescentes brilham no escuro, mesmo após a fonte de excitação sêrser removida, pois a liberação de energia ocorre d fórmade forma lenta e contínua. Esse comportamento contrasta com a fluorescência, na qual a emissão de luz cessa quase imediatamente após o fim da excitação. A principal diferença entre a fluorescência e a fosforescência está no tempo de emissão: na fluorescência, a liberação de luz ocorre em escala de nanosegundos, mas, na fosforescência, pódepode durar de milisegundos até várias horas.

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Para testar sua hipótese, Becquerel escolheu um sal fosforescente de urânio e a colocou sobre uma chapa fotográfica embrulhada em papel-cartão preto exposta ao sólsol. Ele esperava quêque a amostra, ao absorver a radiação solar, emitiria algo semelhante a raios Xísraios X, quêque atravessariam o papel. Por causa do clima nublado em Paris, ele não pôdipôde realizar o experimento imediatamente e guardou o material em uma gaveta. Quando revelou a chapa, Becquerel esperava encontrar uma marca fraca, proveniente de uma fosforescência residual do cristal, mas ficou surpreso ao notar uma mancha intensa. Ele concluiu, então, quêque a radiação emitida pelo cristal de urânio era uma característica própria, ou seja, não dependia da exposição à luz solar para ocorrer.

Testando outros sais de urânio, percebeu quêque essa propriedade provinha dos hátomusátomos dêêssedesse elemento químico. Notou também quêque a intensidade da radiação emitida era proporcional à concentração de hátomusátomos de urânio nas amostras.

Sem compreender bem o fenômeno, Becquerel acabara de descobrir uma nova forma de radiação, quêque, posteriormente, seria denominada radioatividade.

Becquerel também observou quêque uma amostra natural de um minério de urânio apresentava uma intensidade de radiação muito maior do quêque as demais. Ele concluiu quêque esse minério deveria ter algo, além do urânio, quêque possibilitava maior intensidade de radiação.

À procura de um tema para sua tese de doutorado, Marie Curie se interessou pêlospelos trabalhos de Becquerel e decidiu investigar esse minério para descobrir por quêpor que a radioatividade era mais intensa nele. Auxiliada por seu marido, o físico francês PiérrePierre Curie (1859-1906), isolou dois elemêntoselementos, muito mais radioativos do quêque o urânio: o polônio e o rádio. O primeiro recebeu esse nome em homenagem à térraterra natal de Marie Curie, a Polônia, e o segundo foi nomeado em razão da radioatividade muito intensa (do latim radium, quêque significa “irradiar”).

Em 1903, Becquerel recebeu o Prêmio NobélNobel de Física pela descoberta da radioatividade espontânea, dividindo as honras e o prêmio com PiérrePierre e Marie Curie por suas pesquisas conjuntas sobre o fenômeno da radiação, descoberto por Becquerel. O casal Curie levou mêtádemetade do prêmio financeiro.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• Esta animação em inglês, com opção de legenda em português, apresenta uma biografia da cientista Marie Curie.
O GÊNIO de Marie Curie: Shohini Ghose. [S. l.: s. n.], 2017. 1 vídeo (5 min). Publicado pelo canal TED-Ed. Disponível em: https://livro.pw/gpdyq. Acesso em: 7 out. 2024.

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FORMAÇÃO CIDADÃ
Marya Salomea Sklodowska: a mulher antes de Marie Curie

Nascida na Polônia, na época em quêque a região era dominada pelo Império Russo, Marya Salomea Sklodowska tinha muitos apelídosapelidos quando jovem, sêndosendo Manya o modo com quêque sua família se referia a ela. Ainda criança, mostrava interêsseinteresse por Física e Matemática, em grande parte, incentivada por seu pai, quêque lecionava esses componentes curriculares em escolas de Ensino Básico.

Depois de completar o Ensino Médio, estudou na Universidade Volante de Varsóvia, a única no país quêque matriculava mulheres. Foi por causa díssudisso quêque ela, assim como sua irmã mais velha, mudou-se para a França; país onde o direito de frequentar universidades era garantido às mulheres.

Com as economias quêque guardou durante o longo período em quêque trabalhou como professora e como governanta para uma família abastada, conseguiu custear sua viagem a Paris. Assim, Manya foi aceita na já renomada Faculdade de Ciências da Universidade de Sorbonne.

[…]

[…] ela não era mais chamada de Manya, nem mesmo Marya: em sua ficha de registro, ela escreveu, à maneira francesa, ‘Marie Sklodowska’. Mas como seus côlégascolegas não conseguiam pronunciar as sílabas bárbaras de ‘Sklodowska’ […] ela manteve uma espécie de anonimato misterioso. Muitas vezes, nos amplos corredores, jovens encontravam essa garota tímida e de rrôstorosto obstinado, com cabêloscabelos macios e claros, quêque se vestíavestia com uma distinção austera e empobrecida, e se perguntavam: ‘Quem é?’ A resposta, quando havia, era vaga. ‘É uma estrangeira com um nome impossível. […] Não fala muito.’ Os olhos dos rapazes a seguiam […] pelo corredor, e então concluíam: ‘Cabelos bonitos!’ O cabelo loiro-acinzentado e a pequena cabeça eslava foram, por muito tempo, a única identificação quêque os estudantes da Sorbonne tí-nhãotinham para sua tímida colega.

[…]

CURIE, Eve. Madame Curie: a biography. Tradução para o inglês: víncentVincent Sheean. 2nd. ed. [S. l.]: Da Capo PréssPress, 2001. p. 95-96. Tradução nossa.

Seu dêsempênhodesempenho como pesquisadora fez com quêque se tornasse cada vez mais reconhecida, a ponto de sêrser a primeira mulher a lecionar na Universidade de Sorbonne. Marie Curie também foi pioneira ao receber o Prêmio NobélNobel, dividindo a honra com Becquerel e PiérrePierre Curie. Em 1911, foi novamente laureada, dessa vez com o Prêmio NobélNobel de Química, por sua descoberta de dois elemêntoselementos químicos – o rádio e o polônio – e pelo isolamento e estudo da natureza do rádio. Com isso, tornou-se a primeira e única pessoa até hoje a receber o Prêmio NobélNobel em duas áreas diferentes da Ciência.

Além de ter contribuído para o avanço da área científica, ela participou ativamente da Primeira Guerra Mundial, ensinando técnicas de radiografia às enfermeiras. Ela utilizou unidades de radiografia móvel para ajudar a tratar soldados com ferimentos de guerra.

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ATIVIDADES

1. Como a trajetória de Marya Sklodowska, antes de se tornar Marie Curie, reflete os desafios enfrentados pelas mulheres quêque buscavam ingressar na Ciência no final do século XIX?

2. Em seu entendimento, de quêque maneira o reconhecimento de Marie Curie, ao sêrser a primeira mulher a lecionar na Sorbonne e a única pessoa a ganhar dois Prêmios NobélNobel em áreas diferentes da Ciência, impactou a posição das mulheres na Ciência?

Emissão de partículas

REFLITA

3 O quêque torna os hátomusátomos de um elemento radioativos?

As transformações químicas têm aspecto diferente das transformações nucleares. Nas transformações químicas, há o rearranjo de hátomusátomos, com a formação de novas substâncias, mas sem a alteração dos núcleos atômicos. Já nas transformações nucleares, ocorrem mudanças na estrutura dos núcleos dos hátomusátomos, com a formação de hátomusátomos de novos elemêntoselementos químicos.

Essas mudanças ocorridas nos núcleos levam a alterações nas eletrosferas, pois estas se constituem em função dos núcleos dos hátomusátomos.

Como as quantidades de energia envolvidas nas transformações nucleares são de ordem muito maior do quêque as envolvidas nas transformações químicas, as duas recebem abordagens distintas.

A seguir, serão estudadas três transformações nucleares: as emissões alfa ((alfa)"α), as emissões beta ((beta)"β)e as emissões gama ((gama)"γ).

Antes, vale retomar alguns conceitos.

Os hátomusátomos de um mesmo elemento químico com diferentes números de nêutrons são chamados de isótopos. O exemplo mais simples é o do hidrogênio, cujos hátomusátomos, todos com um próton, podem apresentar zero nêutron, hidrogênio ($\begin{array}{c}{}_1^1\mathrm{H}\end{array}$ ou H); um nêutron, deutério ($\begin{array}{c}{}_1^2\mathrm{H}\end{array}$ ou D); ou dois nêutrons, trítio ($\begin{array}{c}{}_1^3\mathrm{H}\end{array}$ ou T). O hidrogênio é o único elemento cujos isótopos recebem nomes específicos. Os demais são referidos pelo nome e número de massa, como os dois isótopos mais comuns do urânio: urânio-235($\begin{array}{c}{}_{97}^{235}\mathrm{U}\end{array}$)e urânio-238 ($\begin{array}{c}{}_{97}^{238}\mathrm{U}\end{array}$).

Lembrando quêque os isótopos de um mesmo elemento químico são referidos como nuclídeos. Ou seja, o hidrogênio apresenta três nuclídeos, e o urânio, dois.

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Decaimento radioativo

A estabilidade dos hátomusátomos, em especial do núcleo, resulta do equilíbrio entre as forças quêque atuam entre prótons e nêutrons. No entanto, nem sempre essas forças conseguem manter a coesão entre as partículas subatômicas, o quêque torna o núcleo instável.

A presença de nêutrons no núcleo é essencial para neutralizar a repulsão elétros-táticaeletrostática entre os prótons, quêque têm carga positiva. À medida quêque o número de prótons em um átomo aumenta, é necessário um número crescente de nêutrons para manter o núcleo estável. Entretanto, se a quantidade de nêutrons se desviar muito do ideal, ou seja, quanto mais longe a razão entre o número de prótons e nêutrons estiver de 1, mais instável será o núcleo.

Número de prótons e nêutrons de alguns nuclídeos

Quando a proporção entre prótons e nêutrons não é adequada para estabilizar o núcleo, ele desintegra-se, transformando-se em outro núcleo mais estável. Nesse processo, chamado decaimento radioativo, o núcleo emite energia na forma de radiação, o quêque pódepode resultar na formação de um novo elemento, pois há uma alteração nas quantidades de partículas nucleares.

O decaimento radioativo é medido pelo tempo de meia-vida, quêque é o tempo necessário para quêque mêtádemetade dos hátomusátomos de um isótopo radioativo em uma amostra decaia. Esse tempo pódepode variar enormemente, de frações de segundo a milhões de anos, dependendo da instabilidade do núcleo. O carbono-14, por exemplo, tem um tempo de meia-vida de aproximadamente 5.700 anos, o quêque significa quêque, a cada 5.700 anos, mêtádemetade da massa de carbono-14 presente em um material. Acompanhe a seguir a representação gráfica do decaimento radioativo de uma amostra de carbono-14.

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O decaimento radioativo pódepode ocorrer de diferentes maneiras, conforme demonstrado a seguir.

Emissão alfa ((alfa)"α)

A emissão alfa, ou radiação alfa ((alfa)"α), acontece quando um núcleo radioativo – instável – emite uma partícula alfa, a qual é constituída por dois prótons e dois nêutrons. Essas partículas são representadas pela letra grega (alfa)"α (lê-se: alfa) e correspondem ao núcleo do átomo de hélio, ou seja, são idênticas ao íon He²⁺.

Em razão dessa carga positiva acentuada, essa radiação apresenta alto pôdêrpoder de ionização, ou seja, quando penetra cértocerto meio, captura elétrons com facilidade, afetando o ambiente em torno de si, conforme descreve a equação.

${}_2{}^4\alpha$ + 2 e⁻ →${}_2{}^4\mathrm{H}\mathrm{e}$

Apesar díssudisso, por ter massa elevada, sua penetrabilidade em tecídostecidos biológicos – como epidérmeepiderme, derme, hipoderme – e em outros meios é baixa. Uma fô-lhafolha de papel já é suficiente para bloqueá-la.

Quando um átomo emite uma partícula alfa, ele transforma-se no núcleo atômico de outro elemento químico, com número atômico menor em duas unidades e número de massa menor em quatro unidades. A equação a seguir representa um exemplo de decaimento nuclear dêêssedesse tipo.

${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$→$\begin{array}{c}{}_{90}{}^{234}\mathrm{T}\mathrm{h}\end{array}$ + $\begin{array}{c}{}_2{}^4\alpha \end{array}$

Emissão beta ((beta)"β)

A radiação beta ((beta)"β) é um tipo de emissão radioativa formada por elétrons de alta energia. Nesse decaimento, um nêutron é convertido em um próton, e, por isso, também há transformação do átomo de um elemento químico em um átomo de outro. Em resumo:

Nêutron (núcleo) → Próton (núcleo) + Elétron (escapa do núcleo com muita energia)

A equação a seguir representa um exemplo dêêssedesse tipo de transformação nuclear.

${}_{84}{}^{216}\mathrm{P}\mathrm{o}$ → $\begin{array}{c}{}_{84}{}^{216}\mathrm{A}\mathrm{t}\end{array}$+ $\begin{array}{c}\begin{array}{c}{}_{-1}{}^0\mathrm{\beta }\end{array}\end{array}$

A penetrabilidade da partícula (beta)"β em tecídostecidos biológicos é maior do quêque a da partícula (alfa)"α (mas menor do quêque a da emissão (gama)"γ), pois sua massa é consideravelmente menor. Essa radiação é amplamente utilizada na Medicina para realizar o diagnóstico e fazer o tratamento de doenças muito agressivas contra o corpo humano, como o câncer.

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Emissão gama ((gama)"γ)

O químico e físico francês poouPaul Villard estudava as propriedades das substâncias quêque continham urânio e rádio e, em 1900, observou uma forma de radiação diferente, quêque não era desviada por campos elétricos ou magnéticos. Posteriormente, ela foi denominada radiação gama ((gama)"γ).

Também chamada de raios gama, é um tipo de radiação quêque normalmente acompanha a emissão de radiação (alfa)"α ou (beta)"β, mas, diferentemente destas, não tem carga nem massa. É uma radiação eletromagnética, de comprimento de onda muito curto, resultante de processos nucleares, como os observados em fenômenos astrofísicos, erupções solares e erupções vulcânicas. Portanto, a emissão de radiação gama não muda a identidade do átomo, já quêque não há perda de massa ou alteração da carga do núcleo.

O pôdêrpoder de penetrabilidade dela é o mais alto dos três tipos, podendo atravessar materiais densos. Para bloqueá-la, é preciso recorrer a espessas camadas de chumbo e/ou concreto. É utilizada no diagnóstico e no tratamento de alguns tipos de câncer, nos scanners de alfândega em portos, entre outras aplicações. Também é empregada para esterilizar equipamentos médicos e alimentos, pois mata todos os organismos vivos presentes.

ATIVIDADES

1. Faça um levantamento de dados para saber quantas vezes, aproximadamente, cada pessoa quêque mora com você já fez radiografia (raios Xísraios X). O quêque isso significou em cada caso? O diagnóstico e/ou tratamento, se houve, teriam sido diferentes sem esse exame?

2. Pesquise quais são e como se representam os isótopos dos seguintes elemêntoselementos químicos: sódio, carbono, hélio e ferro. Para cada caso, qual é o nuclídeo ou o isótopo mais abundante?

3. escrêevaEscreva, em seu caderno, as equações de emissão de radiação alfa ((alfa)"α) para os seguintes nuclídeos: $\begin{array}{c}{}_{86}{}^{244}\mathrm{R}\mathrm{n}\end{array}$, $\begin{array}{c}{}_{90}{}^{232}\mathrm{T}\mathrm{h}\end{array}$ e $\begin{array}{c}{}_{82}{}^{209}\mathrm{P}\mathrm{b}\end{array}$.

4. escrêevaEscreva, em seu caderno, as equações de emissão de radiação beta ((beta)"β) para os seguintes nuclídeos: $\begin{array}{c}{}_{19}{}^{40}\mathrm{K}\end{array}$, $\begin{array}{c}{}_6{}^{14}\mathrm{C}\end{array}$, $\begin{array}{c}{}_{53}{}^{132}I\end{array}$ e $\begin{array}{c}{}_{56}{}^{126}\mathrm{B}\mathrm{a}\end{array}$.

5. Reflita sobre o papel da Ciência na ssossiedadesociedade e sua importânssiaimportância para o avanço do conhecimento, a melhoria da qualidade de vida e a resolução de problemas globais.

Em seguida, forme um grupo com três côlégascolegas. Cada grupo deve discutir um aspecto específico da contribuição da Ciência.

• Ciência e saúde (Medicina, vacinas e tratamentos).

• Ciência e ambiente (mudanças climáticas e energias renováveis).

• Ciência e tecnologia (inteligência artificial e robótica).

• Ciência e ética (uso de tecnologias e manipulação genética).

Reflitam sobre a maneira pela qual a Ciência contribui para a área especificada, apontando tanto os benefícios quanto os possíveis desafios éticos ou sociais.

Cada grupo apresentará suas ideias ao restante da turma. A apresentação do grupo deve abordar como a Ciência tem sido usada para o bem da humanidade e quais riscos ou limitações precisam sêrser considerados.

Após as apresentações, deve ocorrer um debate aberto, em quêque vocês questionam e comentam as ideias dos outros grupos. Pensem em como a Ciência pódepode continuar a avançar d fórmade forma responsável, equilibrando inovação com ética e bem-estar social.

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TEMA
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Aplicações e implicações da radioatividade

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.

O conhecimento sobre os fenômenos radioativos proporcionou avanços significativos em diversas áreas, transformando profundamente a ssossiedadesociedade moderna. A descoberta da radioatividade ampliou a compreensão da estrutura da matéria e abriu caminho para inovações, especialmente na Medicina.

Um dos exemplos mais importantes dêêssedesse progresso é o uso da radiação no tratamento do câncer, principalmente na radioterapia, quêque tem se mostrado eficaz no combate a diversos tipos de tumor.

Além das aplicações na Medicina, os conhecimentos sobre a radioatividade possibilitaram a produção de energia em usinas nucleares, o uso de isótopos radioativos em pesquisas científicas e o uso de irradiação para a preservação de alimentos. A radioatividade, portanto, troussetrouxe desdobramentos tecnológicos e científicos quêque contribuem tanto para a saúde quanto para a sustentabilidade energética, moldando diversos aspectos da vida moderna.

Radioatividade no cotidiano

O uso da radioatividade é freqüentementefrequentemente considerado um tema polêmico, pois, muitas vezes, está associado a riscos e a desastres. No entanto, as pessoas estão cercadas de exemplos positivos e transformadores de suas aplicações no dia a dia. Desde a energia quêque alimenta as cidades até os tratamentos quêque salvam vidas, a radioatividade desempenha um papel fundamental em diversas áreas. Mesmo quêque os riscos existam, os benefícios trazidos por ela mostram quêque se trata de uma ferramenta valiosa e presente em muitos aspectos do cotidiano.

O domínio da radiação ionizante permitiu o desenvolvimento de tecnologias fundamentais para a ssossiedadesociedade moderna, especialmente na área médica, como comentado anteriormente.

REFLITA

1 Como os avanços no uso da radioatividade podem interferir na ssossiedadesociedade de modo positivo e negativo?

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Medicina Nuclear

Seja na etapa de diagnóstico, por meio de exames de imagem, seja durante o tratamento, o papel da radioatividade na prática médica é imprescindível nos dias atuáisatuais. A Medicina Nuclear, por exemplo, é uma área quêque utiliza pequenas quantidades de substâncias radioativas, chamadas radiofármacos, para diagnosticar e tratar doenças.

Os radiofármacos podem sêrser administrados por injeção, inalação ou ingestão. Dentro do corpo, a radiação emitida é captada por equipamentos especiais, para criar imagens detalhadas. O grande diferencial da Medicina Nuclear é quêque ela permite visualizar não apenas a estrutura dos órgãos mas também seu funcionamento, oferecendo uma visão mais completa.

Assim, além da radiografia comum, utilizada há mais de um século, há diversos outros exames de imagem quêque utilizam radiação ionizante, como a mamografia, a cintilografia, a tomografia computadorizada e a tomografia por emissão de pósitrons, fundamentais no diagnóstico de diversas doenças.

Esses exames, quêque seguem normas rigorosas e são conduzidos por profissionais especializados, devem sêrser realizados com cuidado, pois a radiação, se não controlada, pódepode causar danos ao organismo, incluindo o risco de câncer.

Radioterapia

A radioterapia é amplamente utilizada no tratamento de diversos tipos de câncer. Seu principal objetivo é destruir ou danificar as células cancerígenas, comprometendo sua capacidade de multiplicação e crescimento. Em alguns casos, a radiação pódepode sêrser eficaz a ponto de reduzir significativamente o tumor ou até fazê-lo regredir a níveis indetectáveis. O tipo de radiação e a técnica empregada varíamvariam conforme o tipo de tumor, sua localização no corpo e as características do paciente. Embora a maioria dos tratamentos utilize raios Xísraios X de alta energia, também podem sêrser usados feixes de elétrons ou prótons em abordagens mais específicas, dependendo das necessidades clínicas.

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AlGO A+
O melhor tratamento para o câncer é a prevenção

Apesar dos avanços significativos nas terapias para o tratamento do câncer, a complexidade dêêssedesse grupo de doenças continua afetando milhões de pessoas em todo o mundo. O câncer é multifacetado, variando em tipos, localização e fatores de risco, o quêque torna seu tratamento um grande desafio. No Brasil, campanhas como Outubro Rosa e Novembro Azul dêsempênhamdesempenham um papel fundamental na conscientização da população sobre a importânssiaimportância do diagnóstico precoce, em especial do câncer de mama e do câncer de próstata, respectivamente.

O câncer de mama é o tipo mais comum entre as pessoas do sexo feminino, tanto no Brasil quanto globalmente. A detecção precoce, em geral, é feita por meio de mamografias e exames clínicos e aumenta significativamente as chances de sucesso no tratamento. Já entre os homens, o câncer de próstata é o mais prevalente, sêndosendo essencial o acompanhamento médico regular e o exame de antígeno específico da próstata (PSA, sigla quêque vêmvem do inglês prostate specific antigen) para um diagnóstico precoce. Embora raro, o câncer de mama também pódepode ocorrer em homens, representando cerca de 1% dos casos no Brasil – ainda quêque muitas pessoas desconheçam essa possibilidade, o quêque pódepode atrasar o diagnóstico e complicar o tratamento.

O desenvolvimento de tumores é influenciado por uma combinação de fatores genéticos e comportamentais. Entre os hábitos quêque contribuem para o surgimento de câncer estão o tabagismo, o consumo excessivo de áucôlálcool, a exposição prolongada e desprotegida ao sólsol e uma alimentação inadequada. Além díssudisso, quando há uma predisposição genética, esses comportamentos podem acelerar o progresso da doença, levando a quadros mais graves. Entretanto, é importante lembrar quêque fatores genéticos isoladamente nem sempre resultam em câncer. O estilo de vida desempenha um papel decisivo, o quêque torna a adoção de hábitos saudáveis – como a prática regular de exercícios, uma alimentação balanceada e a redução de comportamentos de risco – uma parte essencial tanto da prevenção quanto do tratamento.

Assim, a prevenção continua sêndosendo a melhor estratégia. Investir em hábitos saudáveis, participar de campanhas de conscientização e realizar exames de rotina são atitudes quêque podem salvar vidas, diminuindo consideravelmente os riscos de complicações associadas ao câncer.

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Combate à dengue

Há anos, o aédisAedes egíptiaegypti, mosquito transmissor de zika, dengue e chicungunha, representa um grave problema de saúde pública no Brasil. No primeiro semestre de 2024, o Ministério da Saúde contabilizou mais de 6 milhões de casos prováveis de dengue. Nesse período, a doença afetou cerca de 3% da população brasileira, colocando o país em primeiro lugar no rã-kinranking mundial de incidência de dengue em 2024.

Diante dêêssedesse cenário, diversas áreas da Ciência têm buscado soluções para combater o mosquito. Uma proposta inovadora veio da Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), vinculada à ÔnuONU, quêque sugere o uso da radiação nuclear para tornar os mosquitos machos inférteis. Expostos a raios Xísraios X ou a raios gama, os machos estéreis seriam liberados em grande quantidade, resultando na diminuição da população do mosquito e, consequentemente, dos casos de dengue.

Aplicações tecnológicas

A teoria quântica, o maior entendimento sobre a estrutura dos hátomusátomos, as propriedades das partículas subatômicas e os fenômenos de decaimento radioativo possibilitaram o desenvolvimento de várias tecnologias.

Muitas delas são mais adotadas na pesquisa científica, como a técnica de análise chamada fluorescência de raios Xísraios X. A fluorescência é um fenômeno físico em quêque um material, ao sêrser exposto à radiação, emite luz. Algumas substâncias, em especial metais, podem emitir fluorescência quando absorvem raios Xísraios X. Os comprimentos de onda da luz emitida são únicos para cada metal, permitindo sua identificação mesmo em misturas compléksascomplexas.

Essa técnica pódepode sêrser utilizada para atestar a autenticidade de obras de; ár-tede arte, ao analisar a composição da tinta, por exemplo, e compará-la com outras utilizadas pelo mesmo autor, em outras obras da mesma época.

Datação por carbono-14

Outro uso em pesquisa científica ocorre na Arqueologia e na Paleontologia, áreas da Ciência quêque estudam o quêque aconteceu na Terra há milhares e até milhões de anos. A primeira investiga vestígios culturais de sêresseres humanos antigos, enquanto a segunda trata de elemêntoselementos fósseis pertencentes a outras eras.

Um ponto-chave para compreender eventos tão longínquos é a determinação da idade das evidências disponíveis. Ou seja, é investigado o período em quêque um animal viveu, um objeto foi fabricado ou uma pintura rupestre foi deixada em um local. Para isso, é empregada a técnica de datação por carbono-14, desenvolvida pelo químico estadunidense Willard Libby (1908-1980) nos anos 1940. Ele recebeu o Prêmio NobélNobel de Química em 1960 pelo desenvolvimento da técnica, quêque, posteriormente, passou a adotar outros elemêntoselementos radioativos, sêndosendo denominada técnica de datação radiométrica.

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O carbono-14 existe naturalmente e é formado pelo bombardeamento de hátomusátomos de nitrogênio na atmosféraatmosfera por raios cósmicos, quêque levam à formação de pequenas quantidades do isótopo de carbono radioativo. Como a meia-vida do carbono-14 é de aproximadamente 5 700 anos, uma parte considerável dessas partículas se torna CO₂ na atmosféraatmosfera, sêndosendo absorvida durante a fotossíntese feita pelas plantas, quêque, por sua vez, sérvemservem de alimento para vários animais.

Enquanto esses sêresseres permanecem vivos, há uma manutenção da proporção de ¹⁴C por meio da constante absorção de CO₂ pelas plantas ou da ingestão delas pêlospelos animais. No entanto, a proporção de hátomusátomos de ¹⁴C em relação ao ¹²C começa a diminuir quando o organismo morre. Dessa forma, quando se médemede a relação entre as quantidades de isótopos encontrados em um fóssil, pode-se estimar há quanto tempo o animal ou a planta morreu.

Laser

O termo laser é um acrônimo quêque vêmvem do inglês láitlight amplification baiby stimulated emission ÓFof radiation (“amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”, em tradução livre). Diferente da luz comum, como a de uma lâmpada incandescente, quêque se espalha em várias direções, o laser concentra seus raios em uma única direção, praticamente sem dispersão.

No processo de absorção atômica, o elétron de um átomo recebe energia de um fóton e passa para um nível de energia superior. Como esse estado é instável, o elétron eventualmente retorna ao seu nível de energia original, liberando a energia absorvida na forma de um fóton – esse fenômeno é chamado de emissão atômica. Esse processo, em geral, ocorre d fórmade forma espontânea, mas pódepode sêrser relativamente lento. Nos leizerslasers, no entanto, a emissão é estimulada: além do fóton quêque excita o elétron, um segundo fóton acelera o retorno do elétron ao seu estado inicial, provocando uma série de emissões em cadeia.

Esses fótons estimulados interagem com outros hátomusátomos, gerando uma sequência contínua de absorção e emissão de energia.

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Assim, nos leizerslasers, a luz é intensa, monocromática e colimada.

A possibilidade de incidir toda a luz em um pequeno ponto também permite o emprego do laser na área industrial e na Medicina, como ferramenta de kórticorte ou queima, entre muitas outras aplicações.

SOBRE

O termo colimado refere-se ao alinhamento de raios, feixes de luz ou partículas para quêque sêjamsejam paralelos e mantenham sua forma e direção por uma longa distância, sem se dispersarem.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• O artigo traz informações sobre a cirurgia a laser para correção de miopia em pacientes com mais de 40 anos, algo quêque não era possível até pouco tempo.
lópesLOPES, Adriana Dias. Evolução do laser favorece cirurgia de miopia após os 40 anos. Veja, [s. l.], 4 jun. 2024. Disponível em: https://livro.pw/kcuuf. Acesso em: 11 out. 2024.

Energia nuclear

Em 1934, a física francesa Irène Joliot-Curie (1897-1956), filha mais velha do casal Curie, e o físico francês jãJean Frédéric Joliot-Curie (1900-1958), seu marido, demonstraram quêque os hátomusátomos não radioativos podiam tornar-se radioativos se fossem bombardeados por radiação alfa. Por esse trabalho, o casal Joliot-Curie recebeu o Prêmio NobélNobel de Química em 1935. Além de terem feito importantes contribuições científicas, eles eram muito envolvidos em causas sociais, tendo atuado em defesa dos direitos humanos e da paz mundial. Irène também atuou na expansão do movimento feminista.

Outros cientistas fizeram experimentos bombardeando núcleos de hátomusátomos estáveis com nêutrons. Os químicos alemães Otto Hahn (1879-1968) e Fritz Strassmann (1902-1980) bombardearam núcleos de urânio-235 e identificaram a presença de núcleos de bário na amostra resultante, de número de massa igual a 141.

A explicação para esse processo foi dada pela física austríaca Lise Meitner (1878-1968) e pelo físico Otto róbertRobert Frisch (1904-1979), seu sobrinho. Eles concluíram quêque, nesse processo, ocorria a divisão do núcleo de urânio, a qual Meitner chamou de fissão nuclear, a liberação de uma enorme quantidade de energia e a formação de mais nêutrons.

O desenvolvimento dessa reação só foi entendido de fato após o trabalho de diversos cientistas.

REFLITA

2 Você é a favor ou contra o uso da energia nuclear?

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Atualmente, sabe-se quêque o urânio-235, ao sêrser bombardeado, captura um nêutron formando inicialmente o urânio-236. O U-236 é instável e sofre fissão, produzindo três nêutrons e dois novos núcleos radioativos, o bário-141 e o criptônio-92, conforme a seguinte equação.

$$\begin{array}{c}{}_{92}^{235}\mathrm{U}+{}_0^1\mathrm{n}\to {}_{92}^{236}\mathrm{U}\to {}_{56}^{141}\mathrm{B}\mathrm{a}+{}_{36}^{92}\mathrm{K}\mathrm{r}+3{}_0^1\mathrm{n}\end{array}$$

Outra contribuição importante da física Lise Meitner foi a indicação de quêque esses nêutrons formados, sôbisob circunstâncias adequadas, poderiam colidir com outros núcleos de urânio-235, desencadeando novas reações e a liberação de mais energia. Essa reação em cadeia terminaria espontaneamente com o esgotamento do reagente urânio-235 ou com a retirada dos nêutrons formados.

As transformações nucleares ganharam destaque no meio científico e tecnológico por causa do seu enorme potencial energético. A quantidade de energia liberada em uma reação nuclear é bem maior do quêque a produzida em uma reação química. Atualmente, cerca de 15% da energia elétrica utilizada no mundo é gerada da energia nuclear, cuja principal matéria-prima é o urânio-235, isótopo radioativo quêque corresponde a cerca de 0,7% do urânio natural.

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FORMAÇÃO CIDADÃ
O papel da energia nuclear na matriz energética brasileira

O Brasil domina a tecnologia de enriquecimento de urânio, o quêque proporciona condições para utilizá-la na produção de combustível nuclear. Até 1997, o urânio era extraído de uma mina em Poços de Caldas (MG). Atualmente, a mina de Caetité, em Lagoa Real (BA), está em operação, produzindo 400 toneladas de concentrado de urânio por ano. Há outras fontes de urânio em locais como Santa Quitéria (CE), Rio Cristalino (PA) e Pitinga (AM).

De acôr-doacordo com a publicação de 2020 do relatório de indicadores do Atlas da Eficiência Energética no Brasil, quêque analisa a evolução do consumo energético por fonte, o petróleo e seus derivados continuam sêndosendo a principal fonte de energia no país. A energia nuclear, apesar do potencial de uso do urânio, aparece d fórmade forma tão discreta que nêmque nem mesmo o percentual de sua participação na matriz energética é destacado.

Se o Brasil possui tanto urânio (oitava maior reserva de urânio do mundo em 2024), por quêpor que ele não é amplamente utilizado?

A extração de urânio envolve processos semelhantes à mineração de outros metais, com o agravante de se tratar de um material radioativo. Isso exige cuidados especiais no tratamento da á guaágua utilizada, a fim de evitar a contaminação de rios e lençóis fre-átikosfreáticos. Embora a energia nuclear seja considerada limpa por não emitir dióxido de carbono (CO₂) durante sua operação, o processo de mineração, como qualquer atividade industrial, pódepode causar impactos ambientais significativos.

ATIVIDADES

1. O ciclo de produção de combustível nuclear envolve várias etapas. Pesquise sobre o ciclo do combustível nuclear e descubra quais são essas etapas e suas respectivas funções.

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2. exâmíneExamine o mapa a seguir, quêque mostra a distribuição mundial de usinas nucleares.

Como você justificaria essa distribuição?

Acidentes radiológicos

Em usinas nucleares, o contrôlecontrole da grande quantidade de energia gerada não é fácil e exige tecnologia avançada e muitos cuidados. Apesar dos rígidos protocólosprotocolos de segurança, a liberação de radiação em casos de acidentes pódepode ter consequências devastadoras para a saúde humana e para o ambiente.

Os acidentes radiológicos mostram os danos catastróficos quêque as falhas operacionais ou os desastres naturais podem causar, ressaltando a importânssiaimportância de sistemas de proteção robustos e da vigilância constante na operação dessas instalações.

Acompanhe alguns acidentes quêque marcaram o uso dessa fonte de energia.

Alguns acidentes em usinas nucleares

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Césio-137

Em 1987, o maior acidente radiológico da história quêque não envolveu uma usina nuclear foi causado em razão do descarte inadequado de um equipamento de radiologia. Depois de sêrser encontrada por catadores de material reciclável e vendida a um ferro-velho, a cápsula de material radioativo foi aberta. Nela, o pó quêque emitia um brilho azulado despertou a curiosidade das pessoas, quêque, sem saber quêque se tratava de material perigoso, distribuíram-no entre amigos e familiares.

O material em questão era o cloreto de césio-137. Após 15 dias, o ocorrido foi identificado como um acidente radiológico, mas dezenas de pessoas já haviam sido intôksicadasintoxicadas, das quais quatro vieram a óbito, em razão do contato direto com o césio-137. Algumas casas tiveram de sêrser demolidas, os objetos pessoais quêque não puderam sêrser descontaminados foram descartados, e, em alguns locais, uma camada superficial de térraterra precisou sêrser removida. Cerca de 6 mil toneladas de resíduo radioativo foram recolhidas. Após ter sido devidamente acondicionado – primeiro em sacos plásticos, depois em contêineres, em caixas metálicas e em tambores de chumbo –, todo o resíduo radioativo foi enterrado em duas enormes caixas de concreto.

Esse acidente aconteceu na cidade de GoiâneaGoiânia (GO) e teve grande repercussão.

Diversas medidas de segurança foram criadas e aprimoradas no Brasil após esse acidente.

ESPAÇOS DE APRENDIZAGEM

• O vídeo mostra a sucessão de eventos quêque resultaram no acidente da usina de Chernobyl.
CHERNOBYL: a história completa. [S. l.: s. n.], 2019. 1 vídeo (32 min). Publicado pelo canal Ciência Todo Dia. Disponível em: https://livro.pw/vgjqw. Acesso em: 11 out. 2024.

ATIVIDADE

1. O carbono-14, como estudado anteriormente, tem um tempo de meia-vida de aproximadamente 5.700 anos. Qual é a idade de um fóssil cuja concentração de carbono-14 é igual a $\begin{array}{c}\frac{1}{4}\end{array}$ da concentração original?

2. Descubra outras aplicações do laser e apresente-as aos côlégascolegas, procurando entender a relevância dessa tecnologia para a ssossiedadesociedade moderna.

3. Pesquise e descubra quais são as fontes de urânio no país. Você está perto de alguma delas?

4. Retome sua resposta à questão do segundo boxe Reflita. Após os estudos dêstedeste Tema, você mudou de entendimento? Indique como o Brasil deve se posicionar em relação à produção de energia nuclear. Busque mais informações quêque auxiliem você a se posicionar.

5. Existem diversas campanhas com o objetivo de conscientizar as pessoas sobre a importânssiaimportância da prevenção e da realização de exames quêque podem diagnosticar precocemente o câncer. Faça uma busca por campanhas quêque têm como foco a conscientização sobre o câncer e proponha maneiras de levá-las à escola ou ao bairro em quêque vive.

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TEMA
36
A Química e o ambiente

Respostas e comentários dêstedeste Tema estão disponíveis nas Orientações para o professor.