Coleção 10 V - Livro 10 - Química - Aluno by Editora Elabore

FRENTE

QUÍMICA Por falar nisso Pilhas são exemplos de transformações químicas que geram energia elétrica. Contudo, há transformações que só ocorrem com o consumo de energia elétrica. São exemplos desse último caso os processos de galvanoplastia (reações usadas para aplicar camadas de prata, ouro, cobre ou cromo em objetos). Há bem pouco tempo, na fabricação de automóveis, como o que se encontra na página de abertura deste módulo, vários acessórios, como os para-choques de aço, escapamento, tanque de combustível e outros itens eram revestidos de cromo. Esse revestimento era feito por eletrodeposição, não só para o embelezamento das peças, mas também para sua proteção contra a corrosão. Na determinação da massa de cromo para uma eletrodeposição, utilizam-se as Leis de Faraday. Michel Faraday foi um dos cientistas que contribuíram para o entendimento dos processos eletroquímicos. As peças cromadas em para-choques de aço praticamente desapareceram dos automóveis modernos. Foram substituídas por outras feitas de material plástico, que ao serem descartadas de maneira inadequada, produzem grandes impactos ambientais. No entanto, a cromagem de peças de aço continua a ser usada para produzir peças resistentes à corrosão para uso em móveis, eletrodomésticos etc. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

A17 A18 A19 A20

Eletrólise ígnea............................................................................216 Eletrólise aquosa.........................................................................222 Aspectos quantitativos da Eletroquímica..................................227 Espontaneidade das reações de oxirredução.............................232

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A17

ASSUNTOS ABORDADOS n Eletrólise ígnea n Importância da eletrólise n Mas o que é a eletrólise ígnea?

ELETRÓLISE ÍGNEA A invenção da pilha elétrica por Alessandro Volta permitiu que diversos experimentos de decomposição de substâncias fossem realizados. Volta havia acabado de concluir seus testes com a produção de energia elétrica com base no contato de substâncias condutoras (metais). Isso ocorreu no segundo semestre de 1799, mas o cientista só encaminhou um comunicado ao presidente da Sociedade Real de Londres, Sir Blanks, em 20 de março de 1800. Entretanto, ocorreu um fato interessante. Ao receber o comunicado dos dados experimentais de Volta, Sir Banks mostrou-os a alguns amigos. Entre eles, estava o médico Anthony Carlisle (1768-1840), que logo tratou de repassar as informações ao químico Willian Nicholson (1753-1815). Juntos, Carlisle e Nicholson conseguiram decompor a água em suas substâncias formadoras − hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) − e publicaram seus resultados primeiro. Posteriormente, Nicholson e Carlisle construíram pilhas utilizando discos de zinco e moedas de prata. Por meio de fios de prata ou de ouro, conectaram os terminais da pilha a recipientes contendo água acidulada e observaram que em um dos fios se desprendia gás hidrogênio e que, no outro, desprendia-se gás oxigênio. Nicholson publicou a experiência em julho de 1800, em seu próprio veículo de comunicação: Nicholson’s Journal. Os resultados dos experimentos de Volta sobre as pilhas elétricas foram transcritos somente em setembro de 1800. corrente elétrica 2 H2O(acidulada)  → 2 H2(g) + O2(g)

SAIBA MAIS A DESCOBERTA DO HIDROGÊNIO E DO OXIGÊNIO Henry Cavendish, químico inglês, foi também o primeiro a isolar o gás hidrogênio e a observar algumas de suas propriedades, como a reação de combustão. Como esse gás reagia violentamente com ar atmosférico em um processo de queima para formar água, Lavoisier, em 1783, nomeou-o de hidrogênio (formador de água, do grego húdor= água e génos= produzir). Já a descoberta do oxigênio é datada de 1774, por Joseph Priestley (1733-1804), como um dos gases componentes do ar atmosférico que mantinha a queima e a respiração. O nome oxigênio também foi atribuído a Lavoisier e significa formador de ácidos.

216

A eletricidade foi usada tanto para decompor como para produzir novas substâncias. A síntese da água antes mesmo da sua decomposição, feita por Henry Cavendish (17311810), é um exemplo desse uso. Henry utilizou as centelhas elétricas produzidas pelas pilhas para reagir o hidrogênio e o oxigênio, produzindo água. corrente elétrica 2 H2(g) + O2(g)  → 2 H2O()

Importância da eletrólise Os fenômenos de eletrólise eram observados em vários centros de pesquisas e por vários pesquisadores ao mesmo tempo. Em 1807, Humphry Davy conseguiu, por eletrólise, obter o sódio e o potássio da decomposição dos álcalis soda e potassa fundidos. Ainda sob a óptica da investigação por corrente elétrica, Davy conseguiu obter o magnésio, o cálcio, o estrôncio e o bário em 1808. Todos esses fatos levaram os cientistas da época a uma pergunta intrigante: como a corrente elétrica podia ser empregada para decompor substâncias? Alguns diziam que a resposta estava na relação transformação química/corrente elétrica, ou seja, a reação química produzia corrente elétrica e a corrente elétrica produzia uma transformação química. Portanto, tratava-se de um processo de conversão de formas energéticas. O trabalho inicial desses cientistas comprovou que a corrente elétrica teria papel importante no estudo da constituição da matéria: um novo ramo dentro da química estava por surgir, a eletrólise.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

No estudo das pilhas, vimos a transformação de energia química em energia elétrica. Já no estudo da eletrólise, vamos estudar a transformação de energia elétrica em energia química potencial. Chamamos de energia potencial a energia armazenada nas ligações das substâncias. Para cada arranjo diferente de átomos em uma substância, temos diferentes conteúdos de energia potencial. Durante a partida de funcionamento de um carro, por exemplo, temos uma reação de descarga da bateria. Nesse momento, ocorre a transformação de energia química potencial em energia elétrica, responsável pelo funcionamento do veículo. Contudo, uma vez que o carro foi ligado e seja mantido funcionando, há conversão de energia mecânica em energia elétrica. Parte dessa energia elétrica fica armazenada na bateria elétrica do automóvel e a outra parte é utilizada para manter dispositivos elétricos ligados como faróis, luzes do painel, rádio etc. Pb(s) + PbO2(s) + 4 H+(aq) + 2 SO24− (aq)

Descarga elétrica → ←  Recarga elétrica

#Conceito O termo eletrólise significa quebra de uma espécie química pela passagem de corrente elétrica, ou seja, trata-se de uma reação química de óxidorredução não espontânea que consome energia elétrica.

2 PbSO4(s) + 2 H2O()

A energia que é enviada à bateria tem a finalidade de inverter a reação de descarga e produzir recarga elétrica. Assim, trata-se de um processo não espontâneo que consome energia. A energia consumida é proveniente da queima do combustível. Podemos dizer que há conversão de energia química armazenada no combustível em energia elétrica que produz a recarga da bateria. Mas, durante a recarga, a energia elétrica é novamente armazenada na forma de energia química potencial nas substâncias Pb e PbO – a bateria está pronta para ser descarregada em outro processo de partida elétrica. A importância da eletrólise em nossas vidas é muito grande. Vários dispositivos obtidos por esse processo são utilizados por todos nós diariamente.

Figura 01 - Corrosão em uma grade de ferro exposta a ação do ar atmosférico.

A17  Eletrólise ígnea

Uma grade metálica, por exemplo, quando exposta ao ar atmosférico, sofre oxidação de maneira rápida, principalmente em ambientes úmidos e ricos em sais solúveis. Esse fenômeno é evidenciado nas cidades litorâneas em virtude da maresia. Os sprays formados na arrebentação das ondas, somados aos ventos, levam vapor de água e íons Na+, C-, Mg2+ que entram diretamente em contato com as estruturas metálicas de esquadrias de janelas, carros, pontes metálicas, prédios, entre outros. A presença dos íons é importante porque aumentam a condutividade elétrica do meio. Portanto, aumenta a corrosão e gera grandes prejuízos.

217

Química

Uma das formas de impedir ou diminuir a corrosão metálica pelo ar atmosférico é depositar finas camadas de metais menos reativos, como o cromo, o níquel e a prata, que são mais resistentes ao processo de corrosão. Como vimos, antigamente, era muito comum encontrarmos peças metálicas cromadas em automóveis, mas hoje, devido ao alto custo, o cromo foi substituído por estruturas poliméricas de plásticos. Já a prata e o níquel são usados, principalmente, no revestimento de joias, bijuterias, utensílios domésticos etc.

Figura 02 - O revestimento metálico em peças de automóveis e caminhões já foi muito empregado na indústria automobilística para impedir o processo de corrosão.

Os benefícios da eletrólise não param por aí. A eletrólise do NaC possibilitou a produção de substâncias empregadas no tratamento de água como o cloro, que não é encontrado livre na natureza, e por isso tem que ser obtido de outras espécies químicas. Na indústria siderúrgica, os processos eletroquímicos garantem grande número de transformações. O alumínio, por exemplo, é um dos metais que é obtido por processo de eletrólise do óxido de alumínio.

Mas o que é a eletrólise ígnea?

A17  Eletrólise ígnea

Eletrólise ígnea é o processo que depende de altas temperaturas para a maioria das substâncias. O NaC, por exemplo, é obtido da água do mar por processo físico de evaporação (destilação natural). Todavia, o NaC é sólido em condições ambientes e apresenta-se em uma estrutura cristalina iônica em que os íons não têm mobilidade. A eletrólise depende da condução de corrente e, portanto, é necessário que os íons cátions e ânions estejam livres do retículo para se movimentarem. É exatamente nesse ponto que entra o fator temperatura: a maneira de criar mobilidade dos íons a partir de um retículo cristalino como o NaC é por meio da fusão desse retículo. Mas, as forças que mantêm o retículo cristalino coeso são de origem eletrostática, portanto, muito fortes, exigindo valores de temperatura muito altos. No caso do NaC, a temperatura de fusão é de 801 oC. 218

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

As semirreações catódica e anódica ocorrem em virtude da passagem de corrente elétrica, o que caracteriza uma transformação não espontânea (consome energia elétrica). O polo positivo é o ânodo e o polo negativo, o cátodo. A energia elétrica é fornecida por um gerador elétrico, como por exemplo, uma bateria de automóvel. o

801 C NaC(s)  →NaC() Dissociação NaC()  → Na+ () + C − () +

Corrente elétrica Cátodo :Na () + e-  → Nao (s)

Ânodo :

Corrente elétrica → C − () 

1 2

C 2 (g) + e-

-----------------------------------------------------− o

801 C/corrente elétrica →Nao (s) Global: NaC(s) 

1 2

C 2 (g)

A nomenclatura dos polos em um dispositivo eletroquímico, tal como em uma pilha ou em um gerador, foi introduzida por Michael Faraday (1791-1867). Segundo Faraday, cátodo é o eletrodo em que ocorre a redução e o ânodo, o eletrodo em que ocorre a oxidação. No caso das eletrólises, o íon cátion se dirige para o cátodo, enquanto o íon ânion se dirige para o ânodo. O químico também estabeleceu o grau de afinidades químicas entre dois elementos, relacionando a facilidade que esses elementos tinham de se dirigir para os polos opostos de cargas opostas às suas cargas elétricas durante uma decomposição eletrolítica. Esses fatos reforçavam mais uma vez que as reações químicas resultavam de fenômenos elétricos. A seguir, temos a eletrólise ígnea do NaC representada em um desenho esquemático.

Íon Na+ migra para o polo nega vo, recebe e–...

e– Polo ( )

e–

Voltagem

Polo (+)

Íon C – migra para o polo posi vo, perde e–, transformando-se em átomo de C .

e–

...e é reduzido a átomos de Na.

e A17  Eletrólise ígnea

Átomos de cloro combinam-se para formar moléculas de C 2, que sobem na forma gasosa para a super cie do líquido.

219

Química

Vamos a mais um exemplo. O Magnésio (Mg) é o oitavo elemento em abundância na crosta terrestre, representando cerca de 2,5% dela,cuja densidade é baixa (2/3 da densidade do alumínio). Consideremos que uma peça de 70 kg em aço, pesaria 15 kg quando feita com Mg. Por essa razão, na forma de ligas, especialmente com cobre e alumínio, esse elemento químico tem grande uso na indústria aeroespacial. Essas ligas são usadas também na fabricação de pernas artificiais, aspiradores de pó, bombas incendiárias, sinalizadores luminosos etc. De uma forma geral, industrialmente, ele tem sido obtido por eletrólise do cloreto de magnésio (MgC2) fundido. As equações químicas do processo de eletrólise estão representadas a seguir: o

714 C MgC 2 (s)  → MgC 2 () Dissociação MgC 2 ()  → Mg2+ () + 2 C − () Corrente elétrica Cátodo : Mg2+ () + 2 e-  → Mgo (s) Corrente elétrica Ânodo : 2 C − ()  → C 2 (g) + 2 e-----------------------------------------------------

Global:

714 C/corrente elétrica MgC 2 (s)  → Mgo (s)

C 2 (g)

SAIBA MAIS A palavra “Magnésio” origina da expressão latina magnesia alba (magnésia branca), nome dado ao carbonato de magnésio MgCO3. O termo“magnésia”, no entanto, parece ter tido origem na Grécia antiga. Magnésia era um distrito de Tessália, na Grécia. Em 1618, houve uma seca na cidade de Epsom, no condado de Surrey, na Grã-Bretanha, sendo que naquele verão, Henry Wicker descobriu um local de sua fazenda em que havia um buraco cheio d’água e que apesar disso seu gado não bebia daquela “água”. Posteriormente, descobriu-se que aquela “água amarga” tinha várias propriedades medicinais, como a cura de ferimentos externos, além de ser útil em uso interno. Na época, a reputação da região cresceu de tal forma que, em pouco tempo, Epsom já era considerada o spa da moda. Das suas águas amargas, isolou-se o tão célebre sal de Epsom (MgSO4.10H2O). O interesse pelo produto era tamanho que vários falsos “sal de Epsom artificial” surgiram, entre os quais um que se tornou conhecido como salde Glauber (Na2SO4). Descrevendo a diferença entre um e outro, Caspar Neumann (1683-1737) disse que “a terra do sal purgativo mais amargo era chamada de Magnesia alba”. Anos depois, o magnésio foi preparado pela primeira vez por Humphry Davy, em 1808, fazendo a eletrólise de um sal de magnésio. Inicialmente, Davy sugeriu chamá-lo de magnium, já que, em inglês, a palavra “magnésio” confunde-se facilmente com “manganês” (magnesium e manganese, respectivamente). Fonte adaptada: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc12/v12a11.pdf

A17  Eletrólise ígnea

Exercícios de Fixação 01. (Uerj RJ) Em fins do século XVI, foi feita uma das primeiras aplicações práticas de uma pilha: a decomposição da água em oxigênio e hidrogênio, processo denominado eletrólise. Já naquela época, com base nesse experimento, sugeriu-se que as forças responsáveis pelas ligações químicas apresentam a seguinte natureza: a) nuclear b) elétrica c) magnética d) gravitacional 02. (Unemat MT) Diferentes marcas de telefones celulares buscam ganhar novos clientes, anunciando que a bateria de seus aparelhos é mais eficiente que a dos concorrentes, por manterem o telefone celular ligado por mais tempo. Quan-

220

do descarregada, a bateria do celular é conectada a uma rede elétrica para que sua carga seja restabelecida. Esse processo é um exemplo de a) Galvanoplastia. b) Célula galvânica. c) Célula eletrolítica. d) Niquelação. e) Célula energética. 03. (Unimontes MG) O magnésio metálico é obtido comercialmente através de um processo eletrolítico, utilizando apenas cloreto de magnésio fundido (MgC2). Uma corrente externa é fornecida para que se estabeleça a oxidação em um eletrodo e a redução no outro, como mostra o esquema geral a seguir:

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

04. (Unifor CE) Emprega-se a montagem ilustrada abaixo,

constando de uma cuba contendo uma solução de sulfato de sódio, uma barra de cobre, uma barra de aço e uma fonte de corrente contínua, objetivando revestir com cobre a barra de aço para confeccionar uma barra de aterramento.

aço Na2So4(aq)

Erros na operação impediram a deposição de cobre na peça de aço. Para sanar o problema, foram sugeridas algumas modificações: Sobre esse processo, pode-se afirmar que a) o processo é espontâneo, pois gera magnésio metálico a partir de MgC2. b) a redução dos íons cloreto (C–) ocorre no ânodo (polo positivo). c) a reação anódica é representada por Mg2+ + 2e– → Mg (l). d) os produtos dessa eletrólise são magnésio metálico e gás cloro (C2).

Inverter a polaridade da fonte de corrente contínua.

II.

Substituir a solução de sulfato de sódio por outra de sulfato de cobre.

III.

Substituir a barra de cobre por um bastão de grafite.

Para o sucesso da operação é suficiente realizar

a) a operação I. b) a operação II. c) a operação III. d) as operações I e II. e) as operações II e III.

Exercícios Complementares

02. (ESJC SP) Desejando obter oxigênio por eletrólise, pode-se usar como eletrólito: a) hidróxido de sódio fundido; b) cloreto de sódio em solução aquosa; c) cloreto de sódio fundido; d) cloreto de estanho em solução aquosa. 03. (PUC RJ) A eletrólise é um fenômeno que pode ser definido como sendo reação de a) oxirredução b) dupla troca

c) precipitação eletrolítica d) volatilização catódica e acudia e) deslocamento. 04. (Unimontes MG) O alumínio metálico é produzido através da eletrólise ígnea, usando o óxido de alumínio (A2O3), também conhecido por alumina, e a criolita que atua como fundente. Relacionando o processo de fabricação do alumínio com as propriedades químicas e físicas da alumina, é INCORRETO afirmar que a) os íons A3+ e O2− da rede cristalina são liberados na eletrólise ígnea. b) o ponto de fusão do óxido de alumínio é característico de sólido iônico. c) as partículas presentes na alumina estão unidas por forças eletrostáticas. d) o óxido de alumínio apresenta condutividade iônica no estado sólido.

221

A17  Eletrólise ígnea

01. (UFMS) A eletrólise ígnea do cloreto de sódio resulta em sódio metálico e gás cloro. Nesse processo, cada íon a) cloreto recebe um elétron. b) sódio recebe dois elétrons. c) sódio recebe um elétron. d) sódio perde um elétron. e) cloreto perde dois elétrons.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A18

ASSUNTOS ABORDADOS n Eletrólise aquosa n Como ocorre a eletrólise aquosa?

ELETRÓLISE AQUOSA Um produto químico facilmente encontrado nas lojas especializadas em limpeza é a soda cáustica, nome popular do hidróxido de sódio (NaOH). A soda cáustica é utilizada geralmente para desobstruir tubulações e realizar uma limpeza mais profunda nas superfícies engorduradas. Acidentes envolvendo a soda não são raros e causam lesões de grande extensão nos tecidos devido à desidratação acentuada das células, saponificação local da gordura e inativação das proteínas enzimáticas. Todas essas consequências são causadas pelas reações consecutivas entre esse álcali e a pele. É importante lembrar que o hidróxido de sódio pode ser obtido em laboratório por meio da eletrólise aquosa do cloreto de sódio.

Como ocorre a eletrólise aquosa? No processo da eletrólise aquosa, temos íons provenientes da dissociação do eletrólito e íons provenientes da dissociação das moléculas de água (também chamada de autoionização). Michael Faraday já havia estabelecido o grau de afinidade de descarga elétrica entre os principais elementos químicos da época, de maneira que se podia fazer previsão sobre qual íon reagiria primeiro. O estudo de Faraday deu origem ao que se denomina, atualmente, fila de reatividade dos íons em decomposições eletroquímicas. Fila de reatividade de redução dos cátions Em uma eletrólise aquosa, sempre teremos dois tipos de cátions. Um proveniente da água e o outro proveniente da espécie química (sal, óxido, ácido ou base) adicionada à água. A seguir, temos a fila de reatividade de descarga em meio aquoso para cátions. Metais alcalinos

Metais alcalinoterroso

A 3+

H+

Demais metais

Aumenta a tendência de sofrer redução em relação ao H+ Analisando essa fila de descarga, podemos fazer previsão acerca do cátion que sofre redução em uma eletrólise aquosa. Lembre-se de que qualquer cátion deve ser comparado à facilidade de redução do cátion H+. Por exemplo, quando temos um cátion de metal alcalino, alcalinoterroso ou alumínio o íon H+ será reduzido; mas quando o cátion em questão é de um elemento diferente dos metais alcalino, alcalinoterroso ou alumínio, ou seja, demais metais, ele será reduzido em detrimento ao íon H+. Fila de reatividade de oxidação de ânions Para os ânions, devemos lembrar que a fila que mede a tendência de descarga (tendência de sofrer oxidação) é estabelecida comparando-se com a tendência de oxidação do íon hidróxido(OH-). Por ser eletrólise aquosa, sempre há presença do ânion OH- proveniente da autoionização da água. Fluoreto (F⁻)

Ânions oxigenados (NO⁻3 , CO23⁻, SO42⁻, PO43⁻ etc)

OH+

Ânions orgânicos

Aumenta a tendência de sofrer oxidação em relação ao OH⁻

222

Ânions não oxigenados

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Eletrólise aquosa do NaC(s). O NaC é um sólido iônico que, em presença de água, sofre dissociação liberando os íons positivos e negativos para movimentação. A dissociação da água também gera dois íons diferentes no meio. A questão é saber qual dos dois íons positivos (cátions) e qual dos dois íons negativos (ânions) reagem primeiro. Para isso, devemos consultar as filas de reatividade propostas acima: n

O cátion sódio é um metal alcalino.Portanto, tem menor tendência de sofrer redução quando comparado ao cátion H +. Assim, o íon H+ será reduzido no cátodo, formando gás hidrogênio.

Para os ânions (C − e OH−), temos que a tendência da oxidação de um ânion não oxigenado (C −) é maior que a tendência de oxidação do OH−. Assim, o íon cloreto será oxidado a C 2(g). A seguir, descrevemos o processo de eletrólise em etapas.

Dissociação : Autoionização :

NaC(aq)  → Na+ (aq) + C − (aq)  → + − H2 O() ←  H (aq) + OH (aq)

Corrente elétrica Redução catódica (−): H+ (aq) + e-  → 12 H2 (g)

Oxidação anódica (⊕):

Corrente elétrica C − (aq)  → 12 C 2 (g) + e-

------------------------------------------------------------------Corrente elétrica Reação global:NaC(aq) + H2O()  →NaOH(aq) +

1 2

H2 (g) +

1 2

C 2 (g)

Eletrólise aquosa de NaC

Bateria forte

cátodo

ânodo

2H2O 2e H2 g 2OH

2C C 2 g 2e

Redução

Oxidação

A18  Eletrólise aquosa

223

Química

Eletrólise aquosa do ZnC2. Na eletrólise do cloreto de zinco em meio aquoso, temos os íons cátions (Zn2+ e H+) e os íons ânions (C- e OH-). Utilizando as filas que medem a tendência de redução do cátion e oxidação do ânion, temos: n

O cátion Zn2+ é um metal que, na fila,enquadra-se nos demais metais.Portanto, tem maior tendência de sofrer redução quando comparado ao cátion H+. Assim, o íon Zn2+ será reduzido no cátodo, formando zinco no estado sólido. O íon H+ permanecerá em solução aquosa, tornando o meio ácido. Para os ânions (C- e OH-), temos que a tendência de oxidação de um ânion não oxigenado (C-) é maior que a tendência de oxidação do OH-. Assim, o íon cloreto será oxidado a C2(g). A seguir, descrevemos o processo de eletrólise em etapas. Dissociação : Autoionização :

ZnC 2 (aq)  → Zn2+ (aq) + 2 C − (aq)  → + − H2O() ←  H (aq) + OH (aq)

Corrente elétrica Redução catódica (−): Zn2+ (aq) + 2 e-  → Zn(s) Corrente elétrica Oxidação anódica (⊕): 2 C − (aq)  → C 2 (g) + 2 e--------------------------------------------------------------------------Corrente elétrica + − Reação global: ZnC 2 (aq) + H2O()  → Zn(s) + C 2 (g) + H OH  +  H2 O

Verifique que, no caso da eletrólise do cloreto de zinco (ZnC2), a água foi utilizada apenas para se produzir a dissociação do sal. Nesses casos, tanto a eletrólise ígnea quanto a eletrólise aquosa produzirão os mesmos produtos. Eletrólise aquosa do Fe(NO3)2 Na eletrólise do Fe(NO3)2(nitrato ferroso) em meio aquoso, temos os íons cátions (Fe2+ e H+) e os íons ânions ( NO3− e OH-). Utilizando as filas que medem a tendência de redução do cátion e oxidação do ânion, temos: n

O cátion Fe2+ é um metal que, na fila, enquadra-se nos demais metais. Portanto, tem maior tendência de sofrer redução quando comparado ao cátion H+. Assim, o íon Fe2+ será reduzido no cátodo, formando ferro no estado sólido. O íon H+ permanecerá em solução aquosa, tornando o meio ácido. Comparando a tendência de oxidação dos ânions ( NO3− e OH-), temos que a tendência de oxidação de um ânion oxigenado ( NO3− ) é menor que a tendência de oxidação do OH-. Assim, o hidróxido (OH-) será oxidado. A oxidação do íon hidróxido produz água e oxigênio gasoso. A seguir, descrevemos o processo de eletrólise em etapas. Dissociação :

Autoionização :

Fe(NO3 )2 (aq)  →Fe2+ (aq) + 2 NO3− (aq)  → + 2 OH− (aq) 2 H2 O() ←  2 H (aq) +

Corrente elétrica Redução catódica (−): Fe2+ (aq) + 2 e-  →Fes)

Oxidação anódica (⊕):

Corrente elétrica →H2O(g) + 2 OH− (aq) 

1 2

O2 (g) + 2 e-

---------------------------------------------------------------------------------Corrente elétrica Reação global:Fe(NO3 )2 (aq) + H2O()  →Fe(s) +

1 2

O2 (g) + 2H+ + 2NO3− 

A18  Eletrólise aquosa

2 HNO3

Verifique que, no caso da eletrólise do Fe(NO3)2,o cátion do sal (Fe2+) e o hidróxido (OH-) da água foram eletrolisados.

224

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

a) CaC2(aq) b) ZnSO4(aq) c) NaF(aq) d) H2SO4(aq) e)A(OH)3(aq)

a) CaC2(aq) + H2O()

b) ZnSO4(aq) + H2O()

c) NaF(aq) + H2O() d) H2SO4(aq) + H2O() e) A(OH)3(aq) + H2O()

H2(g) + C2(g) + Ca(OH)2(aq) Zn(s) + H2SO4(aq) + 1/2 O2(g)

H2(g) + 1/2 O2(g) + NaF(aq) i

H2(g) + 1/2 O2(g) + H2SO4(aq) i

H2(g) + 1/2 O2(g) + A(OH)3(aq)

02. (UFSC) A eletrólise de uma solução aquosa de sulfato de sódio fornece a) hidrogênio, sódio e dióxido de enxofre. b) hidrogênio e oxigênio. c) oxigênio e sódio fundido. d) hidrogênio, oxigênio e hidróxido de sódio. 03. (FEI SP) Na eletrólise de uma solução aquosa de hidróxido de sódio, libertam-se a) oxigênio e sódio. b) óxido de sódio e hidrogênio. c) hidrogênio e oxigênio. d) hidrogênio e sódio. e) apenas hidrogênio. 04. (Escs DF) O esquema abaixo consiste em uma placa de ouro mergulhada em uma solução do íon desse metal. Nessa mesma solução, encontra-se também mergulhado um anel de alumínio que se deseja banhar com ouro (processo de eletrodeposição), sendo o sistema ligado a um gerador.

ANEL SOLUÇÃO DE NITRATO DE OURO III

PLACA DE OURO

A partir desse esquema, são feitas as seguintes afirmações: I. a placa de ouro deve ser conectada ao polo positivo do gerador; II. o anel de alumínio atua como o catodo do sistema; III. durante o processo a placa de ouro sofre oxidação; IV. a cada 1,8 . 1021 elétrons que circulam na célula eletrolítica, a massa do anel é aumentada em aproximadamente 0,197 g.

São corretas as afirmações a) I e II, apenas b) I e III, apenas c) II e III, apenas d) II, III e IV, apenas e) I, II, III e IV 05. (UFU MG) As medalhas olímpicas não são de ouro, prata ou bronze maciços, mas sim peças de metal submetidas a processos de galvanoplastia que lhes conferem as aparências características, graças ao revestimento com metais nobres. Sobre o processo de galvanoplastia, assinale a alternativa correta. a) O processo é espontâneo e gera energia elétrica no revestimento das peças metálicas. b) Consiste em revestir a superfície de uma peça metálica com uma fina camada de outro metal, por meio de eletrólise aquosa de seu sal. c) É um fenômeno físico, pois, no revestimento da peça metálica, ocorrem fenômenos que alteram a estrutura do material. d) A peça submetida ao revestimento metálico atuará como ânodo e será o eletrodo de sinal positivo. 06. (UFU MG) A água do mar é um importante recurso natural para obtenção de certos produtos químicos. a) Como é possível obter hidróxido de sódio a partir desse recurso? b) Por que a obtenção do sal comum é favorecida em regiões ensolaradas com bastantes ventos, e usando-se tanques rasos? (A explicação deve ser em termos físico-químicos.) 07. (Unicamp SP) O uso mais popular do cloreto de sódio é na cozinha, onde é utilizado para acrescentar sabor a uma infinidade de alimentos e também como conservante e material de limpeza. É na indústria química, no entanto, que ele é mais consumido. São inúmeros os processos que fazem uso de produtos do processamento desse sal. O uso industrial do cloreto de sódio se dá principalmente no processo de obtenção de alguns importantes produtos de sua eletrólise em meio aquoso. Simplificadamente, esse processo é feito pela passagem de uma corrente elétrica em uma solução aquosa desse sal. Pode-se afirmar que, a partir desse processo, seriam obtidos a) gás hidrogênio, gás oxigênio e ácido clorídrico. b) gás hidrogênio, gás cloro e ácido clorídrico. c) gás hidrogênio, gás cloro e hidróxido de sódio em solução. d) gás hidrogênio, gás oxigênio e hidróxido de sódio em solução. Questão 06 a) Da água do mar, retira-se o NaC que por eletrólise produz o NaOH. b) Porque provoca a evaporação da água.

225

A18  Eletrólise aquosa

01. Quais os produtos da eletrólise aquosa das espécies químicas a seguir? Questão 01

Química

Exercícios Complementares 01. (UFRGS RS) A reação que se processar no ânodo, na eletrólise de uma solução de cloreto de sódio é: a) Na+ + e- → Na b) 2 H2O + 2 e- → H2+ 2 OHc) 2H+ + 2 e- → H2 d) 2C- → C2+ 2 ee) 2C-+ 2 H O → H + C + 2 OH2

02. (Fuvest SP) Da água do mar, podem ser obtidas grandes quantidades de um sal que é a origem das seguintes transformações: X eletrólise da solução aquosa sal concentrada

HC gasoso Y

ácido clorídrico

Eletrólise ígnea

Eletrólise aquosa

Descarga no ânodo

Íon F-

Íon OH-

Substância produzida no ânodo

Gás flúor

Vapor de água

Descarga no cátodo

Íon Na+

Íon H+

Substância produzida no cátodo

Sódio metálico

Gás hidrogênio

W + glicerina em água

Neste esquema, X, Y, Z e W representam:

A18  Eletrólise aquosa

05. (Mackenzie SP) O fluoreto de sódio é um sal inorgânico derivado do fluoreto de hidrogênio, usado na prevenção de cáries, na fabricação de defensivos agrícolas e pastas de dentes. Nessa última aplicação, esse sal inibe a desmineralização dos dentes, prevenindo, por isso, as cáries. Em condições e cuidados adequados para tal, foram realizadas as eletrólises ígnea e aquosa dessa substância, resultando em uma série de informações, as quais constam da tabela a seguir:

solução alcalina oxidante (água sanitária)

NaOH em água + gordura

oxigênio

cloro

hidrogênio

sabão

sódio

oxigênio

dióxido de carbono

triglicerídeo

hidrogênio

cloro

água

sabão

cloro

hidrogênio

água

carboidrato

hidrogênio

cloro

dióxido de carbono

triglicerídeo

03. (UFU MG) Uma solução aquosa de cloreto de potássio foi eletrolisada, sob condições de corrente controlada, para que somente as reações de formação dos gases cloro e hidrogênio ocorressem no ânodo e cátodo, respectivamente. Considerando-se que os compartimentos catódico e anódico foram separados por uma membrana porosa, podemos afirmar que no compartimento catódico, foi obtido também, a) gás oxigênio b) potássio metálico c) ácido clorídrico d) hidróxido de potássio 04. (PUC MG) Com relação à eletrólise do cloreto de potássio em meio aquoso, feita com eletrodos inertes, é INCORRETO afirmar.

226

a) No cátodo, ocorre desprendimento de H2(g). b) É um processo de obtenção de hidróxido de potássio. c) Durante a eletrólise, o pH da solução diminui. d) No ânodo, ocorre desprendimento de Cl2(g). e) À medida que se processa a eletrólise, a bateria vai-se descarregando.

De acordo com seus conhecimentos eletroquímicos, pode-se afirmar que, na tabela preenchida com informações dos processos eletrolíticos, a) não há informações incorretas. b) todas as informações estão incorretas. c) há apenas uma informação incorreta. d) há duas informações incorretas. e) há três informações incorretas. 06. (UFU MG) A eletrólise é um processo químico não espontâneo que consiste na passagem de uma corrente elétrica proveniente de um gerador. Dentre suas principais aplicações, destacam-se a produção de metais (a partir de soluções aquosas) e a deposição de finas camadas de metais sobre peças metálicas – processo também conhecido como galvanoplastia. Com relação aos processos eletroquímicos, marque, para as afirmativas abaixo, (V) Verdadeira, (F) Falsa ou (SO) Sem Opção. 01. A eletrólise aquosa de cloreto de sódio forma gás hidrogênio. 02. Para a realização da eletrólise ígnea, o eletrólito deve estar fundido. 03. No caso da eletrólise ígnea, o cátion é atraído pelo polo positivo (ânodo). 04. Na eletrólise aquosa, os íons positivos da solução são oxidados pelo recebimento de elétrons.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A19

ASPECTOS QUANTITATIVOS DA ELETROQUÍMICA

ASSUNTOS ABORDADOS n Aspectos quantitativos da Ele-

O médico italiano Luigi Galvani realizou estudos pioneiros no campo da eletricidade. Foi ele quem observou os primeiros fenômenos eletrofisiológicos – a teoria do fluido elétrico animal. As conclusões de Galvani não foram aceitas pelos cientistas da época, mas elas contribuíram muito para a compreensão dos fenômenos eletrodinâmicos. Sua influência foi tamanha que até hoje ainda fazemos referência a seu nome em diversos processos eletroquímicos. Não é raro encontrar citações como célula galvânica, galvanômetro ou alumínio galvanizado em nosso cotidiano.

troquímica

n Leis de Faraday da eletrodeposição

A figura abaixo ilustra a célula eletrolítica para o experimento de galvanoplastia. No ânodo dessa célula (polo positivo), há uma lâmina de cobre metálico. No cátodo, temos uma grade de plástico onde se quer depositar o cobre metálico. A solução é constituída de sulfato de cobre II (CuSO4).

CuSO4

Suporte

Gerador elétrico

Tela de plás co Figura 01 - Célula

de plástico.

eletrolítica utilizada para eletrodepositar cobre sobre uma grade

Um gerador de carga elétrica é acionado e ocorre a oxidação do cobre, formando íons Cu+2 que vão para a solução. Cu0(s)  → Cu2+(aq) + 2 eOs elétrons produzidos na oxidação do cobre são movimentados por um circuito externo até atingir a grade de plástico. Nesse local, os íons Cu+2 que se desprenderam da lâmina metálica e se encontram em solução são reduzidos e sofrem deposição sobre a grade de plástico. Esse processo é denominado eletrodeposição e permite que a grade de plástico seja revestida de cobre metálico.

227

Química

Essa aplicação eletroquímica é de grande uso nas indústrias. Isso porque permite que objetos de decoração como móveis, vasilhas, bijuterias, calotas de automóveis, emblemas, peças de geladeiras, painéis de carros, entre outros, sejam recobertos por metais como níquel, prata, cobre e ouro. Por sua vez, a galvanoplastia tem importância estética e também funcional. Metais como cobre, prata, ouro, entre outros, apresentam baixa reatividade. Por isso, a eletrodeposição desses metais produz uma película de proteção ao metal, aumentando a durabilidade da peça ou equipamento no ambiente.

Figura 02 - Utensílios domésticos revestidos de prata por eletrodeposição. Este processo tem a função de proteger as peças, aumentando sua durabilidade.

Leis de Faraday da eletrodeposição Mas, qual a massa de metal cobre que devemos utilizar para revestir, por exemplo, um brinco, uma vasilha ou uma calota de automóvel? A19  Aspectos quantitativos da Eletroquímica

A resposta a esse questionamento começou a ser elaborada ainda no século XIX. O estudo dos fenômenos eletroquímicos levou muitos cientistas da época a se interessarem pelo assunto. Berzelius, por exemplo, lançou uma teoria elétrica para as combinações dos elementos de acordo com as afinidades químicas de cada um. Segundo Berzelius, cada elemento apresentava uma polaridade e uma afinidade química definida que dependia da quantidade e da natureza da carga elétrica. A combinação das espécies químicas consistia na atração dos corpúsculos de cargas elétricas opostas e na neutralização da eletricidade com liberação de calor. As pesquisas realizadas por Berzelius no uso da corrente elétrica relacionado ao processo de transformação química contribuíram de maneira decisiva para que o químico inglês Michael Faraday, em 1834, pudesse relacionar a quantidade de matéria transformada e a quantidade de energia elétrica envolvida no processo. 228

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Primeira lei de Faraday Para Faraday conseguir determinar as relações eletroquímicas de maneira experimental e com base em suas observações, enunciou: A massa da substância química transformada durante o processo de eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica que atravessa a solução. Matematicamente, podemos escrever: m = kQ Do estudo da Física, temos que a quantidade de carga pode ser determinada como o produto da corrente elétrica pelo intervalo de tempo: Q = iDt em que: nQ

= é quantidade de carga elétrica; = é intensidade de corrente elétrica; n Dt= é intervalo de tempo. ni

Assim, temos que a massa pode ser calculada por: m = kiDt em que, k =

1 C 96485

Figura 03 - Michael Faraday (1791-1867).

Segundo os cálculos de Faraday, para eletrolisar um mol de qualquer espécie química são necessários 96 485 coulombs de carga elétrica. Esse valor é conhecido atualmente como constante de Faraday e pode ser definida como sendo a quantidade de carga elétrica que é capaz de movimentar um mol de elétron. 1 F = 96 438 C = 6,02 × 1023 elétrons Para efeito de cálculos, podemos utilizar o valor arredondado de 96500 C para a constante de Faraday. Segunda lei de faraday A segunda lei de faraday da eletrodeposição está relacionada à eletrólise em dispositivos ligados em série. Dizemos que dois dispositivos estão ligados em série quando são percorridos pela mesma corrente elétrica. Por exemplo, as pilhas utilizadas para produzir luz em uma lanterna são geralmente ligadas em série. Quando ligamos dois ou mais dispositivos em série, as massas das substâncias químicas eletrolisadas em cada um dos dispositivos são diferentes entre si. Contudo, são diretamente proporcionais à quantidade de carga fornecida pelo gerador de cargas.

A19  Aspectos quantitativos da Eletroquímica

De maneira geral, podemos propor a seguinte fórmula para cálculo de massas eletrolisadas em cubas eletrolíticas ligadas em série. mA m k A = B kB MA MB onde, MA e MB são, respectivamente, as massas eletrolisadas das espécies químicas presentes nas cubas A e B. kA e kB referem-se, respectivamente, às quantidades de cargas das espécies químicas eletrolisadas nas cubas A e B. MA e MA são respectivamente, às massas molares das espécies químicas eletrolisadas nas cubas A e B.

+ B 229

Química

Exercícios de Fixação 01. (UFES) A quantidade de metal depositado pela passagem de 0,4 faraday através de uma solução de zinco é igual a Zn = 65,4 u a) 13,08 g b) 43,16 g c) 74,48g d) 26,28 g e) 3,6 g

02. (Unifor CE) Considere a eletrólise, realizada numa cuba eletrolítica, de uma solução aquosa concentrada de cloreto de sódio.

A19  Aspectos quantitativos da Eletroquímica

Para que se produzam 2 mols de material num dos eletrodos, a carga circulante é igual a a) 2 coulombs b) 2 faradays c) 4 ampères d) 4 coulombs e) 4 faradays

03. (Unimontes MG) O alumínio (A) é obtido, eletroliticamente, a partir de alumina (A2O3) fundida. Durante a eletrólise, o íon A3+ é reduzido, no cátodo, a A. Supondo-se uma célula eletrolítica funcionando por 30 h, na qual circulou uma corrente de 50 A (constante de Faraday = 96.500 C), a massa (g) de alumínio depositada no eletrodo será de, aproximadamente, a) 504. b) 0,14. c) 1512. d) 19. 04. (Unioeste PR) Pode-se estimar um período de tempo determinando-se a perda de massa de um metal numa pilha. Numa montagem de uma pilha de Daniel, uma placa de zinco, inicialmente, com 5 g passou a ter 3,69 g após um intervalo de tempo. A corrente gerada nesta pilha foi de 0,386 A.

230

Qual foi o tempo transcorrido durante a operação da pilha? a) 10 s. b) 100 s. c) 1000 s. d) 10000 s. e) 100000 s. 05. (UECE) Duas células galvânicas ligadas em série contêm, respectivamente, íons Cu2+ e Au3+. No cátodo da primeira, são depositados 0,0686 g de cobre. A massa de ouro que será depositada, ao mesmo tempo, no cátodo da outra célula, em gramas, será, aproximadamente, a) 0,140. b) 0,280. c) 0,430. d) 0,520. 06. (UERN) Para cromar uma chave, foi necessário montar uma célula eletrolítica contendo uma solução aquosa de íon de cromo (Cr+2) e passar pela célula uma corrente elétrica de 15,2 A. Para que seja depositada na chave uma camada de cromo de massa igual a 0,52 grama, o tempo, em minutos, gasto foi de, aproximadamente: (Cr = 52 u.) a) 1. b) 2. c) 63. d) 127. 07. (UEG GO) Com base na eletrólise ígnea do cloreto de sódio, sabendo-se que uma corrente elétrica de intensidade igual a 10 ampères atravessou o sistema eletrolítico por 483 segundos, o volume, em mL de gás cloro liberado, será: Dados: F = 96500 C; volume molar na CNTP = 22,4L a) 775 b) 275 c) 560 d) 1100 08. (Unimontes MG) Determinadas peças de um antiquário foram submetidas a um banho de prata. Para cada grama de prata processada foram gastos R$2,10 (dois reais e dez centavos). Nesse processo, a quantidade de carga envolvida foi de 100 F. O valor gasto no processo, em reais, é de a) R$22.680. b) R$10.800. c) R$5.142. d) R$2,10.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. (Unirg TO) Uma célula eletrolítica foi montada pela inserção de dois eletrodos em uma solução de sulfato de cobre (CuSO4). Ao aplicar uma corrente de 1,5 A durante duas horas, observou-se que a massa de cobre depositada sobre a superfície de um dos eletrodos foi igual a: Dados: Constante de Faraday = 96.500 C a) 3,5 g b) 7,0 g c) 10,5 g d) 14,0 g 03. (UECE) Uma célula eletrolítica contendo uma solução aquosa de nitrato de certo metal é submetida a uma corrente elétrica de 6 A durante 2 h, 14 min e 30 s. A massa de metal depositada é 54 g. Através de cálculos aproximados, pode-se concluir corretamente que se trata do nitrato de a) prata. b) cobre. c) zinco. d) estanho. 04. (Unimontes MG) Em três células eletrolíticas operando nas mesmas condições durante o período de 1 dia (86400 s), com uma corrente de 1000 A, obtiveram-se os metais alumínio, cobre e prata a partir dos compostos AgC, CuCl2, ACl3 e NiC. A maior massa produzida foi de a) A. b) Cu. c) Ni. d) Ag.

05. (FMABC SP) As pilhas de níquel-cádmio (NiCd) são recarregáveis, tendo grande aplicação em aparelhos portáteis. A partir dos potenciais padrão do hidróxido de cádmio e do dióxido de níquel a seguir, foram feitas algumas afirmações. Cd(OH)2(s) + 2e–→ Cd(s) + 2 OH–(aq) E0red = –0,81 V NiO2(s) + 2 H2O() + 2e–→ Ni(OH)2(s) + 2 OH–(aq) E0red = +0,49 V Dado: constante de Faraday = 96000 C I.

A ddp da pilha é de 0,32 V.

II.

A reação de descarga da pilha pode ser representada pela equação:

NiO2(s) + 2 H2O() + Cd(s) → Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2(s) III.

Para produzir uma corrente 1,6 mA por 1000 s, são consumidos aproximadamente 112 mg de cádmio metálico. Sobre essas sentenças pode-se afirmar que a) apenas a I é verdadeira. b) apenas a II é verdadeira. c) apenas a I e a III são verdadeiras. d) apenas a II e a III são verdadeiras. e) todas são verdadeiras. 06. (UERN) Um brinquedo, movido a pilha, fica ligado durante 1,5 hora até ser desligado. Sabe-se que a pilha é recarregável e o seu metal é o magnésio, que possui uma corrente de 10800 mA. Qual foi o desgaste aproximado de magnésio nesse período? a) 17,8 g. b) 14,2 g. c) 8,9 g. d) 7,3 g. 07. (IFPE) O processo de eletrodeposição em peças metálicas como: talheres, instrumentos cirúrgicos, automóveis, não é utilizado apenas para embelezamento das mesmas, mas também para sua proteção contra a corrosão. Deseja-se niquelar 10 peças de aço idênticas utilizando-se uma solução de sulfato de níquel II. Para niquelar cada uma, gasta-se 1,18 g de níquel utilizando uma corrente elétrica de 38,6 A. Devido às dimensões reduzidas do equipamento, só é possível niquelar uma peça por vez. Desprezando o tempo necessário para colocação das peças no equipamento, assinale a alternativa que indica corretamente o tempo gasto para fazer a niquelação das 10 peças. Dados: 1 F = 96500 C e Ni = 59 g/mol. a) 16 min e 40 segundos b) 20 min e 50 segundos c) 42 min e 20 segundos d) 35 min. e 10 segundos e) 14 min. e 29 segundos

231

A19  Aspectos quantitativos da Eletroquímica

01. (Mackenzie SP) Pode-se niquelar (revestir com uma fina camada de níquel) uma peça de um determinado metal. Para esse fim, devemos submeter um sal de níquel (II), normalmente o cloreto, a um processo denominado eletrólise em meio aquoso. Com o passar do tempo, ocorre a deposição de níquel sobre a peça metálica a ser revestida, gastando-se certa quantidade de energia. Para que seja possível o depósito de 5,87 g de níquel sobre determinada peça metálica, o valor da corrente elétrica utilizada, para um processo de duração de 1000 s, é de Dados: Constante de Faraday = 96500 C Massas molares em (g/mol) Ni = 58,7 a) 9,65 A. b) 10,36 A. c) 15,32 A. d) 19,30 A. e) 28,95 A.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO A20

ASSUNTOS ABORDADOS n Espontaneidade das reações de

oxirredução

n Energia livre de Gibbs n Efeito da concentração sobre o potencial da pilha

ESPONTANEIDADE DAS REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO Até o momento, estudamos pilhas, baterias, células a combustíveis e eletrólises. Para alguns casos, dizemos que as reações se processam de forma espontâneas (por exemplo, as pilhas); para outros, dizemos que são reações não espontâneas, ou seja, que ocorrem com o consumo de energia (por exemplo, as eletrólises).

Energia livre de Gibbs O critério termodinâmico para determinar a espontaneidade de uma reação química é a energia livre de Gibbs ( DG ). Para qualquer transformação química, uma vez que DG < 0 , temos uma reação espontânea. O DG representa a quantidade máxima de trabalho útil que pode ser obtido de uma reação química, ou seja, DG = −τmáx . O trabalho derivado de uma célula eletroquímica pode ser entendido como sendo a quantidade de energia por número de coulomb que escoa. O número de coulomb, por sua vez, é igual ao número de mol de elétrons envolvidos na reação de oxirredução.

ηcoulomb = nF onde,

η = número de mol de coulomb que escoa; n = número de mols de elétrons;

F = 1 Faraday (96.500C). O valor n depende da natureza da semirreação que ocorre na pilha. Para a pilha de Daniell (Zn/Zn2+//Cu2+/Cu), por exemplo, são movimentados dois mols de elétrons. Portanto, n vale 2. Já a energia disponível por coulomb nada mais é do que a fem (ddp) da pilha. Assim, para a pilha de Daniell, a fem = +1,10V. Logo, a energia disponível por coulomb é +1,10 V. Assim, a expressão matemática do trabalho para uma célula eletroquímica é: τmáx = n ⋅ F ⋅ DE logo, a espontaneidade de uma pilha é dada por: DG = −τmáx

DG = −n ⋅ F ⋅ DE Admitindo condições-padrão para os potenciais de oxirredução, torna-se a variação de energia livre padrão ( DGo ) para a reação. DGo =−n ⋅ F ⋅ Eo

Para a pilha de Daniell, por exemplo, temos a seguinte energia livre: Zn(s)  → Zn2+ (aq) Cu2+ (aq)

2e−

2e−  → Cu(s)

Eo = +0,76V Eo = +0,34V

------------------------------------------------------------------------------------------

Zn(s)

232

Cu2+ (aq)  → Zn2+ (aq)

Cu(s)

DEo = +1,10V

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

DGo =−2 × 96500 × 1,10 DGo = −212300 J

DGo = −212,3 kJ Essa relação entre o potencial padrão da pilha e DG é extremamente importante para a interpretação das transformações químicas. Sem dizer que a variação de energia livre pode ser relacionada à constante de equilíbrio de uma reação, ou seja, há uma relação entre DG e Kc. A expressão matemática que relaciona energia livre de Gibbs e constante de equilíbrio é dada por:

DG = -2,303 RT log K c combinando essa expressão matemática com a expressão matemática DG =−n ⋅ F ⋅ Eo , temos uma terceira expressão matemática, dada por n ⋅ F ⋅ Eo =2,303 RT log K c .

Resolvendo para E, temos: 2,303 RT log K c nF Considerando Eo =

R = 8,314 Jmol-1K-1 T = 298 K F = 96500Cmol-1 Temos: Eo =

2,303 ⋅ 8,314 ⋅ 298 log K c n ⋅ 96500

0,0592 E = log K c n Resolvendo Kc, temos: o

0,0592 E = log K c n nEo logK c = 0,0592 o

Considerando a pilha de Daniell, em que as reações e o potencial padrão são dados por logK c =

2 × ( +1,10 )

∴logK c = 37,2∴kc= 1037,2 ∴kc ≈ 1,0 × 1037

0,0592 para um valor de constante de equilíbrio tão elevado, podemos afirmar que a reação de oxidação do zinco (Zn → Zn2+) e redução do cobre (Cu2+ → Cuo) será praticamente completa.

Faremos a análise da reação entre o estanho e o níquel de acordo com a equação a seguir: o  −0,11V Sn(s) + Ni2+(aq)   Sn2+(aq) + Ni(s) DE =

Aplicando a expressão que relaciona a constante de equilíbrio, temos: 2 × ( −0,11 ) logK c = 10 −3,71 ∴logK c = −3,71 ∴kc = 0,0592

Considerando que se trata de uma constante de equilíbrio muito pequena, podemos dizer que essa reação ocorre em pequena extensão no sentido dos produtos, ou seja, a reação direta é não espontânea. Já a reação inversa, reação de oxidação do níquel e redução do estanho, deve ocorrer espontaneamente.

Efeito da concentração sobre o potencial da pilha Até o momento, limitamos nossas discussões sobre situações de espontaneidade de reações de oxirredução em que os participantes estão em condições padrão. Contudo, em laboratório, nem sempre essa condição é possível. Em função disso, surgem condições em que as reações ocorrem em sentido contrário ao esperado ou até mesmo reações em que a fem (ddp) não confere com a ddp da pilha no estado padrão. Em 1889, Walter Nernst desenvolveu uma equação que permite determinar a fem de uma pilha ou uma equação de oxirredução em que os participantes tenham concentração diferente das concentrações no estado padrão. Não aprofundaremos a demonstração dessa fórmula. De acordo com o proposto por Nernst, a fem (ddp) de uma pilha pode ser determinada por E= Eo −

0,0592 log K c n

Considerando a pilha de Daniell, em que a concentração do cobre em solução (Cu2+) é de 0,02 mol.L-1 e a concentração do zinco em solução (Zn2+) é de 0,4 mol.L-1, temos: Zn(s) + Cu2+ (aq)  → Zn2+ (aq) + Cu(s)

DEo= +1,10V

Aplicando a equação de Nernst, temos: E= Eo −

0,0592 log K c n

E= Eo −

0,0592 [Zn2+ ] log n [Cu2+ ]

0,0592 (0,40) log 2 (0,020) E= +1,10 − 0,0296 (1,30) E= +1,10 −

E= +1,10 − 0,0385 E = +1,06V

Dessa forma, podemos concluir que nessas condições de concentração, a fem (ddp) da pilha é menor que a fem em condições padrão. 233

A20  Espontaneidade das reações de oxirredução

DGo = −n × F × DEo

Química

Exercícios de Fixação 01. (UECE) O funcionamento de uma pilha não recarregável faz a sua força eletromotriz diminuir até zero quando os seus reagentes ficam em equilíbrio com os produtos e a pilha descarrega. Fora da condição padrão, a força eletromotriz de uma pilha é calculada através de uma equação atribuída a a) Walther Nernst. b) Michael Faraday. c) Alessandro Volta. d) Luigi Galvani. 02. A seguir, temos a reação entre ferro e cobre em condições padrão. Fe(s) + Cu2+(aq)  → Fe2+(aq) + Cu(s) EFe/Fe2+ = +0,44V ECu2+ /Cu = +0,34V Utilizando os potenciais padrão do ferro e do cobre, determine, em kJ, a energia livre da reação.

a) - 96,50 b) - 19,30 c) -150,54 d) - 301,08 e) - 350,80 03. Para a pilha magnésio-ferro representada pela equação abaixo, Mg(s)

Fe2+ (aq)  → Mg2+ (aq)

DE0 = +1,94V

Fe(s)

determine a fem (ddp), sabendo-se que a concentração do ferro é 0,50 mol.L-1 e a concentração do magnésio é 0,005 mol.L-1. a) + 1,88 b) + 2,08 c) +3,94 d) +4,16 e) +5,34

Exercícios Complementares

A20  Espontaneidade das reações de oxirredução

01. (Udesc SC) Uma pilha de Daniell opera em condições padrões com soluções aquosas de ZnSO4 e CuSO4, com diferença de potencial nos terminais de ΔE0. Cristais de CuSO4 são adicionados na respectiva solução, alterando o potencial para ΔE, na mesma temperatura. Pode-se afirmar que este novo potencial: a) permaneceu constante. b) aumentou. c) diminuiu. d) ficou zero. e) não pode ser calculado. 02. (Fuvest SP) Foi montada uma pilha em que o polo positivo era constituído por um bastão de paládio, mergulhado numa solução de cloreto de paládio e o polo negativo, por um bastão de níquel, mergulhado numa solução de sulfato de níquel. As semirreações que representam os eletrodos são: Pd2+ + 2e−

→ ←

Ni2+ + 2e−

→ ←

Pd Ni

a) Escreva a equação que representa a reação química que ocorre quando a pilha está funcionando (sentido espontâneo). b) O que acontece com as concentrações de Pd2+ e Ni2+ durante o funcionamento da pilha? Explique.

234

c) Os dados da tabela abaixo sugerem que o princípio de Le Châtelier se aplica à reação química que acontece nessa pilha. Explique por quê.

Experimento [Pd2+ ] / molL−1 [Ni2+ ] / molL−1 A 1,00 0,100 B 1,00 1,00 C 0,100 1,00

E/ V 1,27 1,24 1,21

E /V = diferença de potencial elétrico a) As semirreações e a equação global da pilha níquel-paládio são: polo positivo: redução Pd2 2e Pd cátodo

polo negativo: oxidação Ni Ni2 2e ânodo

equação global:

Ni Pd2

Ni2 Pd

b) Durante o funcionamento da pilha, a concentração de Pd2+ diminui (reagente) e a concentração de Ni2+ aumenta (produto). c) Analisando-se os dados tabelados, nota-se que a diminuição da concentração molar de Ni2+ (produto) faz com que a diferença de potencial aumente em relação ao valor padrão (1,24 V). Em contrapartida, a diminuição da concentração molar de Pd2+ (reagente) diminui a diferença de potencial da pilha. Isto está de acordo com o Princípio de Le Chatelier, uma vez que a diminuição da concentração de um produto desloca o equilíbrio no sentido direto (aumento do potencial) e a diminuição da concentração de um reagente desloca o equilíbrio no sentido inverso (diminuição do potencial).

FRENTE

Questão 01 a) Ferro (Fe) e gás oxigênio (O2) b) Uma diferença seria a temperatura do processo, que é mais baixa no processo “amigável” ao meio ambiente. A segunda diferença seria a formação de substâncias tóxicas e/ou poluentes que ocorre no

QUÍMICA processo atual e não ocorreria no processo “amigável”. Processo atual (resumido): Fe2O3 + 3 C→ 2Fe + 3CO CO + 1/2 O2(ar) → CO2

Exercícios de Aprofundamento 01. (Unicamp SP) Uma maneira de se produzir ferro metálico de uma forma “mais amigável ao meio ambiente” foi desenvolvida por dois cientistas, um norte-americano e um chinês, que constataram a surpreendente solubilidade dos minérios de ferro em carbonato de lítio líquido, em temperaturas ao redor de 800°C. No processo, a eletrólise dessa solução, realizada com uma corrente elétrica de alta intensidade, leva à separação dos elementos que compõem os minérios e à produção do produto desejado. a) O artigo que relata a descoberta informa que os elementos que formam o minério são produzidos separadamente em dois compartimentos, na forma de substâncias elementares. Que substâncias são essas? Dê os nomes e as fórmulas correspondentes. b) O processo atual de obtenção de ferro consiste na utilização de alto forno, que funciona a uma temperatura entre 1300 e 1500 °C, com adição de carbono para a reação de transformação do minério. Considerando todas as informações dadas, apresente duas diferenças entre o processo atual e o novo. Explique, separadamente, como essas diferenças justificam que o novo processo seja caracterizado como “mais amigável ao meio ambiente”.

03. (UFPA) A indústria cloro-soda é uma das mais importantes indústrias de base de um país. Por meio da utilização de NaC como matéria-prima, diversos produtos são obtidos, conforme mostrado no esquema abaixo:

02. (UFRN) A purificação do cobre é essencial para sua aplicação em fios condutores de corrente elétrica. Como esse metal contém impurezas de ferro, zinco, ouro e platina, é preciso realizar um processo de purificação na indústria para obtê-lo com mais de 99% de pureza. Para isso, é necessário colocá-lo no anodo de uma cuba com solução aquosa de sulfato de cobre e aplicar corrente elétrica de forma a depositá-lo no catodo, fazendo-o atingir essa pureza. Apesar de ser um método lento e de consumir grande quantidade de energia, os custos de produção são compensados pelos subprodutos do processo, que são metais como ouro, platina e prata. O método de purificação do cobre é conhecido como a) pilha galvânica, sendo que, no anodo, ocorre a oxidação do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da redução dos íons Cu2+ da solução aquosa. b) eletrólise, sendo que, no anodo, ocorre a oxidação do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da redução dos íons Cu2+ da solução aquosa. c) eletrólise, sendo que, no anodo, ocorre a redução do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da oxidação dos íons Cu2+ da solução aquosa. d) pilha galvânica, sendo que, no anodo, ocorre a redução do cobre metálico, e o metal que se deposita no catodo é resultado da oxidação dos íons Cu2+ da solução aquosa.

04. (UFPE) Uma célula para produção de cobre eletrolítico consiste de um ânodo de cobre impuro e um cátodo de cobre puro (massa atômica de 63,5 g mol-1), em um eletrólito de sulfato de cobre (II). Qual a corrente, em Ampère, que deve ser aplicada para se obter 63,5 g de cobre puro em 26,8 horas? Dado: F = 96500 C mol-1.2,00 A

Questão 05: a) E°= –0,76 V b) 4 Fe(s) 3 O (g) 6H O(l) 4 Fe3 12 OH Eo 1,27V 2 2



O processo A e os produtos X, Y e Z são, respectivamente, a) pirólise, O2, C 2 e Na2O. b) eletrólise, H2, C2 e NaH. c) hidrólise, C2, Na2O e NaCO. d) eletrólise, C2, H2 e NaCO. e) hidrólise, C2, HC e Na2O.

05. (UFES) Considere as seguintes semirreações a 25 °C: → Fe3+ (aq) + 3e− ← Fe(s) Eº = −0,04V I. II.

Fe2+ (aq) + 2e−

→ ←

III.

O2 (g) + 2H2O(l) + 4e−

Fe(s) Eº = −0,44V → ←

4OH− Eº = 1,23V

onde E° (em volts) é o potencial padrão de redução. a) Sabendo que a relação entre a variação na energia livre −nFEº , de Gibbs (DGº) e Eº é dada pela expressão DGº = onde n e F são, respectivamente, o número de mols de elétrons e a constante de Faraday, calcule o Eº para a reação Fe2+ → Fe3+ + e− . Dado: F = 96500 C.mol–1 b) Escreva a equação balanceada da oxidação do Fe(s) para Fe3+ na presença de água e oxigênio. Calcule o E° dessa reação. c) Com base nos resultados encontrados nos itens A e B, preveja em que condições o Fe(s) sofre oxidação espontânea para Fe3+(aq). Justifique a sua resposta. c) Resultado encontrado em A :Eo 0,76V. Eo 0; Go 0 Processo não espontâneo. Resultado encontrado em B :Eo 1,27V . Eo 0; Go 0 Processo espontâneo. Portanto, o Fe(s) sofre oxidação espontânea para Fe3+(aq) nas condições do item B, ou seja, na presença de água e oxigênio.

235

FRENTE

QUÍMICA Por falar nisso Em 1934, o casal Iréne e Frédéric Joliot Curie, ao bombardear lâminas finas de alumínio com partículas alfa, conseguiu produzir átomos radioativos de fósforo 30. No ano seguinte, ganharam o Prêmio Nobel de Química por sua “síntese de novos elementos radioativos". A princípio, era mera curiosidade científica. No entanto, os radioisótopos logo passaram a ser usados pela indústria, pela medicina e pela própria pesquisa científica. Na indústria, são usados radioisótopos emissores de radiação gama de alta energia que em muitas ocasiões substituem os raios X. Em medicina, os radioisótopos são usados na detecção de anomalias, por exemplo, na glândula tireoide, no cérebro e no pâncreas. Na pesquisa científica, os radioisótopos são usados em fisiologia animal e vegetal, para indicar o caminho seguido e as regiões de acumulação de nutrientes, o volume de sangue de um animal etc. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

B17 B18 B19 B20

Introdução à radioatividade.......................................................238 Cinética radioativa......................................................................245 Decaimentos radioativos e sequências numéricas.....................250 Fissão e fusão nucleares.............................................................254

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B17

ASSUNTOS ABORDADOS n Introdução à radioatividade n Emissões nucleares n Leis da radioatividade

INTRODUÇÃO À RADIOATIVIDADE As investigações da constituição da matéria influenciaram profundamente o final do século XIX. Cientistas como Thomson, Rutherford, Frederic Soddy, Becquerel, Marie Curie, Piere Curie, Böhr, Henry Moseley e vários outros estavam tão empolgados com as novas descobertas científicas que mal podiam esperar a virada do século para anunciar novas partículas constituintes dos átomos e da matéria.

Fonte: wikimedia commons / Unknown

Em 1895, a descoberta dos raios X por Wilhelm Conrad Röntgen espantou o mundo. Os raios X, como descritos por ele, permitiam “ver” por dentro do corpo humano sem precisar abri-lo, e isso parecia inaceitável para as pessoas comuns da época. Até mesmo Röntgen confessou a sua esposa que estava meio incrédulo sobre as observações que havia feito. Como cientista, esse fato era impressionante, mas não inaceitável e em 28 de dezembro de 1895, Röntgen elaborou um relatório completo das observações que havia feito nas últimas sete semanas e enviou-o à Sociedade Físico-Médica da Alemanha. Os raios X realmente existiam e podiam ser anunciados ao mundo inteiro.

Imagem 01 - Em 1898, o casal de cientistas Marie e Pierre Curie descobriram dois novos elementos radioativos, o polônio e o rádio.

238

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A repercussão que essa descoberta causou no meio científico foi muito grande. Praticamente todos os materiais se tornavam transparentes aos raios X. Portanto, uma nova perspectiva de investigação se abria e esses raios se constituíam numa ferramenta de grande utilidade no estudo da estrutura atômica da matéria. Mas as inquietações dos cientistas a respeito das emissões dos átomos de algumas substâncias eram grandes e os estudos sobre esse tema continuavam. Em 1896, Henry Becquerel, interessado na fosforescência e na fluorescência dos materiais, quis sa- Imagem 02 - À esquerda, Radiografia de uma mão tirada um mês após a descoberta dos raios-x. ber se esses fenômenos também eram de À direita, senhor Wilhelm Conrad Röntgen.. emissões de raios X, mas os resultados foram negativos. Entretanto, ao estudar as emissões dos sais de urânio, Becquerel pôde perceber que elas escureciam chapas fotográficas e também produziam ionizações de gases. Isso aconteceu em 9 de março de 1896 – começavam as investigações sobre os fenômenos das emissões radioativas.

Fonte: cwikimedia commons / Nobel foundation

A aplicação dos raios X foi imediata. Na medicina, podiam-se ver ossos fraturados ou uma bala metálica alojada no corpo de uma pessoa e isso facilitou grandemente o trabalho dos médicos na realização de cirurgias.

Em 1898, Becquerel recebeu o casal Marie e Pierre Curie. Eles vieram por causa dos estudos de doutorado de Marie. A pedido de Becquerel, os dois direcionaram suas pesquisas sobre as emissões anteriormente observadas por Becquerel e descobriram que outros elementos tinham maior capacidade de emissão que o urânio. O rádio, por exemplo, tinha um poder de emissão 400 vezes maior que o do urânio, e o polônio, 60 vezes maior que o do urânio. O fenômeno foi denominado de radioatividade pelo casal Curie, entretanto, não foi completamente entendido: Becquerel, Marie e Pierre Curie não conseguiram uma explicação para a origem das emissões radioativas. Sabiam apenas que eram emissões de partículas e ondas eletromagnéticas executadas por núcleos atômicos de baixa estabilidade.

Emissões nucleares Um processo nuclear se caracteriza exatamente por produzir modificações na estrutura do núcleo do átomo, por emissão de partículas e/ou ondas eletromagnéticas para o meio exterior, como no caso da radioatividade. B17  Introdução à radioatividade

Uma comprovação de que fenômenos químicos e fenômenos nucleares são distintos pode ser feita pela comparação da energia envolvida nos dois processos. Os fenômenos radioativos são acompanhados de valores energéticos muito elevados quando comparados com os das transformações químicas. Outro ponto de destaque é o fato de as transformações químicas serem grandemente afetadas por fatores como temperatura, pressão, concentração, superfície de contato etc. Já as transformações nucleares não sofrem interferência dessas variáveis. Mas também existem fenômenos químicos de alto valor energético. Os raios X são bons exemplos. Atualmente, são considerados raios X as radiações eletromagnéticas com comprimento de onda que varia de 10−11 m a 10−8 m resultantes da 239

Química

colisão de elétrons provenientes de um cátodo aquecido contra uma lâmina metálica (ânodo). Ao contrário das emissões radioativas, os raios X são emissões de elétrons, portanto, um fenômeno não nuclear (de origem eletrosférica), mas que se assemelha bastante em intensidade energética aos fenômenos nucleares. Emissão alfa A descoberta da radioatividade por Becquerel e pelo casal Curie e estudos posteriores levaram à caracterização das emissões radioativas. Existem diversas emissões nucleares, mas a partir de agora estudaremos as características de três delas: partículas alfa, partículas beta e a onda eletromagnética gama. No início do século XX, Rutherford estava investigando a constituição atômica da matéria e precisava de uma partícula que pudesse responder às inquietações sobre a estrutura do átomo. Com a descoberta da radioatividade, Rutherford pôde contar com um grande aliado: a emissão alfa (α). Nos estudos de Rutherford sobre as características da emissão α, ele chegou à conclusão de que se tratava de uma partícula de carga elétrica positiva (dois prótons). Essa conclusão foi estabelecida a partir do comportamento da emissão α em presença de um campo elétrico carregado. A partícula α é desviada no sentido da placa negativa. Pelo ângulo de desvio, relativamente pequeno, Rutherford acreditou que a partícula α tinha um grande valor de massa.

Em decorrência desse alto poder de ionização, a partícula α não possui grande penetrabilidade em tecidos biológicos e em outros meios. Mas atenção! Trata-se de uma partícula de origem nuclear e, portanto, de grande valor energético, o que causa danos aos seres vivos. Emissão beta No estudo das emissões radioativas, Becquerel também caracterizou uma segunda partícula proveniente do núcleo, a partícula beta. Essa emissão sofre atração por uma placa elétrica de carga positiva e apresenta massa bem menor que a massa da partícula alfa. A comparação dos valores de massa das duas partículas foi estabelecida com base nos desvios apresentados por elas quando em presença de um campo elétrico carregado. Devido ao fato de ser atraída pela placa de carga elétrica positiva, concluiu-se que a carga elétrica da partícula beta é negativa. Atualmente, aceita-se que a partícula beta seja formada pela desintegração de um nêutron nuclear, dando origem a um próton, uma partícula beta, um neutrino e uma onda eletromagnética gama. N → +11p + −10b + 00n + 00 g nêutron próton beta neutrino gama 1 0

Durante a emissão de uma partícula beta, o próton fica retido no núcleo, enquanto a emissão beta, o neutrino e a onda eletromagnética gama saem do núcleo. O poder de ionização da partícula beta é bem menor que o poder de ionização produzido pela partícula alfa, mas a penetrabilidade da partícula beta é bem maior que a penetrabilidade da partícula alfa em tecidos biológicos e outros. Logo, respeitando-se as devidas proporções, os danos biológicos causados pela emissão beta são maiores.

B17  Introdução à radioatividade

Emissão gama

Atualmente, sabemos que a emissão α é uma partícula dotada de duas cargas positivas (prótons) e dois nêutrons, mas nenhum elétron. Portanto, trata-se de um núcleo de gás nobre hélio. O fato de a partícula não apresentar elétrons implica um alto poder de ionização do meio, ou seja, quando emitida, captura dois elétrons do meio com o qual está em contato e se transforma no gás nobre hélio. 4 2

240

α + 2e−  → 42He

A emissão gama é uma onda eletromagnética que foi descoberta por Paul Villard (1860-1934) e se caracteriza por apresentar alta energia e alto poder de penetrabilidade em tecidos biológicos e em outros meios. Não apresenta massa nem carga elétrica. Quando analisada em presença de um campo elétrico não sofre interferência, pois não apresenta carga elétrica. O poder de penetrabilidade da emissão gama é realmente muito grande, podendo atravessar materiais espessos e densos, como por exemplo, o aço. Somente dispositivos com espessas camadas de chumbo e/ou concreto podem frear a emissão gama.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Características das emissões nucleares Radiação

Carga

Poder de penetração

Poder de ionização

α2+

Baixo

Alto

-1

Moderado

nulo

Superior a 15 cm no aço

Quase nulo

4 2

0 −1 0 0

Tabela 01 - Comparação do poder de penetrabilidade das três emissões.

Leis da radioatividade O estudo das emissões radioativas no início do século XX levou à observação de certas regularidades. Frederic Soddy, Prêmio Nobel de Química em 1921, foi um dos estudiosos dessas regularidades. Segundo Soddy, quando um núcleo instável emite uma partícula alfa ( 42 α ), seu número atômico e seu número de massa diminuem de duas e quatro unidades, respectivamente. Essa lei é reconhecida na atualidade como lei de Soddy. Por exemplo: 238 92

U  →

Th +

234 90

4 2

No exemplo anterior, temos a emissão de uma única partícula alfa pelo núcleo de urânio-238. Nesse processo, é formado o tório-234. Observe que, na transformação, o número atômico diminui de duas unidades, enquanto o número de massa diminui de quatro unidades. Do mesmo modo que havia uma regularidade na emissão de partículas alfa, havia também para a emissão da partícula beta, que foi enunciada na lei de Soddy, Fajans e Russel. Segundo esses cientistas, quando um núcleo instável emite uma partícula beta, seu número de massa permanece constante, mas seu número atômico aumenta em uma unidade, formando, assim, um novo átomo isóbaro do primeiro. Por exemplo: 137 55

Cs  →

137 56

Ba +

0 −1

Exercícios de Fixação

(http://www.scielo.br/pdf/rb/v40n2/08.pdf. Adaptado)

A partícula emitida no decaimento do rutênio-106 é a) Beta menos, b− . b) Beta mais, b+ . c) Alfa, α . d) Gama, g . e) Próton, p.

02. (PUC 14 7

RJ)

N+ H → 1 1

Na 11 6

equação

processo

nuclear

C + He , constata-se que no núcleo do 4 2

isótopo a) 147 N há 14 prótons. b) 11 H há 1 nêutron. c)

11 6

C há 5 elétrons.

4 2

d) He há 2 nêutrons. e)

14 7

N há 21 prótons.

03. (Unievangélica GO) Ao emitir uma partícula beta, o que ocorre com o número de massa e o número atômico , respectivamente, de um núcleo instável de 14C?

241

B17  Introdução à radioatividade

01. (FGV SP) O uso do radioisótopo rutênio-106 (106Ru) vem sendo estudado por médicos da Universidade Federal de São Paulo, no tratamento de câncer oftalmológico. Esse radioisótopo emite radiação que inibe o crescimento das células tumorais. O produto de decaimento radiativo do rutênio-106 é o ródio-106 (106Rh).

Química

a) Não altera e diminui em uma unidade. b) Não altera e aumenta em uma unidade. c) Aumenta em uma unidade e não altera. d) Aumenta em quatro unidades e aumenta em duas unidades. 04. (Unimontes MG) Os estudos das reações com núcleos atômicos feitos por Curie e colaboradores mostraram que a radioatividade é o resultado do decaimento nuclear. Nesse fenômeno, a emissão de partículas α (alfa) e b (beta) forma núcleos com diferentes números de prótons. Considerando o decaimento alfa do polônio 211, Po → nuclídio + partícula α pode-se afirmar que o nuclídeo formado é a) o astato 210. b) o chumbo 207. c) o polônio 210. d) o radônio 222. 211 84

05. (Univag MT) Questão se refere ao radioisótopo samário 153 Sm, emissor de partículas b–, empregado na terapia de câncer dos ossos. Ao emitir uma partícula b–, o nuclídeo 153Sm transforma-se no nuclídeo: a) 154Pm. c) 153Pm. e) 152Eu. 153 154 b) Eu. d) Eu. 06. (Unificado RJ) O samário-153 também pode ser usado para o diagnóstico de metástases ósseas. Associado ao complexo EDTMP, ele se distribui pelas áreas afetadas. Pacientes que sofrem de metástase óssea proveniente de câncer de mama, próstata ou pulmão têm como aliado o elemento radioativo samário-153, adotado como medicamento para diminuir as fortes dores, e seus efeitos são maiores do que os dos analgésicos. Possui efeitos colaterais bem tolerados, o que proporciona melhor qualidade de vida ao paciente. Embora esse radiofármaco já houvesse sido aprovado em testes clínicos, um estudo recente confirmou que seu uso não provoca impactos significativos no patrimônio genético dos pacientes. O Sm-153 é um radionuclídeo de meia-vida física curta (t ½ = 46,3 h), que decai por emissão de radiação beta, o que possibilita o seu uso terapêutico. Disponível em:<http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/medicina-e-saude/elemento-radioativo-nao-afeta-cromossomos>. Acesso em: 02 out. 2013. Adaptado.

B17  Introdução à radioatividade

A equação da reação do decaimento radioativo do samário-153, identificando o elemento que dela se origina, é representada por a) 153Sm + –1b0 → 153Pm. b) 153Sm + –1b0 → 153Eu. c) 153Sm → –1b0 + 153Eu. d) 153Sm → 0b–1 + 152Sm. e) 153Sm → 0b1 + 154Sm.

242

07. (Fameca SP) No decaimento do 99Mo, nuclídeo “pai”, para o 99m Tc, nuclídeo “filho”, há liberação de a) partículas alfa. b) partículas beta negativas. c) partículas beta positivas. d) nêutrons. e) prótons. 08. (Escs DF) As emissões radioativas são empregadas na radioterapia para destruir células doentes ou impedi-las de se reproduzirem. Em 1987, uma cápsula contendo cloreto de césio-137 foi abandonada junto a um equipamento nas antigas instalações do Instituto Goiano de Radioterapia, em Goiânia. A cápsula foi encontrada e aberta pelo dono de um ferro-velho, o que causou o maior acidente radioativo da história do Brasil. A seguir, são apresentados três tipos de emissões radioativas. • partícula α: constituída por dois prótons e dois nêutrons • partícula b: constituída por um elétron gerado a partir da conversão de um nêutron em um próton • radiação g: radiação eletromagnética Considerando as informações acima, é correto afirmar que a transformação do césio-137 em bário-137 pode ser explicada por meio da emissão de a) uma partícula α e radiação g. b) radiação g. c) uma partícula b. d) uma partícula α. 09. (UEPG PR) Uma série radioativa consiste em um conjunto de radioisótopos que são formados a partir de um radioisótopo inicial, pela sucessiva emissão de partículas alfa e beta. Na série radioativa que se inicia com o 93Np237 e termina com o 83Bi209, o número de partículas alfa e beta emitidas é de, respectivamente: a) 3 e 5 b) 7 e 4 c) 6 e 3 d) 5 e 2 e) 8 e 6 10. Num processo de emissão, urânio ( 238 92 U ) emitiu 5 partículas alfa ( 24 α ) e 8 partículas beta ( −10 b), formando um novo nuclídeo. Considerando seus conhecimentos sobre esse processo, determine o número de massa e número atômico do novo nuclídeo formado e, para marcação de resposta correta, some os dois valores encontrados. a) 90 b) 214 c) 280 d) 308 e) 380

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

uma das reações mais estudadas, pois representa a maior fonte de exposição natural à radiação. Das equações abaixo, assinale a que representa de forma correta o decaimento do radônio. a)

222 86

Rn →

218 84

Po + g

222 86

Rn →

218 84

Po + b

222 86

Rn →

218 84

Po + α

222 86

Rn →

218 84

Po + 2b

222 86

Rn →

218 84

Po + 2α

02. (FMJ SP) O isótopo do iodo, que apresenta número de massa 131, pode ser utilizado na medicina nuclear para avaliar o tamanho, a forma e a atividade da glândula tireoide. Uma das etapas de seu decaimento radioativo é: 131 53

I → * + g + 131 Xe 54

Nessa reação, * representa a) uma partícula beta. b) um próton. c) uma partícula alfa. d) um pósitron. e) um nêutron. 03. (UECE) A combustão do cigarro acarreta a produção de, entre outras substâncias, monóxido de carbono e a liberação de materiais radioativos como o rádio-226 que decai para o radônio-222 que, por sua vez, dá origem ao polônio-218, ao chumbo-214 e ao chumbo-210. O monóxido de carbono e os materiais radioativos de meia-vida longa podem trazer muitas complicações, inclusive causar câncer no pulmão e em outros órgãos do corpo humano. Sobre o tema, assinale a afirmação FALSA. a) O monóxido de carbono liga-se fortemente à hemoglobina, impedindo a presença do oxigênio e dificultando os processos metabólicos. b) O longo período de decaimento dos materiais radioativos pode aumentar continuamente suas concentrações, atacando órgãos e a medula óssea. c) A conversão do radio-226 em radônio-222 sugere a emissão de uma partícula α (alfa). d) O rádio, o radônio, o polônio e o chumbo são metais e, na tabela periódica, estão classificados como elementos representativos.

04. (UEPG PR) Sobre os processos radioativos, assinale o que for correto. 01. A radioatividade constitui um fenômeno ligado ao núcleo do átomo. 02. A emissão de radiação g altera o número de partículas atômicas. 04. As radiações b são elétrons emitidos mesmo por núcleos estáveis. 08. As radiações α correspondem a 2 prótons e 2 nêutrons, isto é, um núcleo do átomo de hélio ( 42 He). 16. As radiações α, b, g possuem o mesmo poder de penetração. 01-08 05. (UFU MG) A tecnologia nuclear possui diversas aplicações, das quais destacam-se a esterilização de alimentos, a determinação da idade das rochas, entre outras. O tório é um dos elementos utilizados na tecnologia nuclear cuja transmutação natural, a partir do radioisótopo 90Th232, termina com o isótopo 82Pb208. Nessa transmutação são emitidas as partículas a) 6 alfa e 3 beta. b) 6 alfa e 4 beta. c) 4 alfa e 6 beta. d) 4 alfa e 3 beta. 06. (UFSCar SP) A radioterapia é um método capaz de destruir células tumorais, empregando feixe de radiações ionizantes. Os isótopos radioativos dos elementos cobalto, césio, irídio e outros são utilizados sob a forma de tubos, agulhas, fios, sementes ou placas e geram radiações, habitualmente do tipo gama, de diferentes energias, dependendo do elemento radioativo empregado. A reação nuclear envolvendo isótopos de cobalto é representada na equação: 60 0 27 Co → −1 b + X (www.inca.gov.br. Adaptado.)

Na equação, o número atômico do elemento X é a) 26. b) 27. c) 28. d) 59. e) 60. 07. (UERN) Em 1900, o físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908) comparou esses desvios sofridos pelas partículas beta com os desvios que os elétrons realizavam, quando também eram submetidos a um campo eletromagnético. O resultado foi que eram iguais; com isso, viu-se que as partículas beta eram na realidade elétrons. (Disponível em: http://www.brasilescola.com/quimica/emissao-beta.htm)

243

B17  Introdução à radioatividade

01. (Unioeste PR) As reações de transmutação do radônio é

Química

É correto afirmar que, quando um núcleo emite uma partícula b, seu número atômico a) diminui uma unidade e seu número de massa não se altera. b) aumenta uma unidade e seu número de massa não se altera. c) diminui uma unidade e seu número de massa se altera de uma unidade. d) aumenta uma unidade e seu número de massa se altera de uma unidade. 08. (FGV SP) A braquiterapia é uma modalidade de radioterapia, na qual pequenas cápsulas ou fios contendo as fontes radioativas são colocados em contato com o tecido tumoral a ser tratado. Cápsulas contendo ouro-198 são empregadas para essa finalidade, e cada átomo decai com a emissão de radiação gama e uma partícula beta, −01 b , que inibem o crescimento das células cancerígenas. O produto do decaimento do ouro-198 é a) ouro-197. d) mercúrio-197. b) ouro-199. e) mercúrio-198. c) platina-198.

B17  Introdução à radioatividade

09. (Acafe SC) No jornal O Estado de São Paulo, de 30 de agosto de 2011, foi publicada uma reportagem sobre o acidente nuclear na usina Daiichi, em Fukushima no Japão “[...] em 33 localidades havia um excesso de césio-137 de 1,48 milhão de becquerel por metro quadrado, […]”. Com base no texto acima e nos conceitos sobre processos radioativos, analise as afirmações a seguir. I. O césio-137 é um material radioativo com tempo de meia-vida curto e não apresenta risco à saúde das pessoas que moram na região afetada pelo acidente. II. A partícula α possui estrutura semelhante ao núcleo do átomo de hélio. III. Processos radioativos são essencialmente transformações nucleares, na qual núcleos instáveis emitem radiações. IV. Bequerel é uma grandeza que mede a intensidade de radiação ou a atividade radioativa. Assinale a alternativa correta. a) Todas as afirmações estão corretas. b) Apenas II e IV estão corretas. c) Apenas a afirmação III está correta. d) Apenas II, III e IV estão corretas. 10. (Unifor CE) Estudo mostra que os acidentes nucleares no Japão, em março deste ano, lançaram na atmosfera o dobro de substâncias radioativas do que foi divulgado oficialmente pelas autoridades japonesas. Por esse estudo, a elevação equivale a 40% do total emitido no acidente de Chernobyl, na Ucrânia, em 1986. As explosões e os vazamentos na Usina de Fukushima Daiichi, no Nordeste do Japão, foram provocados pela sequência de tremores de terra seguido por um tsunami. http://exame.abril.com.br/economia/meio-ambiente-e-energia/ noticias/acidente-nuclear-no-japao-pode-ter-causado-dano-maisintenso. Acesso em 06 out. 2011. (com adaptações)

244

A contaminação radioativa é perigosa para os seres vivos em função de: a) Causar aumento de dióxido de carbono na célula. b) Retardar o envelhecimento celular. c) Induzir alterações nos desoxirribonucleotídeos. d) Promovem o crescimento celular. e) Estimulam muito a produção de energia. Ac emite uma partícula 11. (UEL PR) Quando o átomo radioativo 234 91 beta há formação do: Ac a) 230 89 b) 234 Ac 89 c) d) e)

234 90 232 91 234 90

Pa U

12. (ITA SP) Considere um nuclídeo instável emissor de partículas beta negativas. Esta emissão terá o seguinte efeito: número atômico do nuclídeo a) aumenta de um; b) permanece inalterado; c) diminui de um; d) aumenta de um; e) diminui de um;

número de massa do nuclídeo permanece inalterado diminui de um diminui de um aumenta de um permanece inalterado

13. (UnB DF) O processo de irradiação pode ser utilizado para aumentar o tempo de conservação dos alimentos, por meio de eliminação de microrganismos patogênicos e de insetos. A irradiação geralmente é feita com raios gamas originados do cobalto-60. Acerca da radiação, julgue os itens a seguir: 01. a radiação gama é originada de uma transformação química. 02. se um átomo de cobalto-60 emite apenas radiação gama, isto significa que ele não sofre uma transmutação. 03. um alimento irradiado contém átomo de cobalto-60 que lhe foram adicionados no processo de tratamento. 04. no processo de irradiação, o feixe raios gama pode ser direcionados aos alimentos por meio de placas elétricas devidamente polarizadas, que desviam tais raios. 01 14. (UnB DF) Na região de Poços de Caldas, MG, há jazidas naturais de minérios contendo urânio 238. Este radionuclídeo decai segundo a seguinte sequência. 238 234 234 210 206 92U → 90Th → 91Pa → ..... → 84 Po → 82Pb

Julgue os itens que se seguem. 01. Os processos (1) e (3) correspondem à emissão de partículas alfa. 02. O processo (2) corresponde à emissão de radiação gama. 03. A notação 82Pb206 representa o nuclídeo do chumbo, de número de massa 206 e de número atômico 82. 01-03

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B18

CINÉTICA RADIOATIVA Em 1998, um fato interessante aconteceu: parte de um manto foi colocado em discussão como sendo o Santo Sudário, o manto que teria sido usado para cobrir o corpo de Jesus Cristo após sua crucificação e morte.

ASSUNTOS ABORDADOS n Cinética radioativa n Meia-vida ou período de semidesintegração

Por causa das dúvidas sobre a veracidade de tal fato, logo surgiu o questionamento sobre se seria possível dizer a idade do tecido do qual o manto havia sido feito. Imediatamente, os cientistas responderam que sim e se dispuseram a realizar a datação. A técnica utilizada foi a do carbono-14. Os resultados mostraram que o linho utilizado na confecção de tal manto havia se desenvolvido entre os anos de 1260 e 1390. Portanto, bem diferente da época em que é relatado o nascimento e a morte de Jesus Cristo. Dessa forma, ficou provado que o manto divulgado como o Santo Sudário era uma fraude e que jamais poderia ter pertencido à época, como tinha sido anunciado.

Fazendo a datação de um material A técnica utilizada para datar materiais fósseis, rochas e qualquer outro tipo de artefato é a do carbono-14, desenvolvida por Willard Frank Libby em 1946. Nessa técnica, são utilizados contadores de emissões radioativas de grande sensibilidade (contador Geiger), capaz de registrar as emissões beta feitas pelo núcleo radioativo do isótopo 14 do carbono. Já vimos que isótopos são átomos de um mesmo elemento químico, portanto possuem o mesmo número atômico e diferentes números de nêutrons e de massa.

Fonte: wikimedia commons

Antes de estudarmos com mais detalhes o processo de formação do carbono-14 na natureza e a técnica de datação, é fundamental conhecer o conceito de meia-vida ou período de semidesintegração.

Imagem 01 - A técnica de datação de fósseis e de materiais muito antigos, como o Santo Sudário de Turim, é uma aplicação muito importante do estudo da cinética radioativa.

245

Química

SAIBA MAIS FORMAS ALTERNATIVAS DE DATAÇÃO Embora a datação por 14C ainda seja a técnica mais conhecida e utilizada, existem hoje métodos mais modernos de datação absoluta, como os que aplicam luminescência, por exemplo. A técnica da termoluminecêsncia baseia-se em avaliar a luminescência provocada pelo aquecimento de sedimentos e objetos arqueológicos. É usada para identificar a idade de objetos que contêm minerais, como o quartzo (SiO2) e a calcita (CaCO3). Podem ser datados os fragmentos de cerâmicas, os materiais líticos queimados e cinzas de fogueira de até 200 mil anos. A imprecisão nesse modo de datação é de 7% a 10%. O arqueomagnetismo é a datação baseada em variações seculares ou alterações que acontecem de tempos em tempos no campo magnético da Terra. O estudo da magnetização remanescente de uma rocha sedimentar permite determinar o campo magnético terrestre no momento de sua formação. O método é usado para datação de fornos e de algumas cerâmicas que podem manter uma magnetização remanescente. Disponível em: <http://www.univerciencia.ufscar.br/n_2_a1/carbono. pdf>. Acessoem 01 ago. 2016.

Meia-vida ou período de semidesintegração A determinação de alguns parâmetros na radioatividade é um bom assunto para se discutir a aplicação da matemática estatística. Os fenômenos radioativos, em alguns casos, demoram bilhões de anos para se concretizar. Daí a necessidade do emprego de cálculos estimados que garantam a compreensão do processo. Para facilitar o entendimento do que vamos discutir, faremos uso de analogias. Por exemplo, olhe para os colegas de sala de aula e reflita sobre se é possível calcular a idade média dos alunos que compõem sua sala de aula. Prontamente você deve ter respondido que sim e já o fez em valores aproximados, utilizando a sua idade como referência e admitindo alguma variação para os demais casos. O cálculo pode ser executado com maior segurança perguntando a idade de cada um dos alunos, adicionando os valores e, finalmente, dividindo o valor total encontrado pelo número de alunos da sala. A idade média está determinada. Mas, na radioatividade, os fatos não são assim. Não podemos determinar a idade da cada um dos átomos radioativos constituintes da amostra. Portanto, temos que trabalhar com valores estatísticos. Vejamos um segundo exemplo: segundo dados do IBGE, a expectativa de vida dos brasileiros em 2005 era de 71,9 anos. Isso significa dizer que em média todos nós vivemos 71,9 anos. Mas não se desespere! Esse valor é apenas uma média estatística com base na expectativa de vida. Existem aqueles que morrem antes de completar os 71,9 anos, mas também existem aqueles que atingem idades superiores a esse valor. No Distrito Federal, por exemplo, a expectativa de vida é de 74,9 anos. Já o estado de Alagoas está em último lugar, com 66 anos. De maneira geral, podemos dizer que, graças aos avanços tecnológicos na área da medicina, farmácia, condições hidrossanitárias e socioeconômicas, a idade média da população brasileira tem aumentado. Mas ainda ficamos bastante atrás de países desenvolvidos como os do continente europeu – Finlândia, Suécia, Dinamarca, França, Bélgica etc. Da mesma forma que a expectativa de vida da população de um país é calculada por média estatística, a vida média de uma amostra radioativa também o é. Na radioatividade, vida-média é a média aritmética dos tempos de vida de todos os radioisótopos constituintes de uma amostra radioativa. Portanto, os cálculos realizados nos processos nucleares são determinações estatísticas, já que numa mesma amostra existem núcleos radioativos que sofrem desintegração em segundos, enquanto outros demoram até bilhões de anos. No caso da datação de materiais fósseis, é utilizada uma média estatística que determina o tempo necessário para que a atividade da amostra radioativa seja reduzida à metade. Esse intervalo de tempo é denominado de meia-vida ou período de semidesintegração. O carbono-14 tem período de meia-vida de 5 730 anos, ou seja, a atividade de carbono-14 diminui 50% em 5 730 anos.

B18  Cinética radioativa

Período de Meia-vida (t1/2 ou P) Definimos período de meia-vida (t1/2 ou P) como sendo o tempo necessário para que o número de isótopos radioativos de uma amostra seja reduzido à metade. De maneira ilustrativa, utilizaremos a analogia de bolinhas a seguir para representar o período de meia-vida. Considerando que uma bolinha represente um átomo de um isótopo radioativo, temos no início um total de 32 átomos. Decorrido o primeiro perío246

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

do de meia-vida, o número total de átomos do radioisótopo diminui pela metade, ou seja, das 32 bolinhas azuis iniciais, após o primeiro período de meia-vida, restam 16. O tempo para que esse processo ocorra é denominado de período de meia-vida. No caso do carbono-14, o período de meia-vida de 5 730 anos. Decorrido o mesmo intervalo de tempo, teremos o segundo período de meia-vida e o número de radioisótopos novamente decai pela metade, ou seja, das 16 bolinhas azuis (representando os átomos radioisótopos que sobraram) restam 8. Após o terceiro período de meia-vida, restam 4 átomos do radioisótopo e assim sucessivamente. Após o 5º período de meia-vida resta apenas 1 átomo de radioisótopo.

Opirus/Arte

Um fato interessante que devemos lembrar é que no decaimento de um radioisótopo um átomo se transforma em outro átomo. Observe que para cada bolinha roxa que desaparece (decaimento radioativo) surge uma bolinha cinza no lugar.

Como os isótopos radioativos têm massa, também podemos dizer que o período de meia-vida mede o tempo para que a massa dos isótopos radioativos seja reduzida à metade. Uma vez que em determinada quantidade de massa existe uma determinada quantidade de átomos, também podemos dizer que o período de meia-vida mede o tempo necessário para que o número de átomos radioisótopos seja reduzido à metade. Graficamente, podemos expressar esse processo por uma curva de decaimento. 14

1 N0 2

Decaimento do C

Após a 1ª meia-vida (5.730 anos)

Após a 2ª meia-vida (11.460 anos)

1 N0 4

Após a 3ª meia-vida (17.190 anos)

1 N0 8

B18  Cinética radioativa

Número de núcleos 14C (N)

10.000

20.000 Tempo (anos)

247

Química

Exercícios de Fixação 01. (UFLA MG) Um radionuclídeo hipotético é emissor de partículas α e tem meia-vida de 24 anos. Em caso de contaminação com esse radionuclídeo, quantos anos são necessários para que sua atividade radioativa seja reduzida a 1/8 da atividade inicial? a) 24 anos b) 3 anos c) 1/8 ano d) 100 anos e) 72 anos 02. (Escs DF) O Cobalto-60 é um radioisótopo muito utilizado em tratamentos de alguns tipos de câncer. Sobre a velocidade da reação de decaimento do Cobalto-60 em uma fonte radioativa, é correto afirmar que: a) Aumenta se a fonte for resfriada. b) Diminui se a fonte for aquecida. c) Permanece constante se a fonte for aquecida. d) Chega a zero se a fonte for resfriada a uma temperatura muito baixa. e) Aumenta se a fonte for aquecida.

B18  Cinética radioativa

03. (UFCG PB) A radioatividade pode ser empregada para determinação da idade de ossadas humanas. Em 1999, foi estudada a ossada de um habitante do Brasil e sua idade foi avaliada como sendo de 11 500 anos. Suponha que, nessa determinação, foi empregado o método de dosagem do isótopo radioativo carbono-14, cujo tempo de meia-vida é de 5730 anos. Pode-se afirmar que a quantidade de carbono-14 encontrada quando foi estudada a ossada, comparada com a quantidade contida no corpo desse habitante por ocasião de sua morte é de aproximadamente: a) 5% do valor original. b) 50% do valor original. c) 10% do valor original. d) 25% do valor original. e) 100% do valor original. 04. (UFAL) O decaimento radioativo do carbono−14 é de primeira ordem, e sua meia-vida é de 5 800 anos. Enquanto uma planta ou um animal estão vivos, eles apresentam uma proporção constante de carbono−14 (em relação ao carbono−12) em sua composição. Quando o organismo morre, a proporção de carbono−14 decresce como resultado do decaimento radioativo, e a idade do organismo pode ser determinada se a proporção de carbono−14 remanescente for medida. Considere que a proporção de carbono−14 em um pedaço de madeira antiga foi determinada como sendo um quarto daquela em árvores vivas.

248

Qual a idade da madeira? a) 7 300 anos. b) 8 500 anos. c) 9 700 anos. d) 10 200 anos. e) 11 600 anos. 05. (UFTM MG) O gráfico representa a curva de decaimento do radioisótopo cobalto-60, amplamente utilizado em radioterapia.

Pelo exame desse gráfico, conclui-se que a meia-vida do radioisótopo em questão é próxima de a) 1 ano. b) 5 anos. c) 10 anos. d) 15 anos. e) 20 anos. 06. (Unirio RJ) O T201, é um isótopo radioativo usado na forma de TC3 (cloreto de tálio), para diagnóstico do funcionamento do coração. Sua meia-vida é de 73h (≅ 3 dias). Certo hospital possui 20 g desse isótopo. Sua massa, em gramas, após 9 dias, será igual a: a) 1,25 b) 3,3 c) 7,5 d) 2,5 e) 5,0 07. (PUC Campinas SP) O iodo-125, variedade radioativa do iodo com aplicações medicinais, tem meia-vida de 60 dias. Quantos gramas de iodo-125 irão restar, após 6 meses, a partir de uma amostra contendo 2,00 g do radioisótopo? a) 1,50 b) 0,75 c) 0,66 d) 0,25 e) 0,10

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

-vida é 250 anos. Qual a porcentagem da amostra inicial desse isótopo que existirá após 1000 anos? a) 1,25% b) 4% c) 6,25% d) 12,5% e) 25% 02. (UFU MG) Preparam-se 8 mg do radioisótopo 84Po218, cuja meia-vida é 3,1 minutos. Restará apenas 1 mg, após: a) 3,1 min b) 6,2 min c) 9,3 min d) 12,4 min e) 24,8 min 03. (PUC RJ) A meia-vida do bismuto 210 é de 5 dias. Em 10 dias, partindo-se de 100 g de bismuto 210, ter-se-á: a) nenhuma quantidade. b) 20 g c) 25 g d) 50 g e) 200 g 04. (Fatec SP) Em uma caverna, foram encontrados restos de um esqueleto humano, tendo-se determinado nos ossos uma taxa de C-14 igual a 6,25% da taxa existente nos organismos vivos e na atmosfera. Sabendo-se que a meia-vida do C-14 é de 5 600 anos, pode-se afirmar que a morte do indivíduo ocorreu há: a) 22 400 anos. b) 16 800 anos. c) 11 200 anos. d) 5 600 anos. e) 350 anos. 05. (UFTM MG) A irradiação com raios gama provenientes do Co-60 tem sido usada na preservação de alimentos, pois destrói fungos e bactérias presentes no ambiente, principais causadores do apodrecimento. Sabendo-se que a meia-vida desse radioisótopo é de 5 anos, a porcentagem aproximada de Co-60 que se desintegrou após 20 anos é: a) 6,20. b) 12,5. c) 25,0. d) 75,0. e) 93,8.

06. (Fuvest SP) O isótopo radioativo Cu-64 sofre decaimento b, conforme representado: 64 29

Cu  →

64 30

Zn +

0 −1

A partir de amostra de 20,0 mg de Cu-64, observa-se que, após 39 horas, formaram-se 17,5 mg de Zn-64. Sendo assim, o tempo necessário para que metade da massa inicial de Cu64 sofra decaimento é cerca de a) 6 horas. b) 13 horas. c) 19 horas. d) 26 horas. e) 52 horas. 07. (UEL PR) A meia-vida do radioisótopo carbono-14 é de aproximadamente 5 700 anos e sua abundância nos seres vivos é da ordem de 10 ppb (partes por bilhão). Sendo assim, se um pedaço de tecido produzido no ano do descobrimento do Brasil for realmente dessa época, deverá apresentar teor de carbono-14: a) maior do que 10 ppb b) igual a 10 ppb c) maior do que 5 ppb e menor do que 10 ppb d) igual a 5 ppb e) menor do que 5 ppb 08. (FMJ SP) A presença de inflamação miocárdica pode ser detectada por radiotraçadores que são captados no miocárdio, como o Ga-67. A curva de decaimento radioativo do Ga-67 é representada na figura.

O tempo de meia-vida, em dias, do Ga-67 é a) 2,2. b) 3,3. c) 6,6. d) 9,9. e) 10.

B18  Cinética radioativa

01. (UFPI) Um elemento radioativo tem um isótopo cuja meia-

249

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B19

ASSUNTOS ABORDADOS n Decaimentos radioativos e sequên-

cias numéricas

n Decaimentos radioativos e função logarítmica

DECAIMENTOS RADIOATIVOS E SEQUÊNCIAS NUMÉRICAS Vimos, na aula anterior, que o período de meia-vida de um radioisótopo é o tempo necessário para que ocorra desintegração em metade da amostra. Sabemos também que o decaimento radioativo dos isótopos, como o do carbono-14, pode ser expresso por meio de uma função matemática que relaciona o número de átomos inicial e final desse isótopo em qualquer instante. Por exemplo, para o decaimento a seguir, e considerando que o número inicial de átomos do radioisótopo (32 bolinhas azuis) seja representado de forma genérica por N0, podemos estabelecer a seguinte análise matemática:

2ª meia-vida

N0 2

3ª meia-vida

N0 4

4ª meia-vida

5ª meia-vida

N0 8

N0 16

N0 32

Opirus/Arte

1ª meia-vida

Observe que, no início, temos um valor N0 de átomos de isótopos de carbono-14 e N que, após o primeiro período de meia-vida, esse valor é reduzido a 0 . Após o segundo 2 N0 período de meia-vida, o valor já é de . Já após o terceiro período de meia-vida, é de 4 N0 ; e assim sucessivamente. 8 Para entender melhor o que realmente ocorre com a massa dos isótopos radioativos dessa amostra, recorremos à matemática como ferramenta de trabalho. Lembrando que a quantidade de matéria em massa é proporcional à quantidade de átomos (N). Assim, podemos dizer que se no início do processo temos N0 átomos, também temos m0 (massa inicial). Uma das primeiras experiências matemáticas que temos quando criança é contar, de forma ordenada, até 10. Mal entendemos o significado desses números, mas lá vamos nós, cheios de insegurança, medo e timidez e vencemos os primeiros obstáculos: formamos a primeira sequência numérica. Isso mesmo, sequência numérica! Se dispusermos os valores de massa do isótopo em função do número de períodos de meia-vida, teremos uma sequência numérica. N0 N N 2o t1/2 3o t1/2  → 0  → 0 2 4 8 em que t1/2 é o período de meia-vida.

1o t

1/2  →

4o t

1/2  →

N0 N 5o t1/2  → 0 ... , 16 32

As sequências numéricas podem ser dispostas de tal forma que podemos verificar uma “lei de formação”. No nosso exemplo, temos que a massa (m0) ou o número de átomos (N0) sempre diminui 50% e forma uma sequência numérica chamada P.G. – progressão geométrica, de razão 1 . 2 250

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

 1  2o t1/2  1  3o t1/2  1  4o t1/2 1  1o t1/2 N0  →N0    →N0    → N0    →N0   ... 2 4 8  16  ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ 2

 1  2o t1/2  1  3o t1/2  1  4o t1/2 1 1 n t1/2 1o t1/2 N0  →N0    →N0    →N0    →N0   ...  →...N0   2 2 2 2 2 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ N0 N1 N2 N3 N4 Nn Dessa forma, podemos construir uma lei de formação que permite determinar qualquer termo dessa progressão numérica. n

N 1 Nn = N0   ou Nn = n0 , 2 2 em que n é o número de períodos de meias-vidas.

Para determinar o intervalo de tempo do processo, multiplicamos o número de períodos de meias-vidas (n) que aconteceu durante o decaimento pelo valor do período de meia-vida. t n t 1 . 2

Decaimentos radioativos e função logarítmica Nos exemplos de decaimentos radioativos estudados até o momento, há uma regularidade dos fenômenos de tal forma que o número de períodos de meias-vidas é determinado por meio da função exponencial sem o uso de logaritmos. Entretanto, na maioria dos casos não temos uma regularidade tão perfeita assim. Há situações, por exemplo, em que precisamos calcular o tempo para que uma amostra radioativa perca 88% de sua atividade. Se fosse 50%, 75%, 87,5%, 93,75%... seria bastante fácil. Mas, 88%! Como podemos fazer? A saída é fazer uso matemático dos logaritmos. Vamos exemplificar como procederemos nesse caso. Dados: N0 = 100% Nn = 12% Cálculo do número de períodos de meias-vidas (n). n

100 1  1   12  2n ⇒ 12% = 100%   ⇒  =    ⇒= 2 2 100 12       B19  Decaimentos radioativos e sequências numéricas

1 N N0   = n 2

A determinação do valor de n pode ser feita aplicando logaritmo (log) nos dois lados da igualdade. 100 2n = 12 100 log 2n = log ⇒ log 2n = log 100-log 12 ⇒ log 2n = log 100 - (log3.4 ) 12 log 2n = log 102 - (log 3 + log 4 ) ⇒ log 2n = log 102 - (log 3 + log 22 ) Dados : log 2 0,30; log 3 0,47; log 10 1,00 = = = Substituindo os valores, temos: n log2 =2 log10 - (log3 + 2 log2

)

⇒ n.0,30 = 2-(0,47 + 0,6) ⇒ n =

0,93 ⇒ n = 3,1 0,30

Portanto, o número de períodos de meias-vidas é igual a 3,1. 251

Química

Exercícios de Fixação

01. (Unifesp SP) O isótopo 32 15 P é utilizado para localizar tumores no cérebro e em estudos de formação de ossos e dentes. Uma mesa de laboratório foi contaminada com 100 mg desse isótopo, que possui meia-vida de 14,3 dias. O tempo mínimo, expresso em dias, para que a radioatividade caia a 0,1% do seu valor original, é igual a: Dado: log 2 = 0,30 a) 86. b) 114. c) 129. d) 143. e) 157. 02. (Unicap PE) Para uma amostra de material radioativo, 20 g são reduzidos a 1 mg após 143 dias. Considerando seus conhecimentos a respeito do assunto e que log 2 = 0,3 e log 3 = 0,4, determine, em dias, aproximadamente, o período de meia-vida do radioisótopo em questão.

a) 2 dias b) 4 dias c) 6 dias

d) 8 dias e) 10 dias

03. (Escs DF) O armazenamento do lixo radioativo é um dos grandes obstáculos para o uso da energia nuclear. Atualmente, o lixo radioativo é guardado em tanques subterrâneos. Segundo as normas internacionais, uma quantidade de rejeito que apresenta atividade radioativa de 6 × 1012 desintegrações por minuto (dpm) só poderá ser desenterrada após 1 0000 anos, quando a atividade estiver reduzida a 3 × 10–3 dpm, nível considerado inofensivo. O tempo de meia-vida desse nuclídeo é aproximadamente igual a: (use log 2 = 0,3) a) 100 anos b) 200 anos c) 400 anos d) 800 anos e) 1 600 anos

Exercícios Complementares 01. (UEL PR) O iodo-131 é um elemento radioativo utilizado em medicina nuclear para exames de tireoide e possui meia-vida de 8 dias. Para descarte de material contaminado com

O tempo necessário para que a quantidade inicial da amos 106 tra se reduza a g é de 2048 a) 2 horas e 10 minutos. b) 2 horas e 20 minutos. c) 1 hora e 56 minutos. d) 1 hora e 48 minutos.

1 g de iodo-131, sem prejuízo para o meio ambiente, o laboratório aguarda que esse iodo fique reduzido a 10–6 g de material radioativo.

a) 20 dias. b) 90 dias. c) 140 dias. d) 160 dias. e) 200 dias. 02. (UEG GO) As desintegrações radioativas podem ser consideradas, em termos de cinética química, como exemplos de reações de primeira ordem. Um modelo matemático usado para estudar a decomposição de um isótopo radioativo é m(t) = m0 e−kt, em que m0 é a massa inicial, m(t) é a massa em cada instante (t) e k é uma constante de proporcionalidade característica de cada elemento. Uma determinada amostra, no início do processo de observação, possuía massa de 4 × 106 g e, após 10 minutos, essa massa caiu pela metade.

252

03. (FGV SP) O gráfico mostra a radioatividade numa amostra de radiofármaco contendo Tl-201, usado em diagnóstico por imagem do miocárdio. A abscissa mostra o número de dias decorridos a partir da produção desse fármaco e a ordenada mostra a radioatividade correspondente naquele dia. 20 100

A vidade (MBq)

B19  Decaimentos radioativos e sequências numéricas

Nessas condições, o prazo mínimo para descarte do material é de: Dado: log10 (2) ≅ 0,3

80 60 40 20 0 0

Dados:

6 8 Tempo (dias)

Ai = 2x , x = número de meias-vidas e log 2 = 0,3 Af

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

A radioatividade nessa amostra (Af) será de cerca de 1 milésimo da inicial (Ai), após a) 15 dias. b) 30 dias. c) 2 meses. d) 4 meses. e) 6 meses. 04. (Escs DF) O prazo de validade de um determinado antibiótico é de 70 dias, desde que armazenado sob refrigeração a 5 °C. Sabe-se que a constante de decaimento do antibiótico (kd) é igual a 0,02 / dia. A quantidade do antibiótico remanescente no medicamento ao final do prazo de validade, quando armazenado a 5 °C, será de: Obs:. considere ln 2 = 0,7. a) zero b) 1/5 da quantidade inicial c) 1/4 da quantidade inicial d) 1/2 da quantidade inicial e) a mesma quantidade inicial

do dia anterior. O número total de partículas que essa amostra emite, a partir do primeiro dia do experimento, é aproximadamente igual a: a) 4,2 × 1018 b) 2,6 × 1018 c) 4,3 × 1017 d) 2,7 × 1017 07. (Vunesp SP) O rádio isótopo 60 27 Co , usado na terapia de câncer, desintegra-se com o tempo de meia-vida de 2,7 . 106 minutos, para produzir

60 28

Ni . A velocidade de desintegração de uma

amostra contendo 60 27 Co como único isótopo radioativo é de 240 átomos . minuto-1. a) Escrever a equação do processo nuclear que ocorre. b) Sabendo-se que a constante de velocidade de desintegração λ,

05. (Fuvest SP) O número N de átomos de um isótopo radioativo existente em uma amostra diminui com o tempo t, de acordo com a expressão N(t) = N0 e–λt, sendo N0 o número de átomos desse isótopo em t = 0 e λ a constante de decaimento. Abaixo, está apresentado o gráfico do log10 N em função de t, obtido em um estudo experimental do radiofármaco Tecnécio 99 metaestável (99mTc), muito utilizado em diagnósticos do coração. log10N

Sabe-se que a emissão de um dia é sempre 16% menor que a

relaciona-se com o t1/2 por meio da equação: t1/2 cule o número de átomos de a) 27Co → 28Ni + -1b 60

60 27

0,693 . Cal

Co presentes nessa amostra.

b) 9,35 ⋅ 108 átomos

08. Em 1947, um pastor chamado Mohamed Adh-Dhib perdeu uma cabra, que fugiu, subindo um conjunto de rochas escarpadas. Após procurá-la sem êxito, Adh-Dhib sentou-se para descansar e acabou descobrindo uma caverna estreita de onde, no dia seguinte, com a ajuda de um amigo, retirou um

6,0

conjunto de pergaminhos de viriam a ser conhecidos como os “Manuscritos do Mar Morto”. O local do achado dista uma

5,9

milha de Khlrbert Qumram (ruínas de Qumram). A coleção 5,8

de manuscritos é realmente grande, tendo sido encontrados fragmentos de todos os livros da Bíblia Hebraica (Velho

5,7

Testamento), com exceção única do livro de Ester. Uma vez provada a autenticidade dos pergaminhos, a questão de sua

5,6

5,4

do carbono14. A atividade do carbono14 nos manuscritos era de aproximadamente 11 dpm g−1. 0

10 t (horas)

A partir do gráfico, determine: a) o valor de log10 N0; b) o número N0 de átomos radioativos de 99mTc; a) log10 N0 = 6 c) a meia-vida(T1/2) do 99mTc. b) N0 = 106 átomos c) T1/2 = 6 horas log10 2 = 0,3; log10 5 = 0,7 06. (Uerj RJ) Num experimento para a determinação do número de partículas emitidas pelo radônio, foi utilizada uma amostra contendo 0,1 mg desse radioisótopo. No primeiro dia do experimento, foram emitidas 4,3 × 1016 partículas.

Sabendo que a atividade inicial do carbono-14 era de 14 dpm.g−1  11  e que n   = −0,242 , determine, de maneira aproximada,  14  a idade dos pergaminhos. Para isso, utilize equação N = No ⋅ e−kt. a) 1 200 anos b) 1 400 anos c) 1 600 anos d) 1 800 anos e) 2 000 anos

253

B19  Decaimentos radioativos e sequências numéricas

datação tornou-se fundamental, tendo-se utilizado o método 5,5

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO B20

ASSUNTOS ABORDADOS n Fissão e fusão nucleares n Fissão nuclear n Fusão nuclear n Acidentes radioativos

FISSÃO E FUSÃO NUCLEARES Em 1896, quando Becquerel e o casal Curie pesquisavam as interessantes emissões radioativas, não se pensava que dessa descoberta resultariam estudos que levassem à morte de tantas pessoas em pouco menos de 50 anos (Hiroshima e Nagasaki). O entendimento dos fenômenos das emissões radioativas aconteceu já no início do século XX com a participação de pesquisadores como Rutherford, Frederic Soddy e outros. A resposta aos questionamentos energéticos nucleares foi elaborada e culminou com o projeto da bomba de fissão nuclear obtido em 1939. Primeiramente, observado pelos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann, o processo de fissão nuclear foi interpretado e explicado corretamente pela física austríaca Lise Meitner, que, devido às perseguições nazistas, estava radicada na Suécia.

Concepções históricas O Pós-Primeira Guerra Mundial guardou tensões entre as nações que voltariam a se confrontar. Era apenas uma questão de tempo. A invasão da Polônia, em 1939, pelo exército alemão deflagrou a Segunda Guerra Mundial. As pesquisas alemãs para a produção de uma bomba atômica já se encontravam bastante avançadas. Niels Böhr foi avisado de que os alemães já tinham tecnologia suficiente para produzir a fissão do urânio. Ciente do poder de destruição em massa de tal dispositivo, Böhr estava temeroso: o uso de um artefato nuclear em uma guerra seria desastroso para a humanidade.

Imagem 01 - Da esquerda para direita, respectivamente temos: Lise Meitner, Werner Heisenberg, Niels Bohr e Abert Einstein

254

As suspeitas de que os alemães tinham chegado à bomba de fissão nuclear se tornou ainda mais forte quando, durante a Segunda Guerra Mundial, Böhr recebeu na Dinamarca a visita de Werner Heisenberg, que entregou a Böhr um diagrama do projeto atômico alemão. Perseguido pelos nazistas, Böhr fugiu para os Estados Unidos e encontrou Albert Einstein. Avisado por Böhr, Einstein informou ao então presidente dos Estados Unidos – Roosevelt – de que os países do eixo (Alemanha, Itália e Japão) já detinham conhecimento teórico da fissão nuclear do urânio. Estudos aprofundados sobre o diagrama recebido por Böhr mostraram que se tratava de um procedimento inadequado e que não resultaria na fissão do urânio. Mas, ao mesmo tempo, o diagrama levantou a suspeita de que a bomba atômica alemã era iminente.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Projeto Manha�an A entrada dos Estados Unidos na Segunda Guerra Mundial em 1941 e o medo dos americanos de que a Alemanha usasse uma bomba nuclear deu origem ao Projeto Manhattan. Cientistas do mundo inteiro, incluindo refugiados nazistas, se concentraram na pesquisa da fissão nuclear. Em 2 de dezembro de 1942, sob o comando do italiano Enrico Fermi, ficou pronto o primeiro reator nuclear de testes. Em 16 de julho de 1945, a primeira bomba nuclear explodiu no deserto de Alamogordo. Impressionados com o poder de destruição da bomba, os cientistas elaboraram e assinaram uma petição exigindo o controle internacional das armas atômicas. O documento foi enviado ao presidente Roosevelt pelo cientista Leo Szilard. Infelizmente, no dia 6 de agosto de 1945, Hiroshima foi surpreendida com a primeira bomba nuclear de fissão (urânio), e 80 mil pessoas foram mortas. Três dias depois, mais 40 mil pessoas também perderam a vida no lançamento da segunda bomba nuclear de fissão (plutônio), em Nagasaki. A Era Atômica estava anunciada, juntamente com a rendição do Japão. Até hoje se questiona a necessidade do uso da bomba atômica na Segunda Guerra Mundial. A Alemanha já havia se rendido e o poderio bélico do Japão era insuficiente para derrotar os países aliados. O uso das duas bombas atômicas foi mais uma demonstração de força e poder do que uma necessidade. Estabelecida a ordem mundial no pós-guerra, surgiu a Guerra Fria entre americanos e soviéticos em busca da supremacia global. Em 1949, os soviéticos anunciaram ao mundo o domínio da tecnologia nuclear, mesmo utilizando informações secretas do Projeto Manhattan desenvolvido pelos americanos. A disputa acirrada entre americanos e soviéticos levou à bomba de hidrogênio, anunciada pelos Estados Unidos em 1952 e pelos soviéticos em 1953. Em 1957 foi lançado, pela URSS, o Sputinik, primeiro satélite em órbita e, em 1961, Yuri Gagarin se tornou o primeiro ser humano em órbita terrestre. Só em 1969, os americanos conseguiram tal proeza e enviaram a Apolo XI à Lua.

Imagem 02 - Da esquerda para direita, respectivamente temos: Enrico Fermi, Leo Szilard e Franklin Roosevelt

B20  Fissão e fusão nucleares

Durante a corrida da Guerra Fria, outros países também atingiram o desenvolvimento de tecnologias capazes de produzir a bomba de fissão nuclear. Países como Inglaterra (1952), França (1960) e China (1964) realizaram testes em reatores nucleares e chegaram à bomba atômica. Somente com o término da Guerra Fria, em 1987, e depois de várias manifestações e campanhas públicas, além de assinaturas de tratados contra o desenvolvimento de armas nucleares, é que o temor de uma guerra de destruição mundial veio a diminuir. Porém, algumas nações, principalmente as do Oriente Médio, ainda buscam o domínio do enriquecimento do urânio na tentativa da autossuficiência tecnológica na produção de armas nucleares.

255

Química

Fissão nuclear Pesquisas sobre a estrutura atômica da matéria na década de 1930 levaram os cientistas a produzir a transmutação, ou seja, a partir do bombardeamento de núcleos com nêutrons, prótons e outras partículas foi possível produzir núcleos diferentes. E o interessante é que durante a transmutação foi observada a liberação de grande quantidade de energia. A corrida por armas de guerra que produzissem grandes quantidades de energia tornou-se cada vez maior durante a Segunda Guerra Mundial. Nesse contexto, a produção da bomba de fissão nuclear tornou-se iminente. A fissão nuclear consiste na quebra do núcleo atômicos relativamente grandes em núcleos menores, havendo liberação de enormes quantidades de energia. Produtos de cisão Nêutron incidente Liberação de energia

Núcleo fissionável Reação em cadeia

Nêutron incidente

Quebra do núcleo Produto da fissão Figura 01 - Desenho esquemático do processo de fissão nuclear. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

A primeira fissão nuclear foi obtida a partir do núcleo de urânio-235, mas núcleos como os de urânio-233 e plutônio-239 também sofrem quebras quando atingidos por nêutrons de baixa velocidade.

B20  Fissão e fusão nucleares

Durante a fissão, novos nêutrons são gerados e novas quebras de núcleos são realizadas, o que garante a manutenção da reação de fissão, formando o processo de reação em cadeia. A quebra do núcleo de urânio pode ocorrer de duas maneiras, mas nos dois casos há produção de nêutrons suficientes para manter a reação em cadeia.

256

1 0

n +

235 92

U  →

137 52

Te +

97 40

1 0

n +

235 92

U  →

142 56

Ba +

91 36

Zr + 2 01 n + energia

Kr + 3 01 n + energia

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Para que a reação ocorra em cadeia é necessária uma massa mínima do material físsil. Essa massa é chamada de massa crítica. A massa crítica de urânio é de 1 kg, aproximadamente, ou seja, com 1 kg de urânio é possível manter a reação de fissão em cadeia. Se a massa for superior ao valor da massa crítica, dizemos que se trata de uma massa supercrítica. O valor de massa crítica deve ser obedecido, caso contrário os nêutrons produzidos durante a quebra dos núcleos escapam da massa e não conseguem atingir novos núcleos. Nesse caso, a reação não atinge o estágio de reação em cadeia. As bombas de fissão nuclear trabalham com valores de energia que são quantificados em unidades de quilotons. Um quiloton equivale a 1 000 toneladas de dinamite (TNT). Para se ter uma ideia da quantidade de energia liberada numa fissão nuclear, a bomba de urânio-235 lançada sobre Hiroshima, em 6 de agosto de 1945 era equivalente a 20 quilotons, ou seja, a energia liberada sobre Hiroshima foi correspondente à explosão de 20 000 toneladas de dinamite (TNT). A energia liberada por quilograma de urânio-235 numa fissão nuclear é de 8,51 × 1010 kJ/kg de U-235.

Fusão nuclear A primeira bomba de fusão nuclear foi lançada em outubro de 1952. A corrida armamentista e a Guerra Fria levaram o mundo a conhecer o poderio dos testes da fusão nuclear na disputa pela hegemonia do poder em todo o mundo. Também chamada de bomba de hidrogênio, a fusão nuclear consiste na união de núcleos pequenos em núcleos maiores, havendo liberação de energia. Conclui-se que o Sol produza energia por meio de reações de fusão nuclear entre isótopos de hidrogênio. Núcleos menores Fusão dos núcleos

Pósitron

Energia Núcleos maior Figura 03 - Esquema do processo de fusão nuclear. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

B20  Fissão e fusão nucleares

A teoria da fusão nuclear foi sugerida durante o desenvolvimento da bomba de urânio (fissão nuclear). Segundo Fermi a bomba atômica poderia fornecer energia suficiente para produzir a união de núcleos de hidrogênio. Nessa fusão, seria produzido o núcleo de gás nobre hélio e haveria liberação de gigantesca quantidade de energia, milhares de vezes maior que a da bomba atômica. A seguir, temos ilustração da fusão de núcleos de hidrogênio até a formação do núcleo de hélio. O núcleo de hidrogênio utilizado foi o núcleo de prótio ( 11 H ), com formação de núcleo de deutério. Em seguida, o deutério ( 12 H ) é bombardeado com mais um núcleo de hidrogênio (prótio 11 H ). Nessa etapa, há formação de núcleo de hélio-3 ( 32 He ). 257

Química

Na última etapa, o núcleo de hélio-3 e bombardeado com mais um núcleo de prótio ( H ), formando o núcleo de hélio-4. ( 24 He ) 1 1

P Hidrogênio P n Deutério

P Pn Hélio-3

P n P Hélio-4 n

Figura 04 - Desenho esquemático do processo de formação do núcleo de hélio por meio da fusão nuclear. Imagem fora de escala e em cores ilustrativas.

Outra forma de produção do núcleo de hélio é por meio da fusão de núcleos de deutério e trítio. A equação de fusão de isótopos do hidrogênio (deutério e trítio) está representada abaixo. 2 1

H +

3 1

H  →

4 2

He +

1 0

n + energia

O empecilho para a produção da bomba de hidrogênio são as altas temperaturas exigidas durante o processo de união dos núcleos. Mas com os testes e a comprovação da alta energia liberada na explosão das bombas atômicas, pode-se concluir que seria possível tal processo.

B20  Fissão e fusão nucleares

Fonte: wikimedia commons / NASA Goddard Space Flight Center

Imagem 03 - A energia solar provém da reação de fusão que transforma hidrogênio em hélio.

Atualmente inúmeros problemas são enfrentados no desenvolvimento de processos de fusão. Por um lado está a dificuldade de se produzirem temperaturas da ordem de milhões de kelvins. Por outro, está no fato de não se terem materiais que resistam a temperaturas tão elevadas assim. Entretanto, a bomba de hidrogênio é bastante estudada como forma de se produzir energia, uma vez que os isótopos leves são frequentes na natureza e os produtos da reação não são radioativos.

258

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Fonte: wikimedia commons / Michel Maccagnan

Por isso, enormes aceleradores de partículas têm sido construídos por consórcios de países na pesquisa de novos métodos de fusão que exijam temperaturas menores. Na foto acima, vemos o centro de controle e ao lado o Tokamak. Esse tipo de dispositivo é usado para acelerar partículas por meio de potentes eletroímãs na tentativa de gerar colisões de partículas e núcleos atômicos.

desenvolvida e incrementada num futuro próximo? A energia térmica, a eólica, a hidrelétrica, a geotérmica, a bioenergia ou a energia nuclear? A matriz energética mundial sofreu grandes mudanças na medida em que novos incrementos na produção foram necessários. Com o desenvolvimento tecnológico e o desenrolar da Segunda Guerra Mundial, uma nova forma de se gerar energia havia sido testada: as bombas nucleares. Os testes seguidos dos lançamentos em Hiroshima e Nagasaki mostraram que a fissão nuclear liberava uma grande quantidade de energia. De imediato, surgiram os questionamentos: podemos utilizar a energia liberada em uma fissão nuclear para produzir energia elétrica? A resposta foi sim e ao findar a década de 1950 as usinas nucleares eram mais uma alternativa no processo de produção de energia. As justificativas para o desenvolvimento das usinas nucleares foram várias e dentre elas podemos citar: n n n

Imagem 04 - Acelerador de partículas Tokamak.

Outro problema enfrentado pelos pesquisadores são as radiações de alta energia que são produzidas durante o processo de fusão nuclear.

Acidentes radioativos

É indiscutível que a sociedade precisa cada vez mais de fontes geradoras de energia. Mas, que tipo de energia deve ser

Alta demanda energética em todo mundo; Custo operacional relativamente baixo; Uso eficiente das fontes de combustível; Poluição mínima do ar e da água; Não uso de combustíveis fósseis, portanto, não poluição da atmosfera com substâncias gasosas (gases de efeito estufa); Não exigem locais geográficos específicos para a sua instalação, ponto de destaque quando comparadas com as usinas hidrelétricas que exigem áreas gigantescas para o alagamento.

Vapor Água quente Água fria Reator

Gerador de vapor Transmissão de energia

Gerador Turbina de energia Transformador

1 O reator é responsável pelas fissões nucleares do urânio. Esse processo gera calor, vapor e energia elétrica. 2 Para que não ocorra um superaquecimento, o reator é refrigerado por um sistema à água

Bombas 3 A energia u lizada para o resfriamento do reator vem de fora da usina 4 Se por algum mo vo a energia for cortada, o sistema de resfriamento para de funcionar cionar, ocasionando o aumento da pressão e da temperatura dentro do reator, e o núcleo do reator pode derreter. O mesmo pode acontecer com as barras de urânio, gerando gás radioa vo

Parede do reator

Reator

259

B20  Fissão e fusão nucleares

Bomba

Opirus/Arte

Fonte: wikimedia commons / NASA Goddard Space Flight Center

COMO FUNCIONA O REATOR NUCLEAR

Química

No entanto, os opositores ao processo de desenvolvimento de energia elétrica a partir da energia nuclear se justificavam dizendo que: n n n n n

As usinas nucleares produzem resíduos radioativos que requerem manipulação e cuidados especiais; Os resíduos gerados devem ser armazenados por um longo período de tempo; A desativação das usinas envolve custos elevados; As usinas nucleares exigem sistemas de segurança internacional em casos de desvios de materiais nucleares que possam ser utilizados como armas bélicas; Há possibilidades de acidentes com sérios riscos para a saúde humana.

A chegada do século XXI trouxe a sensação de que o mundo não será destruído a partir dos lançamentos de grandes bombas de fissão ou de fusão nuclear. O desenvolvimento e a instalação de um grande número de usinas nucleares, entretanto, transferiram as tensões mundiais, ou seja, a destruição do planeta poderá acontecer a partir de acidentes nucleares de grandes proporções. A segurança das usinas nucleares não está completamente estabelecida. Num momento histórico recente, pudemos comprovar essa insegurança por meio de dois grandes acidentes nucleares.

Acidente de Chernobyl O segundo acidente aconteceu em Chernobyl – Ucrânia, URSS, em 1986.

B20  Fissão e fusão nucleares

Imagem 04 - Reator que explodiu em Chernobyl.

260

Fonte: wikimedia commons / Tiia Monto

Por falha de uma das varetas controladoras de nêutrons, o processo de fissão ocorreu de maneira descontrolada, produzindo uma enorme quantidade de energia. A explosão do reator foi inevitável. Para agravar ainda mais o acidente, a falta de um edifício protetor sobre o reator permitiu que os particulados radioativos fossem lançados na atmosfera e se espalhassem por toda a Europa, contaminando pessoas, animais e plantações. Na tentativa de esconder o acidente nuclear, e não colocar em dúvidas seu programa

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

de segurança, o governo soviético não pediu ajuda internacional e o problema só foi descoberto quando a radiação lançada na atmosfera atingiu a Suécia, disparando os dispositivos de segurança de uma usina, também nuclear, a 2 mil quilômetros de distância do local da explosão. A tragédia já havia acontecido: morte de pessoas durante a explosão e um aumento exagerado da incidência de câncer, principalmente em crianças, nas regiões próximas do local da explosão. O descrédito dos processos nucleares de produção de energia aconteceu por todo o mundo. As mobilizações populares aconteceram em diversos países e resultaram em desativação dos programas nucleares por parte de alguns deles. Nos EUA, 21 reatores nucleares foram desligados e em grande parte do mundo o programa de instalação de novas usinas nucleares foi desacelerado.

Acidente de Three Mile Island O primeiro ocorreu em 1979, nos Estados Unidos da América, mais precisamente em Three Mile Island, por falha no sistema de refrigeração, o que provocou liberação de grande quantidade de radioatividade. O programa de evacuação, no entanto, conseguiu agir a tempo e retirar as pessoas, evitando que ocorressem vítimas fatais. Mas os acidentes envolvendo radioatividade não ficaram restritos às usinas nucleares.

Acidente de Goiânia (Césio - 137)

Imagem 05 - Aparelho usado em radioterapia.

B20  Fissão e fusão nucleares

Fonte: wikipedia / Dina Wakulchik

O uso de aparelhos que contêm material radioativo tem produzido grandes benefícios para a humanidade. Na medicina, a utilização da radioatividade em procedimentos terapêuticos é muito grande. Tratamentos radiológicos contribuem sobremaneira para o aumento da expectativa de vida de pessoas, principalmente daquelas com câncer.

261

Química

Nesse contexto, um acidente de grandes proporções aconteceu no Brasil. Em meados de setembro de 1987, o Brasil entrou para a lista dos países em que aconteceram acidentes envolvendo processos radioativos. Catadores de lixo encontraram uma cápsula contento césio-137 e levaram-na até um ferro-velho onde a venderam. Por desinformação, a cápsula contendo o material radioativo foi aberta, contaminando dezenas de pessoas, das quais quatro morreram nos dias seguintes. A contaminação foi muito grande. Teve início o acidente radiológico de Goiânia, pela proporção o maior do mundo. Eu mudaria para. Esse acidente radiológico de Goiânia com Césio-137 foi o maior do Brasil e pela proporção, o maior do mundo. A contaminação de materiais atingiu roupas, animais, móveis, solos, casas e a pavimentação de ruas, gerando toneladas de lixo contaminado (aproximadamente 6 000 toneladas), que se encontra no depósito de Abadia de Goiás, um pequeno vilarejo nos arredores de Goiânia. A divulgação do acidente pelos meios de comunicação e aos órgãos competentes foi feita assim que se teve conhecimento do ocorrido, e a ajuda internacional tratou de enviar técnicos e estudiosos do assunto para a análise do ocorrido. A assistência prestada às vítimas seguiu normas técnicas internacionais de isolamento, tratamento e descontaminação. Técnicos monitoraram o ar atmosférico e também o ar nos locais de descontaminação, como os quartos de leitos médicos em que se encontravam as pessoas internadas. Fonte: wikimedia commons / Ycaro Gouveia Ribeiro

Os procedimentos visando acelerar a descontaminação do césio-137 foram repetidos várias vezes ao dia. Dentre eles, podemos citar que foram empregados:

Imagem 06 - Local onde moravam os catadores de lixo que encontraram o material radioativo - o Césio-137

Banhos em solução de vinagre de três a quatro vezes ao dia (o vinagre é um material abrasivo).

Outros métodos abrasivos também foram utilizados para descontaminação da pele, como aplicação de resinas de trocas iônicas, que eram colocadas em luvas e botas para descontaminação de mãos e pés.

Ingestão de solução de azul-da-prússia (ferrocianeto férrico – Fe3[Fe(CN)6]2, um quelante que forma um complexo com o césio-137, favorecendo sua eliminação pela urina. Daí a necessidade de se monitorar a concentração de césio na urina.

Ingestão de líquidos abundantes seguidos de exercícios físicos e banhos de sauna que favorecessem a eliminação pelo suor.

B20  Fissão e fusão nucleares

O relato de acontecimentos como esses levaram ao questionamento do uso das usinas nucleares e até do uso de equipamentos com material radioativo. Mas é importante lembrar que os benefícios da energia nuclear, quando usada de forma pacífica, são grandes e estão espalhados por todo o mundo. Entretanto, o século XXI vive o dilema de produzir energia a partir das usinas nucleares (16% da energia mundial, atualmente) e equipamentos usados na radiologia e ao mesmo tempo ver a tecnologia ser usada para produzir bombas nucleares de grande poder de destruição em massa por parte de países como Coreia do Norte, Índia, Paquistão, Israel e outros. 262

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação

que foi detonada a maior bomba de hidrogênio. O fato ocorreu no arquipélago de Bikini – Estados Unidos, em 1954. A bomba nuclear era centenas de vezes mais poderosa que a que destruiu Hiroshima, no Japão, em 1945. Sobre esse tipo de reação nuclear, é correto afirmar que a) é do tipo fusão. b) é do tipo fissão. c) ocorre emissão de raios alfa. d) ocorre emissão de raios beta. 02. (Unirg TO) Os reatores nucleares produzem energia a partir da fissão nuclear conforme esquema a seguir que descreve o bombardeamento do U por nêutrons. Analisando a equação que descreve essa fissão nuclear, podemos afirmar que: 235 92

U +

1 0

n →

140 56

Ba +

93 36

Kr + 3 01 n + energia

a) O Urânio 235 sofre fissão e gera dois isótonos, três nêutrons e energia. b) O Urânio 235 sofre fissão e gera dois átomos distintos, três nêutrons e energia. c) O Urânio 235 sofre fissão e gera dois isóbaros, três nêutrons e energia. d) O Urânio 235 sofre fissão e gera dois isótopos, três nêutrons e energia. 03. (Unifor CE) A principal reação que acontece no interior do Sol ocorre entre dois prótons de hidrogênio, liberando energia numa taxa extremamente lenta que não apresenta importância para produção de energia industrial (essa reação resulta em alta geração de energia no Sol devido à enorme quantidade de hidrogênio termicamente isolado existente no seu centro). Na reação de conversão, o hidrogênio na forma de deutério e trício fundem-se formando o gás nobre Hélio, liberando energia e um nêutron como produtos da reação, conforme a figura abaixo. +

Hélio 4

Deutério + +

+ + Energia

+ Trício

Nêutron (Fonte:http://www.plasma.inpe.br/LAP_Portal/ LAP_Sitio/Texto/Reacoes_de_Fusao.htm)

A reação que ocorre entre o deutério e o trício formando o hélio no texto citado acima é:

a) uma reação química. b) uma reação físico-química. c) uma reação nuclear. d) uma reação biológica. e) uma reação ecológica. 04. (Uncisal AL) A energia nuclear tornou-se conhecida durante a Segunda Guerra Mundial devido às explosões das bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki no Japão. Apesar de sua utilização para fins não pacíficos, a energia nuclear vem sendo utilizada em benefício do homem, sendo aplicada na medicina, agricultura, geologia, paleontologia etc. As principais emissões radioativas são a alfa (α), a beta (b) e a gama (g). Quanto à radioatividade, infere-se que a) quanto maior a meia-vida de um radioisótopo, mais lento será seu decaimento. b) fusão nuclear é a união de pequenos núcleos atômicos para formar um núcleo maior e mais instável. c) quando um átomo emite uma partícula beta, ele se transforma em um novo elemento com o mesmo número de massa, mas o seu número atômico diminui de uma unidade. d) a bomba de hidrogênio é um exemplo de fissão nuclear. e) a emissão de uma partícula alfa por parte do núcleo de um átomo diminui seu numero atômico de quatro unidades e seu número de massa de duas unidades. 05. (Fameca SP) Um consórcio de 12 países está construindo na França um reator de fusão nuclear. Esse reator pode ser um passo decisivo em direção à energia limpa e ilimitada. Uma reação de fusão consiste na junção de dois núcleos leves, formando um novo núcleo mais pesado, com liberação de grande quantidade de energia. A equação que representa uma fusão nuclear está corretamente escrita em: a) 147 N + 11 H → 126 C + 42He b) 12H + 13H → 42He + 01 n c) 146 C → −01 b + 14 92 N 4 231 d) 235 U → α + 92 2 90Th 235 1 95 1 e) 92U + 0 n → 38 Sr + 139 54 Xe + 2 0 n 06. (PUC Campinas SP) A bomba atômica, também chamada de bomba nuclear, tem como constituinte físsil átomos de 4 urânio-235, 235 92 U , emissores de partículas alfa ( 2 α ) . Cada átomo de U-235, ao emitir uma partícula alfa, transforma-se em outro elemento, cujo número atômico é igual a a) 231. b) 233. c) 234. d) 88. e) 90.

263

B20  Fissão e fusão nucleares

01. (UERN) No dia 26 de março deste ano, completou 60 anos

Química

Exercícios Complementares 01. (UFU MG) Considere a figura abaixo, retirada da matéria da

Com base nessas informações, analise a veracidade (V) ou a

Revista Época, de 1° de junho de 2009, sobre os testes nucleares da Coreia do Norte liderada por Kim Jong-il.

falsidade (F) das afirmativas abaixo. ( ) O trítio e o hélio-3 são isótonos entre si. ( ) O trítio transforma-se em hélio-3 pela emissão de uma partícula alfa. ( ) A partícula emitida no decaimento radioativo do trítio tem carga negativa. Assinale a afirmativa que preenche correta e respectivamente os parênteses, de cima para baixo. a) V – F – F b) F – F – V c) F – V – F

RÚSSIA

A industria da bomba Apesar da pressão internacional e de acordos financeiros em troca do fim do programa atômico. Pyongyang desenvolveu uma extensa rede nuclear

Ubggi

Região aproximada do testes

CHINA

Kllchu

COREIA DO NORTE Kumchang-ri

Enriquecimento de urânio Pesquisa e desennvolvimento

Hamhung

Kumpung-ri

Kumho-chigu

O RD MA

Pyongsong

Fronteira e zona desmilitarizada

O PÃ JA

RA MA RE LO

Yongbyon

Pyongyang

Pyongsan

O SU

EIA D

COR

Seul

Reatores Fabrica nuclear de combustível Depósito de lixo nuclear Reprocessamento nuclear Minas de urânio e processamento

Nanam

COREIA DO NORTE População 22,6 milhões População urbana 63% Expectativa de vida 63,8 anos Mortalidade Infantil 51/1000 nascidos vivos PIB per capita US$ 1.700 (R$ 3.440)

Revista Época, 01/06/2009

B20  Fissão e fusão nucleares

Sobre os fenômenos radioativos, suas aplicações e as discussões suscitadas pela polêmica em torno da provocação nuclear da Coreia do Norte nas últimas semanas, assinale a alternativa INCORRETA. a) A reação em cadeia da fissão nuclear é o processo de quebra de núcleos grandes em núcleos menores, liberando uma grande quantidade de energia. b) Nos produtos da fissão nuclear do urânio-235, é possível identificar vários isótopos pertencentes a diferentes elementos químicos que emitem radiação α, b e g . c) O lixo nuclear deve ser armazenado em recipientes de chumbo e/ou concreto e guardados em locais seguros por tempo suficiente para que a radiação caia a níveis não prejudiciais. d) Os reatores nucleares norte-coreanos produzem energia limpa e não oferecem nenhum risco ao ambiente e à população local. 02. (UCS RS) A usina nuclear de Fukushima abriga aproximadamente 400 mil toneladas de água contaminada com diversos isótopos radioativos, tais como o trítio (um isótopo do hidrogênio com número de massa igual a 3), em contêineres subterrâneos especiais. Essa água é utilizada no processo de resfriamento dos reatores danificados pelo tsunami de 2011. A transformação do trítio em hélio-3 ocorre por meio do decaimento radioativo descrito abaixo. 3 1

264

H →

3 2

He + partícula

d) V – F – V e) F – V – V 03. (UECE) A história da química nuclear toma impulso com a descoberta da radioatividade pelo físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Sobre esse importante capítulo da Química, assinale a afirmação verdadeira. a) As reações nucleares também seguem rigorosamente as leis ponderais das reações químicas. b) Na emissão de uma partícula Beta (b), o próton se converte em nêutron, diminuindo o número atômico em uma unidade. c) A energia produzida diretamente por uma reação de fissão nuclear é de natureza elétrica e é usada para suprir a demanda de eletricidade das cidades. d) A grande vantagem da fusão nuclear é que, diferentemente da fissão nuclear, ela produz energia limpa sem rejeitos radioativos. 04. (PUC RS) Uma das consequências do terremoto em Fukushima, no Japão, em março de 2011, foi o acidente em usinas nucleares. Nessas usinas, a energia é obtida a partir do bombardeamento de Urânio-235, de modo que, ao formar um núcleo instável, esse se fragmenta em dois núcleos distintos, liberando novos nêutrons que colidirão com outros núcleos sucessivamente, em uma reação em cadeia. A alta energia liberada nesse processo aquece água que vaporiza e coloca em movimento turbinas, produzindo energia elétrica. Com base nessas informações, é correto afirmar que: a) O elemento instável é o Urânio-234. b) O processo descrito é uma fissão nuclear. c) Nesse processo não há produção de radiações gama. d) A fusão do Urânio é responsável pela produção de elevada energia. e) Ao colidir o nêutron com o núcleo de Urânio, há alteração na eletrosfera desse átomo.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

239 94

Pu + 01n → 137 55 Cs +

98 39

Y + ----

a quantidade de nêutrons que completa corretamente a lacuna é a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 06. (UEFS BA) O Irã iniciou, em fevereiro de 2010, a produção de urânio enriquecido a 20%, na usina atômica de Natarz, anunciou o vice-presidente da república islâmica. A partir da análise dessas informações, é correto afirmar que: a) A proposta nuclear de enriquecimento do urânio, do Irã, tem finalidades pacíficas. b) O urânio enriquecido é utilizado como combustível porque reage com oxigênio e produz energia. c) O urânio 235 e o 238 possuem o mesmo número de nêutrons no núcleo. d) As massas molares dos fluoretos de urânio 235UF6 e 238UF6 são iguais. e) A energia nuclear é proveniente de fonte de energia não renovável. 07. (Uespi PI) O nuclídeo 131 do iodo (Z = 53), utilizado no diagnóstico de doenças da tireoide, pode ser obtido pelo bombardeio do nuclídeo 130 do telúrio (Z = 52), como representado a seguir: Te +

130 52

1 0

n  →

131 53

I + X

Nessa reação, X corresponde a: a) partícula alfa ( 42 α )

d) nêutron ( 01 n )

b) partícula beta ( −01 b )

e) pósitron ( 01 b )

1 1

c) próton ( p ) 08. (PUC Campinas SP) A Era Atômica foi marcada por várias descobertas. Entre elas, a cisão do núcleo de urânio realizada pelos físicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassman, em 22 de dezembro de 1922. A equação que representa esse processo é U + 10 n →

141 56

Ba +

92 36

Kr + 3 10 n

O número de nêutrons para o elemento urânio, nessa equação é a) 235 c) 92 e) 20 b) 143 d) 90 09. (Unifor CE) A reação de fissão do plutônio pode ser representada pela equação: 239 94

Pu +

1 0

n →

137 55

Cs +

Y +  + energia

98 39

Completa corretamente a equação: a) 5 01 n b) 5 11 p c) 5 d) 5

4 2 0 −1 0 1

e) 5 b

10. (Unesp SP) Cientistas russos conseguem isolar o elemento 114 superpesado. (Folha Online, 31.05.2006.)

Segundo o texto, foi possível obter o elemento 114 quando um átomo de plutônio-242 colidiu com um átomo de cálcio-48, a 1/10 da velocidade da luz. Em cerca de 0,5 segundo, o elemento formado transforma-se no elemento de número atômico 112 que, por ter propriedades semelhantes às do ouro, forma amálgama com mercúrio. O provável processo que ocorre é representado pelas equações nucleares: 242 94

Pu +

48 20

Ca →

a 114

X →

Y + b

286 112

Com base nessas equações, pode-se dizer que a e b são, respectivamente: a) 290 e partícula beta. b) 290 e partícula alfa. c) 242 e partícula beta. d) 242 e nêutron. e) 242 e pósitron. 11. (UFSCar SP) Físicos da Califórnia relataram em 1999 que, por uma fração de segundo, haviam produzido o elemento mais pesado já obtido, com número atômico 118. Em 2001, eles comunicaram, por meio de uma nota a uma revista científica, que tudo não havia passado de um engano. Esse novo elemento teria sido obtido pela fusão nuclear de núcleos de 86Kr e 208Pb, com a liberação de uma partícula. O número de nêutrons desse “novo elemento” e a partícula emitida após a fusão seriam, respectivamente, a) 175, nêutron. d) 176, nêutron. b) 175, próton. e) 176, próton. c) 176, beta. 12. (UFPR) Nas reações químicas ligações químicas são quebradas e novas ligações são formadas, mas, apesar de todas as modificações que podem ocorrer nas estruturas das moléculas e íons, os núcleos atômicos permanecem intactos. Nas reações nucleares, por outro lado, os núcleos sofrem alterações que envolvem energias muito maiores do que as energias das reações químicas. Esse fato justifica o interesse pelas reações nucleares como fonte de energia. As equações representam dois tipos importantes de reações nucleares: 2 I. H + 31H → 42He + X 1 235 II. U + 10n → 147 Pr + Y + 310n 92 59 Em relação às equações acima, é correto afirmar: 01. a equação química I representa uma fusão nuclear. 02. a equação química II representa uma fusão nuclear. 04. o número de massa de Y é 86. 08. na equação I está representados dois isótopos do hidrogênio. 16. o núcleo de urânio representado na equação II tem 235 nêutrons. 32. na equação I, X representa um próton. 265

B20  Fissão e fusão nucleares

05. (PUC Campinas SP) As reações nucleares das bombas atômicas são iniciadas e mantidas pelos nêutrons. Por exemplo, um núcleo de plutônio físsil, Pu, quando é atingido por um nêutron, quebra, gerando energia e outros nêutrons. Na reação de fissão de plutônio

FRENTE

QUÍMICA

Exercícios de Aprofundamento 01. (UECE) A missão Mars Science Laboratory, que chegará a Marte

sio-137 foi lançado na atmosfera. Sabendo-se que o Césio-137

em agosto deste ano, está levando consigo um robô movido a

tem tempo de meia-vida de 30 anos, depois de 90 anos, em

plutônio. Segundo a Nasa, o calor gerado pelo material nuclear

uma amostra de 1,2 g de Césio-137 na atmosfera, restam:

produz 110 watts de eletricidade, o suficiente para alimentar

a) 0,10 g

o robô. O plutônio 239 sofre decaimento de acordo com a se-

b) 0,15 g

guinte reação nuclear:

c) 0,25 g 239 94

Pu →

U + X.

235 92

No que diz respeito a X, assinale a opção correta. a) É o núcleo de um átomo que se encontra no grupo 2. b) Sua distribuição eletrônica é 1s22s2. c) Possui 4 nêutrons. d) Pode ser encontrado no grupo 18. 02. (IME RJ) Com relação às emissões radioativas observadas no planeta Terra, assinale a alternativa correta: a) A emissão de uma partícula α resulta em um elemento situado em uma posição imediatamente à direita do elemento original, na tabela periódica. b) A radiação g frequentemente acompanha uma emissão α ou b. c) Raios g são radiações eletromagnéticas, de comprimento de onda superior ao da luz visível, cuja emissão não resulta em

d) 0,30 g e) 0,35 g 05. (Unicid SP) O índio-111 é um isótopo radioativo utilizado em medicina nuclear, para o diagnóstico, por imagem, de infecções, inflamações e tromboses. Pode ser produzido em cíclotrons pela reação nuclear representada pela equação em que X representa certo núcleo atômico.

X + 11 p →

111

In + 01 n

Uma vez produzido, a radioatividade desse isótopo decresce em função do tempo, conforme mostra o gráfico.

mudanças do número atômico ou do número de massa do elemento. d) As reações de fusão nuclear ocorrem quando núcleos de átomos pesados, como urânio ou tório, são bombardeados com nêutrons, quebrando-se em átomos menores e liberando energia e radioatividade. e) O decaimento α se deve à alta instabilidade do núcleo de 4 2 He , o que faz com que esse se separe facilmente de núcleos maiores. 03. (Acafe SC) Quanto tempo levará para a atividade do radioisótopo 137Cs cair para 3,125% de seu valor inicial? Dado: Considere que o tempo de meia-vida do radioisótopo Cs seja de 30 anos. a) 150 anos b) 0,93 anos c) 180 anos d) 29 anos 137

04. (UEPA) Uma explosão na usina nuclear de Fukushima no Japão, devido a um tsunami, evidenciou o fenômeno da radiação que alguns elementos químicos possuem e à qual, acidentalmente, podemos ser expostos. Especialistas informaram que Cé266

O número de dias que mais se aproxima da meia-vida do índio-111 é a) 3. b) 4. c) 6. d) 8. e) 9. 06. (UFMT) A quantidade Q de uma substância radioativa em qualquer tempo t pode ser determinada pela equação Q(t) = Q0e−kt, onde Q0 é a quantidade inicial, ou seja, Q0 = Q(0), e k é uma constante de proporcionalidade que depende da substância. Dado que a meia-vida de uma substância radioativa é 2 horas, Q isto é, Q ( 2) = 0 , o valor de k é 2

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

b) c) d) e)

In2 2 In2 − 2 1 − In2 2 1 − + In2 2 2 In2

Continuando essa reação em cadeia, o número de núcleos de 235 U que serão fissionados no estágio 20 é: 320 − 1 2 20 b) 3 320 − 1 c) 3 2

320 + 1 2 e) 10 ( 320 + 1 )

07. (UFTM MG) Em 1947, um pastor chamado Mohamed Adh-Dhib perdeu uma cabra, que fugiu subindo um conjunto de rochas escarpadas. Após procurá-la sem êxito, Adh-Dhib sentou-se para descansar e acabou descobrindo uma caverna estreita de onde, no dia seguinte, com a ajuda de um amigo, retirou um conjunto de pergaminhos que viriam a ser conhecidos como os “Manuscritos do Mar Morto”. (Química Nova na Escola.)

Uma amostra do pergaminho foi submetida à técnica de datação por decaimento radioativo do carbono-14. A atividade: (A) do carbono-14 nos manuscritos foi de 11 dpm/g (dpm = desintegração por minuto). A atividade (A0) do carbono-14 no tecido vivo é de 14 dpm/g.

 A Dados: ln   =-kt ,  A0  onde ln 11 = 2,40, ln 14 = 2,64 e k = 1,2 × 10–4 ano–1 Utilizando a equação dada, a idade dos pergaminhos é, aproximadamente, a) 500 anos. b) 1 000 anos. c) 1 500 anos. d) 2 000 anos. e) 3 000 anos. 08. (UEL PR) Sobre a reação em cadeia, considere que a cada processo de fissão de um núcleo de 235U sejam liberados três nêutrons. Na figura a seguir está esquematizado o processo de fissão, no qual um nêutron N0 fissiona um núcleo de 235U, no estágio zero, liberando três nêutrons N1. Esses, por sua vez, fissionarão outros três núcleos de 235U no estágio um, e assim por diante. Estágio um

Estágio zero N1 N0 N1

235

U N1

09. (Uerj RJ) Em um reator nuclear, a energia liberada na fissão de 1 g de urânio é utilizada para evaporar a quantidade de 3,6 x 104 kg de água a 227 oC e sob 30 atm, necessária para movimentar uma turbina geradora de energia elétrica. Admita que o vapor d’água apresenta comportamento de gás ideal. O volume de vapor d’água, em litros, gerado a partir da fissão de 1 g de urânio, corresponde a: a) 1,32 x 105 b) 2,67 x 106 c) 3,24 x 107 d) 7,42 x 108 10. (Unifesp SP) 60 anos após as explosões das bombas atômicas em Hiroshima e Nagasaki, oito nações, pelo menos, possuem armas nucleares. Esse fato, associado a ações terroristas, representa uma ameaça ao mundo. Na cidade de Hiroshima foi lançada uma bomba de urânio-235 e em Nagasaki uma de plutônio-239, resultando em mais de cem mil mortes imediatas e outros milhares como consequência da radioatividade. As possíveis reações nucleares que ocorreram nas explosões de cada bomba são representadas nas equações: 235 92 239 94

U Pu

+ +

n n

→ →

142 z

97 39

91 36

A 55

Kr Cs

Nas equações, z, X, A e o tipo de reação nuclear são, respectivamente, a) 52, Te, 140 e fissão nuclear. b) 54, Xe, 140 e fissão nuclear. c) 56, Ba, 140 e fusão nuclear. d) 56, Ba, 138 e fissão nuclear. e) 56, Ba, 138 e fusão nuclear. 11. (Unirio RJ) Nos produtos de fissão do urânio-235, já foram identificados mais de duzentos isótopos pertencentes a 35 elementos diferentes. Muitos deles emitem radiação α, b e λ, representando um risco á população. Dentre os muitos nuclídeos presentes no lixo nuclear, podemos destacar o 137Cs (Césio 137), responsável pelo acidente ocorrido em Goiânia. Partindo do I137, quantas e de que tipo serão as partículas radiativas emitidas até se obter o Cs 137? a) 1 partícula b b) 1 partícula α c) 2 partícula b d) 2 partícula α e) 2 partícula λ 267

FRENTE B  Exercícios de Aprofundamento

FRENTE

QUÍMICA Por falar nisso A história relata que a civilização já viveu a Era da Pedra Lascada, a Era da Pedra Polida, a Era dos Metais e vários outros períodos que ficaram caracterizados pelo domínio de determinado material como dispositivo de conforto para o ser humano. Obedecendo a esse raciocínio, podemos dizer que estamos vivendo a Era dos Plásticos, ou melhor, a Era dos Polímeros. Não é preciso nem sair do ambiente em que estamos (sala de aula ou mesmo em casa) para percebermos a enorme quantidade de dispositivos de uso diário cuja composição é polimérica. Se você estiver em uma sala de aula, identifique alguns objetos, como por exemplo, o interruptor, o cesto de lixo, o saco de lixo, as cortinas de persiana, o assento da cadeira, o revestimento em fórmica da lousa, a caneta esferográfica, a lapiseira, a borracha, a mochila, as nossas roupas e até nós mesmos somos estruturas poliméricas. E de maneira geral, esses materiais, em maior ou menor grau, a participação de plásticos. . Contudo, o descarte inadequado desses materiais tem causado grandes impactos ambientais. Cerca de um terço do lixo doméstico é composto por embalagens. E desse total, 80% dessas embalagens são descartadas após usadas apenas uma vez. Como nem todas seguem para reciclagem, este volume ajuda a superlotar os aterros e lixões, exigindo novas áreas para depositarmos o lixo que geramos. Isso quando os resíduos seguem mesmo para o depósito de lixo. E nesse sentido, os impactos ambientais são enormes. Na imagem de abertura dessa página, vemos garrafas plásticas de uso doméstico no centro de reciclagem na província de Karasin, Tailândia, em 2 de março de 2016. Nas próximas aulas, estudaremos os seguintes temas

C17 C18 C19 C20

Polímeros ...................................................................................270 Polímeros de adição ...................................................................279 Copolímeros................................................................................290 Polímeros de condensação.........................................................294

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C17

ASSUNTOS ABORDADOS n Polímeros n Plásticos n Classificação dos polímeros

#Conceito Polímeros são macromoléculas obtidas a partir de unidades formadoras ou monômeros.

Figura 01 - Diferentes tipos de polímeros são utilizados na produção de tecidos sintéticos.

270

POLÍMEROS É impressionante o emprego diário dos polímeros em nossas vidas. Da sacola descartável de supermercado ao sofisticado painel de controle de um avião, os polímeros estão sempre presentes. Tudo isso porque, com o desenvolvimento tecnológico, houve a produção de uma grande variedade desses materiais, já que os polímeros apresentam excelentes propriedades térmicas, mecânicas, ópticas, elétricas, superabsorventes etc. O que fariam os pais do século XXI se não houvesse fraldas que suportassem os xixis dos bebês sem vazamentos? Pediriam fraldas de pano? Creio que não! Pediriam fraldas descartáveis como as atuais. O que grande parte dos pais não sabe é que as fraldas descartáveis são constituídas de polímeros, na maioria polímeros plásticos.

Plásticos Os plásticos são os polímeros mais conhecidos. Sem dúvida alguma, dificilmente teríamos o conforto que temos se os plásticos não estivessem presentes em nossa vida cotidiana. Diariamente, vemos que os polímeros vieram para substituir praticamente tudo. Um bom exemplo é a substituição das garrafas de vidro por garrafas de plásticos. Se há vinte anos pedíssemos em um armazém uma garrafa PET de refrigerante, garanto que o pedido causaria estranhamento em todos. Hoje, o PET é sinônimo de embalagens de refrigerante. Mas, o PET é utilizado apenas nas garrafas de refrigerantes? Ou o PVC apenas para se produzirem tubulações utilizadas na construção civil? Claro que não! Um polímero tem diversas aplicações e não é diferente com o PET e com o PVC.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Regras ABNT de identificação Para facilitar o reconhecimento dos polímeros plásticos, a ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – determinou que cada tipo de plástico recebesse uma numeração específica. Esse número deve ser escrito dentro de um triângulo que simboliza a reciclagem do material. Você é capaz de identificar esse triângulo na maioria dos dispositivos plásticos. Normalmente, ele é impresso em alto relevo na porção inferior do recipiente. No caso das garrafas e dos copos, é comum esse símbolo estar no fundo do recipiente. As embalagens de PET são identificadas pelo número 1; já as de PVC, pelo número 3, e as de polipropileno (PP), pelo número 5.

1 No quadro abaixo, temos os principais números utilizados pela indústria brasileira na identificação das embalagens plásticas. Número

Sigla

Significado

PET

Polietilenotereftalato

PEAD

Polietileno de alta densidade

PVC

Policloreto de vinila

PEBD

Polietileno de baixa densidade

Polipropileno

Poliestireno

Outros

O uso dos plásticos parece infinito e é exatamente esse uso exagerado que tem causado sérios danos ao ambiente. Os plásticos são macromoléculas de arranjos organizados e demoram dezenas ou até centenas de anos para se decompor. Daí o grande impacto ambiental gerado por esses materiais quando lançados na natureza. Acredita-se que os resíduos plásticos representem, atualmente, cerca de 20% do total do volume dos resíduos dos lixões. Outro problema causado pelos plásticos é que, em alguns casos, eles são incinerados e, durante a queima, são produzidas e liberadas várias substâncias tóxicas. Reciclagem dos plásticos C17  Polímeros

A reciclagem pode ser empregada desde que se faça a separação dos diferentes materiais plásticos descartados a partir de uma coleta seletiva. Por isso, é muito importante o entendimento das propriedades físico-químicas dos plásticos. A diferença de densidade, a condutividade térmica, a temperatura de amolecimento, por exemplo, podem ser empregadas para separá-los. 271

Química

A composição dos lixos plásticos pode variar nos lixões, dependendo de cada região, até porque os plásticos utilizados em um grande centro urbano são relativamente diferentes em termos de quantidade e diversidade quando comparados aos plásticos utilizados em uma pequena cidade do interior. De maneira geral, a distribuição média percentual, em massa, dos lixões segue o que é mostrado no quadro abaixo.

Papel/ papelão 28%

Outros materiais 6%

Material Orgânico 52%

Vidro Metal 3% Plás co 5% 6%

Basicamente, podemos utilizar quatro tipos diferentes de reciclagem dos plásticos: primária, secundária, terciária e quaternária. Reciclagem primária A reciclagem primária é muito utilizada nas próprias indústrias de produção. Esse tipo de reciclagem consiste no reaproveitamento de peças defeituosas, aparas e outras peças que seriam descartadas pelo controle de qualidade da indústria. Reciclagem secundária ou mecânica Figura 02 - Indústria de reciclagem de plástico. A reciclagem diminui de forma significativa os impactos ambientais decorrentes do descarte inadequado desses e de outros materiais.

No caso da reciclagem secundária, ela é empregada a partir da seleção e da separação dos plásticos. Normalmente esse trabalho é feito por catadores ou então na própria indústria de reciclagem. Depois de separados adequadamente, os resíduos plásticos são transformados em pequenos grânulos que podem ser reutilizados na produção de materiais como pisos, mangueiras, sacos de lixo, lonas, fibras, componentes de carros etc. Reciclagem terciária ou química

C17  Polímeros

A reciclagem terciária consiste no reprocessamento dos plásticos já utilizados. A técnica transforma o polímero em monômeros que poderão ser utilizados como matéria-prima nas refinarias ou na indústria petroquímica. Trata-se de uma técnica importante, pois permite a produção de plásticos novos com a mesma qualidade de um polímero original.

272

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Reciclagem quaternária A reciclagem quaternária é importante na produção de energia a partir da queima dos resíduos plásticos. Daí sua diferenciação de uma simples queima, pois é utilizada como combustível na geração de energia elétrica. A energia contida em 1 kg de plástico equivale à energia contida em 1 kg de óleo combustível.

Classificação dos polímeros De maneira geral, podemos classificar os polímeros quanto à origem, à fusibilidade e ao método de obtenção. Quanto à origem Polímeros naturais Tal como os materiais que se obtêm diretamente da natureza são designados por materiais naturais, os polímeros podem ser obtidos diretamente da natureza. Nesses casos, os polímeros são denominados de polímeros naturais. São exemplos de polímeros naturais o látex extraído da árvore hévea brasilienses (seringueira), a celulose extraída da madeira, o amido, o algodão, as proteínas etc.

Figura 03 - Processo natural de extração de látex a partir da seringueira.

Polímeros artificiais Denominamos de polímeros artificiais ou semissintéticos aqueles que são obtidos por meio de manufaturas de produtos naturais. O látex extraído da seringueira, por exemplo, é um polímero natural. Contudo, ao ser vulcanizado, (reação com o enxofre) o látex dá origem a um polímero de maior resistência. Polímeros sintéticos

C17  Polímeros

Os polímeros sintéticos são aqueles que não existem na natureza. Portanto, são produzidos em laboratórios por meio de reações químicas. Esses polímeros podem ser divididos em duas classes que levam em consideração as propriedades térmicas e mecânicas. Quanto às propriedades térmicas, podem ser termoplásticos ou termofixos; quanto às propriedades mecânicas, podem formar os elastômeros. Contudo, também existem elastômeros de origem natural. Nesta aula, trataremos apenas dos elastômeros sintéticos. 273

Química

Os elastômeros possuem elevado grau de elasticidade. Portanto, deformam-se quando submetidos a uma tensão. Ao cessar a tensão, os polímeros retornam ao formato original. Essa propriedade decorre do formato das cadeias dos polímeros, ou seja, uma estrutura macromolecular composta por cadeias longas, enroladas e torcidas entre si, conferindo-lhes flexibilidade. Quanto à fusibilidade Em relação à fusibilidade, os polímeros são ditos termoplásticos ou termofixos. Essa propriedade está relacionada com a capacidade de sofrer fusão e, em seguida, ser solidificado com ou sem a perda significativa de suas propriedades fundamentais. Polímeros termoplásticos Os polímeros termoplásticos são aqueles que admitem mudanças de estado físico por aquecimento. Podem ser fundidos e solidificados várias vezes sem perda significativa de suas propriedades. As macromoléculas são lineares ou ligeiramente ramificadas e a coesão entre as cadeias é feita por interações fracas.

C17  Polímeros

Alguns polímeros termoplásticos

274

Sigla

Nome

Utilizados em

PET

Polietilenotereftalato

Embalagens, carpetes etc.

PVC

Policloreto de vinila

Tubos, isolação de cabos elétricos e filmes de revestimentos.

Polietileno

Filmes para embalagens e artigos domésticos.

Polipropileno

Filmes para embalagens, artigos domésticos e indústria automobilística.

ABS

Acrilobuteno

Eletrodoméstico e indústria automobilística.

PMMA

Polimetil-metacrilato ou acrílico

Polímero cristalino usado em várias aplicações.

Policarbonato

Vidros blindados, faróis de automóveis e indústria aeronáutica.

Poliamidas (Nylon)

Plástico de engenharia - alta resistência mecânica e à temperatura.

POM

Poliacetal (Delrin)

Plástico de engenharia - polímero lubrificante.

PTFE

Politetrafluoretileno (Teflon)

Baixas características mecânicas,elevada resistência térmica e características lubrificantes.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Polímeros termofixos Por outro lado, os polímeros termofixos não mudam de estado mesmo quando aquecidos em elevadas temperaturas. São formados por estrutura molecular ramificadas e/ou tridimensionais e a coesão intermolecular é garantida por ligações químicas fortes, denominadas de reticulações. Na maioria das vezes, ao serem aquecidos, esses polímeros entram em combustão, mas não sofrem fusão. Em função dessas propriedades, alguns polímeros são utilizados como isolantes térmicos. O Kevlar®, por exemplo, é um isolante que suporta temperaturas de até 1000 oC por até oito segundos, sem sofrer decomposição ou combustão. Daí o grande uso do Kevlar® como isolante térmico, por exemplo na confecção de roupas de bombeiros.

Figura 04 - Bombeiro combatendo incêndio em Melborne, na Austrália. Um dos componentes das roupas desse profissional é o Kevlar® e sua principal função é contribuir no isolamento térmico.

Alguns polímeros termofixos Designação

Utilizados em

Poliéster insaturado

Plástico reforçado com fibra de vidro.

Epóxi

Plástico reforçado com fibra de vidro.

Fenólicas

Adesivos para abrasivos e rebolos, resinas para fundição, espumas isolantes antichama, Bakelite®.

Melamínicas

Laminados decorativos, tintas de alta resistência.

Poliuretanos

Espuma isolante, revestimentos anticorrosivos.

Poli-isocianurato

Espumas isolantes.

C17  Polímeros

Quanto ao método de preparação Quanto ao método de obtenção, podemos classificar os polímeros em polímeros de adição e copolímeros. Os polímeros de adição ainda podem ser classificados em polímeros de adição comum e polímeros de adição 1,4. Já os copolímeros são divididos em copolímeros comuns e copolímeros de condensação. 275

Química

Exercícios de Fixação 01. A borracha natural, que é obtida a partir do látex extraído da seringueira, apresenta baixa elasticidade, tornando-se quebradiça ou mole conforme a temperatura. Entretanto, torna-se mais resistente e elástica quando é aquecida juntamente com compostos de enxofre. Esse processo de acréscimo de enxofre à borracha é chamado de vulcanização. Quanto a origem, o polímero de borracha obtido no processo de vulcanização é classificado como de a) sintético. b) eliminação. c) vulcanização. d) polimerização. e) semissintético.

H2 C

H2C H

H2C

C17  Polímeros

03. (Uesc BA) O lixo urbano é constituído principalmente de restos de alimentos, de papel, de papelão, de plásticos, de vidros e de metais, dentre outros itens. A composição do lixo reflete os hábitos de pessoas de determinados grupos sociais. A coleta seletiva é uma forma de o cidadão contribuir para diminuir os impactos do lixo sobre o ambiente e melhorar a saúde da coletividade Para a sociedade de consumo, os processos de reciclagem de materiais destinados aos lixões são importantes do ponto de vista socioeconômico e ambiental, porque a) os materiais descartados e depositados nos lixões, após a coleta seletiva, contribuem para diminuir o volume do lixo depositado nos aterros sanitários. b) a matéria orgânica, como papelão e restos de vegetais, leva muito tempo para ser biodegradada, a exemplo de borracha e de garrafas PET. c) a produção de metais, como o ferro e o alumínio, a partir de seus minerais, tem menor custo do que a reciclagem. d) a indústria de reciclagem gera emprego e renda para toda a sociedade. e) os plásticos e os vidros são decompostos rapidamente por bactérias. 04. 04. (UFG GO) Os plastificantes pertencem a uma classe especial de aditivos que podem ser incorporados à resina de PVC de modo a gerar materiais flexíveis. Abaixo são mostrados dois esquemas para as cadeias de PVC, sem e com o plastificante tipo ftalato, respectivamente:

276

H2C C

H H 2C

esquema 01 R O

H2 C H

H2 C

H2C

02. (UFPI) Sobre os polímeros sintéticos, podemos afirmar que a) são formados por unidades repetidas de monômeros. b) são misturas de substâncias de alta massa molar. c) são obtidos por adição de monômeros vinílicos. d) apresentam uma massa molar definida. e) podem ser extraídos da natureza.

H 2C

H2C

H R

H2 C

esquema 02

De acordo com os esquemas apresentados, pode-se afirmar que a função do plastificante é a) reduzir o grau de polimerização. b) aumentar a ramificação do PVC. c) minimizar o impedimento estérico. d) atenuar as ligações dipolo-dipolo entre as cadeias poliméricas. e) aumentar a interação eletrostática entre os átomos de C de uma camada e o de H de outra camada. 05. (UCS RS) Hoje em dia, a maior parte dos produtos comercializados utiliza embalagens plásticas. A difusão dessas embalagens trouxe uma série de facilidades à nossa vida. O aumento na produção industrial, por outro lado, tem provocado sérios problemas ambientais, como, por exemplo, o crescimento do volume de lixo doméstico. Os plásticos a) são, na sua grande maioria, biodegradáveis em curto período de tempo. b) têm como única fonte de matéria-prima o petróleo. c) como o PE e o PET são normalmente utilizados na fabricação de sacolas plásticas de supermercado e de garrafas de refrigerante, respectivamente. d) são obtidos pela quebra de moléculas de massa molar elevada, denominadas monômeros. e) são geralmente difíceis de serem moldados porque as ligações intermoleculares são fortes e não podem ser rompidas com o aquecimento.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

Considerando-se esse tipo de embalagem e os materiais que a constituem, é INCORRETO afirmar que a) o polietileno é um plástico. b) a embalagem impede a redução, pelo ar, das vitaminas C e D dos alimentos. c) um minério é insumo para a produção do alumínio. d) a madeira é insumo para a produção do papel. 02. (UFG GO) A figura abaixo representa o comportamento obtido por três polímeros.

Tensão

B C

Deformação

Com base na análise desse comportamento, o(s) elastômero(s) pode(m) ser representado(s) por a) A b) B c) C d) A e B e) B e C 03. (UEL PR) O teflon [ ̶ CF2 ̶ CF2 ̶ ]n é um polímero de alto peso molecular que possui aplicação tecnológica muito abrangente na sociedade moderna em função de suas propriedades de baixo coeficiente de atrito, baixa aderência, alta inércia química e por não apresentar ponto de fusão (amolece acima de 350 °C). É aplicado em ceras, lubrificantes, tintas, frigideiras antiaderentes e como revestimento anticorrosivo, em diversas situações, na indústria. Essas propriedades podem ser explicadas pela análise do tipo de suas ligações químicas e pelas propriedades dos átomos envolvidos. Com base no texto e nos conhecimentos sobre o tema, é correto afirmar. a) A propriedade antiaderente pode ser justificada pela presença de átomos de flúor por toda a cadeia polimérica, que

são átomos relativamente pequenos e com o valor mais alto de eletronegatividade da tabela periódica. b) Sendo o flúor um átomo relativamente pequeno, ele pode escorregar facilmente entre as engrenagens, diminuindo o coeficiente de atrito. c) O teflon não funde, apenas amolece, devido à força da ligação iônica entre os átomos de flúor e carbono. d) O teflon possui grande inércia química devido ao fato das ligações químicas envolvidas em sua molécula serem muito fracas. e) O teflon não apresenta interações tipo van der Waals entre suas moléculas por não apresentar hidrogênio em sua molécula. 04. (PUC Campinas SP) Em qual das afirmações abaixo está ERRADAMENTE mencionada a utilização de compostos orgânicos no cotidiano? a) Óleos e gorduras comestíveis são triésteres do glicerol. b) Filmes de PVC policloreto de vinila, são empregados em embalagens de alimentos. c) Sacarose e glicose são carboidratos empregados como adoçantes. d) Os ácidos cítrico e acético são empregados na alimentação. e) Em dietas que proíbem o consumo do cloreto de sódio, ele é substituído por sais sódicos e ácidos graxos. 05. (UEFS BA) Sacos e sacolas plásticos se tornaram um dos maiores vilões do dia a dia do brasileiro. Cada vez mais são consumidos e descartados, mesmo com uma única vez de uso, sendo jogados em lixões, nos campos, nos rios, manguezais e no mar, causando prejuízos ao ambiente. Entretanto, o material utilizado na fabricação de sacolas biodegradáveis se decompõe em um período de 40 a 120 dias pela ação de micro-organismos. Tendo em vista essas considerações a respeito dos materiais utilizado na fabricação de sacolas, é correto afirmar. a) O polietileno “verde” é o material mais adequado para a fabricação de sacolas plásticas porque é totalmente biodegradável. b) O PVC é o material mais indicado para a confecção de sacolas e de sacos plásticos porque é bastante resistente. c) A decomposição anaeróbica de sacolas de polietileno “verde” e de origem petroquímica produz metano e outros gases. d) As sacolas feitas de fibras de algodão e de papel, ao serem descartadas nos lixões, levam mais de cem anos para degradarem. e) As fibras de náilon e de politereftalato de etileno utilizadas na fabricação de sacos e de sacolas plásticas são biodegradáveis quando em contato com o solo.

277

C17  Polímeros

01. (UFMG) A embalagem conhecida como- longa vida- é composta por várias camadas de três diferentes materiais: papel, polietileno de baixa densidade e alumínio. Essas camadas criam uma barreira que impede a entrada de luz, ar, água e microrganismos.

Química

06. (FGV SP) Para cumprirem a função de reter grande quantidade de água, as fraldas descartáveis são confeccionadas com um polímero superabsorvente, que contém grande quantidade de íons carboxilato. A capacidade de retenção deve-se em parte às forças intermoleculares entre os grupos carboxilatos e a água. A interação mais forte que ocorre entre essas moléculas é do tipo: a) dispersão de London-dipolo permanente. b) ligações de hidrogênio. c) ligações iônicas. d) íon-dipolo permanente. e) dipolo permanente-dipolo permanente.

C17  Polímeros

07. (UPE PE) Analise as afirmativas abaixo referentes aos polímeros e às substâncias usadas como material de limpeza e conclua. 00. A celulose, um dos polímeros da glicose, é um polissacarídeo de importância fundamental para a estrutura de suporte das plantas bem como pode ser usada na indústria para a produção de papel. 01. O amido é um polissacarídeo encontrado facilmente, em raízes, grãos, tubérculos, como a mandioca, podendo, industrialmente, ser obtido a partir da batata como matériaprima. 02. Uma das características do sabão reside no fato de ele ser formado por uma cadeia carbônica longa, fortemente polarizada que facilita a sua solubilização em gorduras ou óleos. 03. A importância ambiental dos detergentes biodegradáveis reside no fato de que eles não produzem muita espuma no leito dos rios e, em consequência, causam poucos prejuízos ambientais à flora e fauna aquáticas. 04. Os polímeros PVA e PVC, formados pelo mesmo monômero, são muito utilizados na fabricação de colas, tintas, tubos para encanamento e em tantas outras utilidades do nosso dia a dia. 08. (Unimontes MG) A solução ideal para a despoluição do meio ambiente seria a desintegração dos produtos descartados em partículas incorporáveis ao solo. A reciclagem, entre outras, consiste na versão tecnológica adequada para o descarte dos resíduos pós-consumo. A reciclagem energética quaternária consiste na incineração dos resíduos plásticos, misturados ou não a outros componentes que podem ser um combustível fóssil ou parte de lixo urbano descartados, sendo a energia recuperada. Já a reciclagem terciária, transforma os refugos plásticos em produtos químicos úteis. Em relação à reciclagem, é INCORRETO afirmar que a) a recuperação do valor comburente dos materiais poliméricos se realiza quando esses materiais são utilizados como combustíveis ou quando são usados para gerar vapor ou energia. b) o valor comburente ou combustível do lixo depende muito da composição dos seus materiais constituintes ou mesmo da umidade atmosférica. c) o poliestireno é o plástico mais indicado para uma reciclagem energética, por ser possível uma recuperação de seus monômeros de baixa massa molecular. 278

d) os refugos plásticos contaminados com outros materiais se acumulam no meio ambiente, graças à sua relativa inércia à degradação ambiental. 09. (UEFS BA) Uma série de iniciativas aponta para investimentos em novas tecnologias de transformação de resíduos, de modo que sejam criados novos produtos com grande valor de mercado e aplicação nobre. O papel de plástico, produzido pela maior processadora de polipropileno da América Latina, é 100% feito com material reciclável, como aparas plásticas de filmes para embalagem de alimentos. Não rasga, não molha, não desbota e absorve 20% menos tinta na impressão. A concepção de novas tecnologias de transformação de resíduos, como a de desenvolvimento do papel de plástico, aponta para a) a sustentabilidade do processo de aproveitamento de resíduos de polipropileno, porque diminui o envio desse material aos aterros e aos lixões. b) a formação de ligação de hidrogênio da água com as cadeias carbônicas de polipropileno, o que aumenta a durabilidade do material. c) a reciclagem por tempo indeterminado do papel de plástico, mais resistente que o de polpa de madeira. d) o desbotamento como forma de oxidação completa de cadeias de polipropileno do papel de plástico. e) a redução da exploração de recursos materiais de origem fóssil não renovável, como o petróleo. 10. (Udesc SC) Plastificantes são substâncias usadas para dar maleabilidade e flexibilidade a alguns produtos plásticos, incluindo o filme de poli(cloreto de vinila) – PVC, bastante conhecido nas cozinhas e muito utilizado para embalar alimentos, mas também se estendendo a outros produtos plásticos que necessitem maleabilidade. Entre os plastificantes utilizados destacam-se o adipato de di(2-etil-hexila) e uma série de compostos denominados de ésteres de ftalato, como exemplo o ftalato de di(2-etil-hexila). Tais compostos são considerados carcinogênicos, além de, potencialmente, serem a causa de problemas no sistema reprodutivo em animais. Com relação às informações acima, analise as proposições. I. A migração de plastificantes/ftalatos para alimentos embalados com estes produtos é dificultada pela presença de gordura, a exposição à alta temperatura e ao longo tempo, devido à lipofilicidade desses compostos. II. Os plastificantes citados são ésteres, produtos da reação entre di-ácidos ou anidridos de ácidos orgânicos com álcoois, como o 2-etilhexanol. III. Os ésteres estão sujeitos à hidrólise alcalina, gerando como produtos um álcool e um sal correspondente ao ácido orgânico precursor. Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas II e III são verdadeiras. b) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras. c) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras. d) Somente afirmativa I é verdadeira. e) Todas as afirmativas são verdadeiras.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C18

POLÍMEROS DE ADIÇÃO Um polímero é uma substância macromolecular constituída por unidades estruturais repetitivas, unidas entre si por ligações covalentes. Em alguns casos, as ligações conduzem a uma cadeia linear, com ou sem ramificações e, em outros, a cadeias ligadas entre si, formando estruturas tridimensionais. Frequentemente, o número dessas unidades repetitivas atinge os milhares. Essas unidades que se repetem são conhecidas como meros ou unidades monoméricas. No entanto, existem polímeros que não possuem massa molecular muito elevada. Esses polímeros são chamados oligômeros. O número de meros na cadeia polimérica é chamado grau de polimerização. Por via de regra, é simbolizado pela letra n. O produto do grau de polimerização n e da massa molecular da unidade monomérica (Mu) é a massa molecular do polímero, como indica a equação abaixo:

ASSUNTOS ABORDADOS n Polímeros de adição n Polímeros de adição comum n Polietileno: PE n Policloreto de vinila: PVC n Polipropileno: PP n Poliestireno: PS n Teflon: PTFE n Polímeros superabsorventes n Polímeros de adição - 1,4 n Polibutadieno n Polineopreno

Mpolímero = nMu

Quando existem tipos diferentes de meros na composição do polímero, este é designado copolímero. Se, no entanto, existirem três meros formando o polímero, pode-se chamá-lo de terpolímero. Já os polímeros que possuem somente um tipo de mero, podem ser chamados de homopolímeros. Nesta aula, estudaremos os polímeros de adição comum, que são homopolímeros, pois apresentam um único tipo de mero na estrutura.

Fonte: wikimedia commons

Figura 01 - Diferentes materiais produzidos à base de PVC (policloreto de vinila).

279

Química

Polímeros de adição comum Como vimos no módulo anterior, hoje em dia, vivemos na chamada “era dos polímeros”, uma vez que fica difícil imaginar a vida sem os fantásticos plásticos, borrachas e fibras que nos proporcionam conforto. Desde o momento em que acordamos até a hora em que vamos dormir, deparamo-nos com artefatos poliméricos: colchão, escova de dente, embalagens, CDs, cartões de crédito, roupas, cadeiras. Portanto, é evidente que os polímeros têm destaque em nossa vida. A seguir, estudaremos alguns polímeros denominados polímeros de adição comum. Polietileno: PE Quando estudamos as reações de adição em alcenos, nos embasamos na quebra de uma ou mais ligações pi com posterior adição de uma substância. Por exemplo, o gás hidrogênio é adicionado ao eteno na presença de catalisador metálico para formar um alcano: Ni = H2C CH2 + H2  →H3C − CH3 D

#Conceito Polimerização é um termo criado por Berzelius em 1827 e refere-se a processos reacionais em que monômeros são unidos para formar moléculas de massa molar muito alta.

Um fato interessante é que não podemos adicionar o alcano a si mesmo para formar uma molécula maior. O processo é finalizado com a produção do alcano, cujo número de átomos de carbono é igual ao número inicial de átomos de carbono do alceno. Entretanto, se a quebra da ligação pi do alceno (eteno) for feita na ausência de reagentes, como o hidrogênio, o produto obtido não será o etano. Em condições adequadas de temperatura, pressão e catalisadores, os alcenos podem ser adicionados a si mesmos, formando moléculas maiores, ou seja, macromoléculas. Essa reação é denominada polimerização. O exemplo mais simples de polimerização por adição é realmente a do etileno na formação do polietileno. O processo consiste na abertura da dupla ligação em cada uma das moléculas de etileno, formando radicais bivalentes (radicais etileno). Uma vez formado, o radical utiliza os elétrons para formar novas ligações C–C com outros radicais etileno. H C H

H C

P Catalisador

radical hex-1-6-dil

A união dos três radicais provenientes da quebra das ligações pi nas três moléculas de etileno produz um radical com seis átomos de carbono – um trímero. As valências livres ainda presentes nos carbonos terminais são finalizadas ao ligarem-se com átomos de hidrogênio ou qualquer outro átomo, de forma que os carbonos terminais fiquem com quatro ligações.

C18  Polímeros de adição

No exemplo acima, utilizamos três moléculas de eteno para formar o hexano. Note que há uma repetição da estrutura – H2C – CH2 – que é finalizada com novas ligações terminais. Imagine, agora, que tenhamos utilizado um número muito grande de moléculas de eteno durante o processo de quebra – n moléculas. A quantidade de radicais

280

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

etileno formada também será muito grande – n radicais. A união desses n radicais H H e, H H posterior finalização das duas valências livres, formará uma macromolécula denomina P C C C C n Catalisador da polímero do eteno ou do etileno. H H H

H C

n H

Catalisador

A letra n é um número muito grande, podendo variar de centenas a milhares de moléculas.

A letra n é um número muito grande,

Aparentemente, do polietileno é simples, mas somente depois de anos podendo variar a deobtenção centenas a milhares de moléculas. de pesquisas e a contribuição de vários cientistas é que as condições de pressão, catálise e temperatura foram estabelecidas. O polietileno é um material de grande importância industrial, sendo usado na produção de filmes, embalagens, garrafas etc. Policloreto de vinila: PVC Quando compramos uma porção de queijo para o café da manhã e o funcionário o enrola em um filme plástico, talvez não imaginemos que o plástico utilizado seja de PVC. Na verdade, o uso do PVC em nosso cotidiano é muito grande: encanamentos; filmes transparentes para empacotamento de carnes, verduras e outros alimentos; mangueiras; coberturas plásticas (couro de vinila) etc. Em aterros sanitários municipais, os filmes de PVC são bastante encontrados, o que reflete o grande uso desse polímero. Um fato preocupante é que o PVC é um material de baixa estabilidade à luz e ao calor. À temperatura de 130 oC, o PVC sofre degradação, liberando o HC, que é bastante tóxico. Além das propriedades tóxicas, o HC também altera as propriedades mecânicas de outros polímeros. Se não for coletado separadamente, por exemplo, o PVC presente nas reciclagens de plásticos gera a quebra da cadeia do PET durante o aquecimento, ou seja, ocorre liberação do HC durante o processo de reciclagem dos plásticos. Daí a importância industrial da coleta seletiva seguida de separação dos diversos tipos de plásticos. O preparo do PVC também ocorre via polimerização radicalar, utilizando catalisadores do tipo peróxido como iniciadores do processo. A massa molecular média do PVC é superior a 1,5 milhão. É um material duro, de estrutura molecular bastante regular, porém quebradiço. H

H C

C n

Peróxidos

Outro fato interessante é que o PVC pode ser amolecido pela adição de substâncias como os ésteres de ácidos carboxílicos. Esses aditivos são denominados de plastificantes. Um cano de PVC quando preparado na presença de materiais plastificantes tem aumento de flexibilidade. As mangueiras de jardim, por exemplo, são plásticos obtidos na presença de plastificantes. O amolecimento do polímero se dá por interferência no sistema de forças intermoleculares. A presença do material plastificante diminui as interações entre as cadeias poliméricas.

#Conceito Plastificantes são materiais que mudam a rigidez dos polímeros, tornando-os mais flexíveis.

281

C18  Polímeros de adição

Cloroeteno

Química

Polipropileno: PP O uso exagerado dos polímeros tem produzido grandes impactos ambientais. Entretanto, em alguns casos, os polímeros são utilizados a favor da natureza. O polipropileno ou PP, como é conhecido, é um bom exemplo disso. Os grandes derramamentos de óleos nos mares e oceanos só não têm causado danos ainda maiores por causa do polipropileno. Também chamado Elastol, o polipropileno mostrou-se eficiente no tratamento desses derramamentos. Quando ocorre um acidente com óleo em meio marinho, imediatamente, pulveriza-se o polipropileno (PP) sobre o óleo. As cadeias poliméricas, normalmente enroladas umas nas outras, estendem-se e misturam-se com o óleo. Devido às semelhanças nas forças intermoleculares, os dois materiais formam uma película semelhante a um tapete de alta viscosidade que pode ser arrastado e retirado do meio marinho.

Fonte: wikimedia commons

A importância dessa técnica está na diminuição dos impactos ambientais e na recuperação posterior do petróleo, que pode ser separado do polipropileno. O Elastol ou PP pode absorver até 100 vezes o seu volume em petróleo de peso médio ou petróleo pesado.

Figura 02 - Uso do Elastol para minimizar os danos causados pelo derramamento de petróleo.

A produção do polipropileno pode ser feita por via eletrófila e também por via radicalar. Em condições adequadas de temperatura, pressão e catalisadores eletrófilos, os monômeros (propeno) são adicionados, produzindo moléculas denominadas oligômeros que, posteriormente, reagem com novos monômeros para formar o polímero. H

H C

CH3

C18  Polímeros de adição

Propeno

H+

CH3 n

Polipropileno ou (PP)

As propriedades físicas dos polipropilenos, assim como as de vários outros polímeros, dependem da conformação estrutural. Em função do grupo CH3 (ramificação metil), podemos ter as conformações isotáticas, sindiotáticas e atáticas para o polipropileno. Essas conformações também ocorrem em diversos outros polímeros. 282

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Se, durante o preparo do polímero, os grupos CH3 (metil) se posicionarem do mesmo lado, teremos uma conformação isotática (do grego iso, igual). H

H CH3 H CH3 H CH3 H CH3 H CH3 H CH3 Polipropileno ou (PP)

Se, durante o preparo do polímero, os grupos CH3 (metil) se posicionarem em lados opostos e de forma alternada, temos uma conformação sindiotática. H

H CH3 H

H CH3

H CH3 H

Polipropileno ou (PP)

Se, durante o preparo do polímero, os grupos CH3 (metil) se posicionarem de forma que não haja nenhuma ordem lógica, dizemos que a conformação é do tipo atática. H

H CH3 H

H CH3

H CH3 H

H CH3 H CH3 H CH3 H

Polipropileno ou (PP)

Poliestireno: PS Utilizado para produzir polímeros de uso doméstico como copos, pratos e outros vasilhames descartáveis, embalagens, isolantes térmicos (caixas de isopor), espumas e vários outros, o poliestireno é um polímero obtido na reação de adição de monômeros chamados vinilbenzeno ou fenileteno. A reação de polimerização está representada abaixo. Da mesma forma que estudamos as conformações estruturais (isotática, sindiotática e atática) para os polímeros anteriores, elas também ocorrem na formação do poliestireno.

H n

Catalisador

C18  Polímeros de adição

Figura 03 - Objetos de uso doméstico feitos de poliestireno.

283

Química

É importante relembrar a importância da coleta seletiva, seguida da separação dos diferentes tipos de plástico. Observe no gráfico abaixo a composição percentual, em massa, de alguns tipos de plástico presentes no material sólido de um lixão. PE baixa desidade 0,31% PE alta desidade 28,05%

PP 3,29%

PVC 2,03%

PS 1,01% PET 63,85%

Gráfico 01 - Composição percentual, em massa, de plásticos presentes no material sólido urbano do lixão processado pela Usina de Compostagem do município de Araraquara – SP (Mancini, 1996)

Teflon: PTFE O politetrafluoroetileno ou teflon também é um polímero de uso doméstico. Utilizado no revestimento de vasilhames de cozinha, ele é responsável pela antiaderência de alimentos durante o processo de fritura e cozimento. Trata-se de um plástico bastante resistente a agentes químicos, como por exemplo, a água régia. F

F C

n F

Catalisador

F F n Politetrafluoroe leno ou (PTFE)

C18  Polímeros de adição

Fonte: Shutterstock.com

Tetrafluoroeteno

Figura 04 - À esquerda, vemos uma vasilha teflonizada utilizada na cozinha para se preparar alimentos. À direita, vemos essa mesma vasilha em contato com a água. Note que o grau de interação entre o teflon e a água é muito pequeno. Daí o formato de bolhas assumido pela água. O Teflon diminui a aderência dos alimentos em contato com a folha metálica das vasilhas.

284

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Polímeros superabsorventes Já dissemos, anteriormente, que a versatilidade dos polímeros é muito grande. Para mostrar essa versatilidade, discutiremos mais uma classe de polímeros sintéticos: os polímeros superabsorventes. Esses polímeros têm grande afinidade com a água. Os mais utilizados em nosso cotidiano são a poliacrilamida (PA) e o poliacrilato de sódio (PAS). Abaixo, temos as reações simplificadas de obtenção desses materiais.

NH2

Poliacrilamida ou (PA)

H C

NH2

Acrilamida

Os polímeros podem ter suas cadeias sem ramificações, admitindo conformação em ziguezague (polímeros lineares) ou podem apresentar ramificações, cujo grau e complexidade pode ir até o extremo da formação de retículos. Com isso, resultando o que se denomina polímero reticulado, ou polímero com ligações cruzadas, ou polímero tridimensional. Como exemplo desse tipo de polímeros, podemos citar o polibutadieno.

Catalisador

Polímeros de adição - 1,4

Catalisador

C –

O Na

Acrilato de sódio

Outro fato que preocupa os cientistas e ambientalistas é a alta durabilidade desses materiais. Resistentes ao ataque de microrganismos decompositores, os materiais superabsorventes produzem grandes impactos ambientais, uma vez que ao serem descartados, terminam nos lixões e aterros sanitários. Esse fato tem levado os pesquisadores a buscar novos materiais que tenham a mesma eficiência de absorção, mas que sejam de menor resistência e durabilidade em termos de decomposição.

O –

O Na

Poliacrilato de sódio ou (PAS)

O mecanismo de ação na absorção de água ocorre por meio de forças intermoleculares: a poliacrilamida estabelece um grande número de ligações de hidrogênio com a água. Já o poliacrilato de sódio, por ser iônico, tem maior eficácia, uma vez que é fortemente solvatado pela água, ou seja, possui maior pressão osmótica. Um inconveniente da poliacrilamida é que durante o intumescimento (inchaço) ocorre aumento excessivo de volume do material, fato não observado no caso do poliacrilato de sódio (PAS). O PAS foi introduzido nas fraldas no início da década de 1980 e significou uma verdadeira revolução nesses dispositivos.

Como consequência imediata, surgem diferentes propriedades no produto, especialmente em relação à fusibilidade e solubilidade. Os polímeros laterais dificultam a aproximação das cadeias poliméricas e isso faz com que as interações moleculares sejam diminuídas, acarretando as propriedades mecânicas, ‘plastificando’ internamente o polímero e a formação de retículos devido às ligações cruzadas entre moléculas. Estrutura

Propriedades

Solúvel e Fusível

Parcialmente Solúvel e Fusível

Fonte: wikimedia commons

Figura 06 - Relação entre estrutura e propriedade de polímeros.

Figura 05 - Fralda descartável, cuja composição é de PAS

Levando-se em conta a mobilidade relativa das moléculas (movimento Browniano), é fácil compreender porque os polímeros lineares ou ramificados são, em princípio, solúveis em solventes adequados e passíveis de sofrer escoamento sob a ação de calor e pressão. Já os polímeros com estrutura molecular tridimensional são insolúveis e infusíveis. 285

C18  Polímeros de adição

Insolúvel e Infusível

Química

Nos plásticos, a linearidade molecular caracteriza os chamados plásticos termoplásticos, que podem ser moldados e reprocessados sucessivamente, como por exemplo o polietileno, o poliestireno, o PVC etc. Por outro lado, há os plásticos termorrígidos, que ao serem colocados sob temperatura próxima à temperatura de fusão não possuem uma natureza de serem moldados, e quando ultrapassam essa temperatura (PF) esses polímeros se fundem, como por exemplo: celulose, borrachas, amido, Buna S etc. Polibutadieno A descoberta do polimetilbutadieno e sua posterior vulcanização acidental em 1839 mostram que o estudo dos polímeros não é um fato tão recente quanto se pensa. Foi Charles Goodyear quem obteve, pela primeira vez, propriedades de alta resistência e elasticidade para a borracha preparada a partir da seringueira. Quimicamente, a borracha é um polímero do metilbuta-1,3-dieno (isopreno).

catalisador

CH2

H2 C

H3 C

C CH2

Isopreno

CH2

borracha natural

Fonte: wikimedia commons

Devido à presença de duas ligações pi conjugadas, o polímero obtido a partir da adição de moléculas do metilbuta-1,3-dieno (isopreno) ainda guarda uma dupla ligação na cadeia polimérica. Isso altera grandemente as propriedades físicas como rigidez e elasticidade do polímero, ou seja, torna o polímero pouco elástico, quebradiço e pouco resistente à tração, além de muito reativo quimicamente.

Figura 07 - Elastômero mostrando sua elasticidade.

O aumento da resistência dos polímeros do tipo borracha é feito com a introdução de ligações químicas entre as cadeias poliméricas, fato que pode ser obtido utilizando-se o enxofre. O processo químico é denominado vulcanização e o polímero obtido recebe o nome de termocurado, apresentando cadeias poliméricas reticuladas pelas ligações cruzadas produzidas pelo enxofre. H

C18  Polímeros de adição

H3 C C CH2

CH2

borracha natural

286

H3 C +

C n

S enxofre

catalisador

C CH2

C CH2 S n

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

O aumento do número de ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas aumenta a resistência do polímero. Nem todas as ligações duplas são vulcanizadas. Para se ter uma noção da interferência do enxofre nas propriedades químicas dos polímeros, uma vulcanização de 5% das duplas ligações já é o suficiente para se ter uma borracha flexível, resistente e que retém sua elasticidade.

formas alternativas de produção das borrachas. A saída foi o desenvolvimento de uma borracha sintética em laboratório: o policloropreno ou neopreno. C n

C C

H2 C

catalisador CH2 P

C CH2

C C

H CH2

Cloropreno ou neopreno S

Cadeia com ligações cruzadas por meio de enxofre resultante da vulcanização da borracha.

Da mesma forma que a borracha natural, a borracha sintética tem suas propriedades físicas melhoradas pelo acréscimo de enxofre à cadeia carbônica. A vulcanização da borracha sintética pode ser descrita de acordo com a reação a seguir. Lembre-se de que não é necessário vulcanizar todas as ligações duplas da cadeia carbônica para que as propriedades melhorem. Apenas uma pequena parte é vulcanizada.

Polineopreno O grande consumo de borracha a partir do final do século XIX e início do século XX fez desse material um motivo de disputas comerciais, de espionagens industriais e até de contrabando. A necessidade de um material de baixo custo e de grande disponibilidade levou os cientistas a buscarem

C C CH2

CH2

S enxofre

catalisador P

H C C

CH2

Fonte: wikimedia commons

C18  Polímeros de adição

Figura 08 - Polineopreno, usado em roupas de mergulho.

287

Química

Exercícios de Fixação 01. (UCS RS) O estireno, que apresenta a estrutura química mostrada abaixo, é o precursor do poliestireno (isopor), um isolante térmico obtido pela reação de ______________dos monômeros. CH

CH2

<http://tinyurl.com/n6byxmf>Acesso em: 10.04.2015. Adaptado.

Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna acima. a) copolimerização b) adição c) eliminação d) condensação e) hidrólise 02. (Unievangélica GO) Os plásticos e derivados são materiais artificiais, geralmente de origem orgânica, que em alguma etapa de sua fabricação são moldados com ajuda de calor e pressão. Um exemplo desses materiais é o polietileno, que é produzido a partir da reação de polimerização, conforme a equação a seguir. H

H C

catalisador

n Polie leno

Nessas condições, qual composto pode ser usado para uma reação de polimerização? a)

c) CH3

CH3

H3 C

CH3 CH3

CH3 CH

HC HC

Isooctano

C C

C18  Polímeros de adição

C H

Vinil benzeno

H Benzano

03. (Fatec SP) Em 1859, surgiram experimentos para a construção de uma bateria para acumular energia elétrica, as baterias de chumbo, que passando por melhorias ao longo dos tempos, tornaram-se um grande sucesso comercial es-

288

Nesses plásticos, a fragmentação da resina polimérica é facilitada porque os carboidratos presentes a) dissolvem-se na água. b) absorvem água com facilidade. c) caramelizam por aquecimento e quebram. d) são digeridos por organismos decompositores. e) decompõem-se espontaneamente em contato com água e gás carbônico. 05. (Centro Universitário São Camilo SP) Diversos equipamentos médicos são feitos à base de PVC, um dos polímeros que apresenta maior resistência aos diversos métodos de esterilização. A reação de polimerização do PVC é mostrada a seguir: H

H H

C C

catalisador

CH CH2

ERENO, D. Plásticos de vegetais. Pesquisa Fapesp, n. 179, jan. 2011 (adaptado).

PVC

C H

04. (Enem MEC) Com o objetivo de substituir as sacolas de polietileno, alguns supermercados têm utilizado um novo tipo de plástico ecológico, que apresenta em sua composição amido de milho e uma resina polimérica termoplástica, obtida a partir de uma fonte petroquímica.

O monômero usado na produção desse polímero é o a) etino. b) eteno. c) etano. d) propeno. e) propano.

CH3 Xileno b)

pecialmente na indústria de automóveis. Essas baterias são construídas com ácido sulfúrico e amálgamas de chumbo e de óxido de chumbo IV, em caixas confeccionadas com o polímero polipropileno.

A classificação do PVC, quanto à reação de polimerização, e o isômero de um composto formado pela estrutura do cloreto de vinila em que o átomo de hidrogênio, indicado pela seta à esquerda da figura, foi substituído por um átomo de cloro, são, respectivamente, a) copolímero e cis. b) polímero de adição e trans. c) polímero de condensação e cis. d) polímero de condensação e trans. e) polímero de adição e cis.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios Complementares

02. (UEM PR) A respeito dos polímeros etilênicos, assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01. O polietileno é produzido a partir do monômero acetileno por meio de uma reação de substituição. 02. Os polímeros de adição apresentam todas as cadeias poliméricas com mesmo valor de massa molecular. 04. No poliestireno o anel aromático faz parte da cadeia principal do polímero. 08. O polipropileno pode ser produzido a partir dos monômeros propileno ou 1,3-dimetilbutadieno, em uma reação de condensação. 16. O teflon é produzido a partir do tetrafluoretileno, em uma reação de adição. 03. (UEFS BA) O propeno, representado pela fórmula química, um dos produtos obtidos do petróleo, é a matéria-prima utilizada na produção de polipropileno, um polímero usado na fabricação de ráfia sintética empregada na confecção de sacos para embalar cereais.

Propeno

Considerando-se as propriedades e a aplicação do polipropileno, é correto afirmar: a) Os sacos de ráfia são facilmente degradados por micro-organismos. b) O polipropileno é utilizado para a fabricação de isopor, além de tecidos.

c) O monômero do polipropileno é representado pela estrutura

CH CH3

CH2 n

d) O polipropileno é um copolímero do polietileno e possui alta resistência mecânica. e) O polipropileno é obtido a partir da reação de adição entre moléculas de propeno. 04. (Unifesp SP) Novos compósitos, que podem trazer benefícios ambientais e sociais, estão sendo desenvolvidos por pesquisadores da indústria e universidades. A mistura de polietileno reciclado com serragem de madeira resulta no compósito “plástico-madeira”, com boas propriedades mecânicas para uso na fabricação de móveis. Com relação ao polímero utilizado no compósito “plástico-madeira”, é correto afirmar que seu monômero tem fórmula molecular a) C2H4 e trata-se de um copolímero de adição. b) C2H4 e trata-se de um polímero de adição. c) C2H4 e trata-se de um polímero de condensação. d) C2H2 e trata-se de um polímero de adição. e) C2H2 e trata-se de um copolímero de condensação. 05. (UEFS BA) Sacos e sacolas plásticos se tornaram um dos maiores vilões do dia a dia do brasileiro. Cada vez mais são consumidos e descartados, mesmo com uma única vez de uso, sendo jogados em lixões, nos campos, nos rios, manguezais e no mar, causando prejuízos ao ambiente. Entretanto, o material utilizado na fabricação de sacolas biodegradáveis se decompõe em um período de 40 a 120 dias pela ação de micro-organismos. Tendo em vista essas considerações a respeito dos materiais utilizado na fabricação de sacolas, é correto afirmar: a) O polietileno “verde” é o material mais adequado para a fabricação de sacolas plásticas porque é totalmente biodegradável. b) O PVC é o material mais indicado para a confecção de sacolas e de sacos plásticos porque é bastante resistente. c) A decomposição anaeróbica de sacolas de polietileno “verde” e de origem petroquímica produz metano e outros gases. d) As sacolas feitas de fibras de algodão e de papel, ao serem descartadas nos lixões, levam mais de cem anos para degradarem. e) As fibras de náilon e de politereftalato de etileno utilizadas na fabricação de sacos e de sacolas plásticas são biodegradáveis quando em contato com o solo.

289

C18  Polímeros de adição

01. (PUC RS) A sociedade moderna é bastante dependente de polímeros sintéticos. Essa dependência se manifesta em inúmeros produtos encontrados no cotidiano, a começar pelas garrafas de refrigerante, feitas de __________, e as sacolas de supermercado, feitas de __________. As juntas e tubulações por onde passa a água encanada são geralmente fabricadas com __________, um polímero que contém átomos de um halogênio em sua estrutura. O “isopor” é um produto constituído de ___________, o qual pode ser dissolvido em acetona para formar uma cola muito resistente. As palavras/expressões que preenchem correta e respectivamente as lacunas do texto estão reunidas em a) politereftalato de etileno – polietileno – policloreto de vinila – poliestireno b) polietileno – polipropileno – polibutadieno – poliestireno c) policarbonato – plástico verde – poliuretano – polipropileno d) álcool polivinílico – PET – celuloide – poliamida e) poliéster – polimetilmetacrilato – silicone – poli-isopreno

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C19

ASSUNTOS ABORDADOS n Copolímeros n Classificação n Nomenclatura n Buna-N n Buna-S n ABS

COPOLÍMEROS Desde o início do século XVIII, em todo o mundo, a atuação dos químicos no desenvolvimento tecnológico tem sido fundamental no processo de produção de novos materiais e substâncias. A Era Moderna trouxe produtos com propriedades físico-químicas bastante úteis ao conforto da sociedade. Tanto no processamento de materiais naturais como na descoberta de novas fibras, filmes, estruturas de revestimentos e adesivos, por exemplo, os químicos estavam lá presentes. A síntese, portanto, se desenvolveu de forma tão intensa que hoje podemos contar com muitos polímeros formulados e processados para ter resistência, rigidez e estabilidade principalmente ao calor. Nas últimas décadas, a substituição de peças metálicas, vidros e outros materiais por polímeros tem sido praticamente inevitável. As transformações são tantas que utensílios de cozinha, como cafeteiras, torradeiras, panelas e abridores de latas elétricos, agora, são fabricados sob medida a partir de polímeros especiais: os polímeros de engenharia.

Figura 01 - Em um carro, o revestimento interno e o revestimento de parte do motor utilizam polímeros de engenharia.

290

Fonte: Shutterstock.com

Os polímeros de engenharia, também chamados materiais modernos, são fabricados sob medida para aplicações específicas. Geralmente, eles têm custos mais baixos e apresentam desempenho bem superior sobre os materiais que substituem. Outro fator importante é que esses materiais podem ser coloridos e modelados de acordo com a necessidade, o que não acontecia com as peças metálicas. Esse aspecto é de grande importância na indústria de produção de bens de consumo.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Classificação

Até o momento, vimos alguns dos vários polímeros de adição, ou seja, polímeros obtidos a partir de um único monômero. Os polímeros obtidos por adição, seja por adição comum, seja por adição 1,4, são também denominados homopolímeros, pois são constituídos por unidades idênticas, com exceção, evidentemente, das unidades que se encontram nas extremidades da macromolécula.

H2C CH3

H 2C

CH2

A-B-A-B-A-B-A-B-A-B

A-A-A-B-B-B-A-A-A-B-B-B Copolímero em bloco

Copolímero alternado

Nesta aula, estudaremos os copolímeros. B-B-B-B-B-B-B-

Copolímeros são polímeros que utilizam, para sua formação, dois tipos diferentes de meros. Dependendo da disposição dos meros, os copolímeros podem ser classificados em lineares, alternados ou grafitizados. Veja ao lado os desenhos esquemáticos das diferentes disposições desses copolímeros.

B-B-B-B-B-B-B-

A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

Dependendo das características físicas desejadas para formar materiais a partir de polímeros, faz-se necessário o controle da porcentagem de cada mero. A copolimerização é importante na medida em que o polímero obtido apresenta propriedades completamente diferentes das propriedades apresentadas inicialmente pelos dois monômeros. Considere, por exemplo, o estireno, ou vinilbenzeno. Quando polimerizado sozinho, forma o polivinilbenzeno ou poliestireno, um polímero com propriedades isolantes (térmicas e elétricas) que é utilizado para moldar peças para rádio, aparelhos de televisão e automóveis. A copolimerização do estireno com o butadieno, por sua vez, produz um material de alta rigidez. Já a copolimerização do estireno com o propenonitrilo, produz um material de alta resistência ao impacto e à dissolução em hidrocarbonetos. Se o copolímero for obtido entre o estireno (25%) e o butadieno (75%), o resultado será um elastômero, que tem servido como o principal substituto da borracha natural desde a Segunda Guerra Mundial. nHC CH2 + nHC C H C H C H2 2

vinilbenzeno 70%

catalisador P

buta-1,3-dieno 30%

Copolímero grafi zado

#Conceito Denominamos copolímero o polímero obtido pela adição de dois ou mais monômeros diferentes.

HC C H2 CH2 CH CH CH2

copolímeros de alta rigidez

Nomenclatura A nomenclatura dos copolímeros difere um pouco da nomenclatura dos homopolímeros. Os copolímeros são originários de dois ou mais monômeros que podem ter um encadeamento regular ou irregular. Quando a natureza desse encadeamento, ou seja, sua sequência, não é conhecida, o polímero é classificado como aleatório. A sigla co significa uma abreviação da palavra copolímero. Por sua vez, ela é utilizada nos nomes dos copolímeros, enfatizando a ideia de ter sido originado de dois ou mais monômeros. O exemplo mais clássico é o do poli[estireno-co-(metacrilato de metila)] que foi produzido a partir dos monômeros estireno e metacrilato de metila. C nHC CH2 + nH2C CH

O CH3

C19  Copolímeros

HC C H2 CH2 CH P n poli[es reno-co-(metacrilato de me la)]

291

Química

Em alguns casos, o copolímero recebe um nome especial. O material de alta resistência ao impacto obtido na copolimerização do propenonitrilo com o buta-1,3-dieno, por exemplo, é chamada BuNa-N, enquanto o material de alta rigidez obtido na copolimerização do estireno (vinilbenzeno) com o buta-1,3-dieno recebe o nome de BuNa-S. Essas siglas derivam do inglês e significam: n n n n

Bu: buta-1,3-dieno Na: catalisador metálico (sódio) N: nitrilo S: estireno, que no inglês se escreve styrene

Buna-N A seguir, temos a reação de síntese da Buna-N a partir dos seus monômeros. catalisador nH2C CH + nHC C H C H C H2 CH2 CH CH2 CH CH CH2 2 P C N C N n propenonitrilo buta-1,3-dieno copolímeros de alta resistência ao impacto BuNa-N

Buna-S A seguir, temos a reação de síntese da Buna-S a partir dos seus monômeros. catalisador nHC CH2+ nHC C H C H C H2 HC CH2 CH2 CH CH CH2 2 P

vinilbenzeno 25%

buta-1,3-dieno 25%

copolímeros da borracha natural (elastômero) BuNa-S

ABS Nesse caso, temos três tipos diferentes de monômeros reagindo para dar origem ao polímero. Os monômeros são: acrilonitrilo (A), buta-1,3-dieno (B) e estireno (S).

ABS Acrilonitrila

But-1,3-dieno

Styrene

Diversos produtos que utilizamos no dia a dia são fabricados com o ABS. Dentre eles, podemos citar: brinquedos, componentes de geladeira, painéis de automóveis, telefones, invólucros de aparelhos elétricos e embalagens. A seguir, temos a reação de formação do ABS.

C19  Copolímeros

nH2C CH + nHC C H C H C H2 + nHC CH2 catalisador 2 P C N

Propenonitrilo

292

Buta-1,3-dieno

Es reno

CH2 CH

CH2 CH CH CH2 CH C H2

C N

ABS

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Exercícios de Fixação 01. Os homopolímeros são constituídos de um único tipo de meros (unidades iguais que se repetem ao longo da cadeia polimérica) e os copolímeros são compostos de dois ou mais meros diferentes. Já as blendas são obtidas pela mistura de um ou mais homo ou copolímeros diferentes, produzindo um terceiro material polimérico com propriedades diferentes dos seus componentes isolados. De maneira segura, podemos classificar esse plástico como sendo um a) polímero de condensação. d) copolímero. b) polímero amorfo. e) blenda. c) homopolímero. 02. (Unesp SP) Polímeros formados por mais de um tipo de unidade monomérica são chamados copolímeros. Um exemplo é o Nylon-66, no qual as unidades repetitivas são formadas por 1,6-diaminohexano (H2N(CH2)6NH2) e por ácido adípico (HOOC(CH2)4COOH). Identifique nas figuras de 1 a 4 os tipos de copolímeros formados pelos monômeros A e B.

AAAABBBB ABABABABA AABAABAB AAAAAAAAA 1

a) 1 - bloco, 2 - alternante, 3 - aleatório e 4 – grafitizado. b) 1 - grafitizado, 2 - bloco, 3 - alternante e 4 – aleatório. c) 1 - bloco, 2 - grafitizado, 3 - aleatório e 4 - alternante. d) 1 - aleatório, 2 - bloco, 3 - grafitizado e 4 - alternante. e) 1 - alternante, 2 - grafitizado, 3 - bloco e 4 – aleatório. 03. Quando os polímeros são obtidos por reação entre monômeros da mesma natureza designam-se por homopolímeros. A seguir são listados, sob a forma de sigla, nomes de alguns polímeros. Como exemplo de homopolímeros, temos a) PVC. d) PET. b) Náilon. e) BuNa-N. c) Baquelite.

Exercícios Complementares 08. Copolímeros são polímeros formados a partir de mais de um tipo de monômero. 16. O politetrafluoroetileno (teflon®) pode ser representado pela fórmula geral(-CF2-CF2-)n. 32. Ao sofrer hidrólise, o amido fornece moléculas do monossacarídeo glicose. 03. (UFG GO) Copolímeros de etileno com acetato de vinila (EVA) são miscíveis com policloreto de vinila (PVC). Essa mistura é empregada em solados, mangueiras e no isolamento de cabos elétricos. A estrutura desses materiais é representada a seguir: H

PVC

x C CH3

02. (UEM PR) Assinale a(s) alternativa(s) correta(s). 01. O formaldeído é um aldeído que pode ser usado na fabricação de polímeros e seu nome oficial é metanal. 02. O silicone é um polímero que contém silício. O silício é um elemento químico do mesmo período do carbono, na classificação periódica. 04. Vários monômeros do etileno ligados dão origem ao polímero poliestireno.

y O n

EVA

A miscibilidade do copolímero EVA com o PVC pode ser explicada a) pelo caráter polar do acetato de vinila. b) pelo baixo grau de ramificação do copolímero EVA. c) pela formação de pontes de hidrogênio. d) pela similaridade estrutural dos polímeros. e) pela diferença no grau de polimerização.

293

C19  Copolímeros

01. (UFTM MG) Os plásticos ou polímeros são familiares do nosso cotidiano, sendo usados na construção de muitos objetos que nos rodeiam, desde as roupas que vestimos até as casas em que vivemos. O desenvolvimento de processos de fabricação dos polímeros sintéticos foi o responsável pelo crescimento da indústria química no último século. Os polímeros poliestireno, poliamida (náilon) e teflon (politetrafluoreteno) podem ser classificados, quanto ao processo de fabricação, respectivamente, como: a) polímeros de adição, copolímeros e polímeros de adição. b) polímeros de condensação, copolímeros e polímeros de condensação. c) polímeros de condensação, polímeros de adição e copolímeros. d) polímeros de adição, polímeros de condensação e copolímeros. e) polímeros de adição, polímeros de condensação e polímeros de adição.

FRENTE

QUÍMICA

MÓDULO C20

ASSUNTOS ABORDADOS n Polímeros de condensação n Poliésteres n Poliamidas n Resinas n Polímeros à base de silício

POLÍMEROS DE CONDENSAÇÃO O termo copolímero deve ser usado sempre que dois ou mais monômeros diferentes forem polimerizados. A diferença entre os copolímeros de condensação e os copolímeros comuns, está basicamente na eliminação de uma substância durante o processo reacional. Normalmente, a substância eliminada é a água ou o HC. Os copolímeros de condensação são muito importantes no uso diário, uma vez que são utilizados para produzirem fibras. Podemos citar, dentre as fibras obtidas por esses polímeros, as fibras naturais (fibras de algodão, seda e lã) e as fibras sintéticas (náilon, poliéster, acrílico, poliuretanas). As fibras são fragmentos de materiais, finos e compridos, que se caracterizam por apresentar grande resistência à tração, sobretudo na direção longitudinal. A resistência das fibras resulta fundamentalmente da força das ligações intermoleculares ao longo das cadeias moleculares dos polímeros. Essas forças são as responsáveis por manter as fibras esticadas, evitando o enovelamento aleatório. Podemos dizer, assim, que para um polímero ser produzido na forma de fibra, são requisitos fundamentais apresentar forma molecular linear que permita o alinhamento longitudinal e forças intermoleculares suficientemente fortes para manter esse alinhamento e impedir o escorregamento de uma molécula sobre outra, o que provocaria o enovelamento delas.

Poliésteres

Figura 01 - Fibras de poliésteres sendo movimentadas em uma máquina industrial para produzir um tecido. Note que os fios já foram tingidos.

294

Na polimerização por meio de radicais de alcenos, podem ser formadas cadeias laterais a partir da cadeia principal. Por outro lado, na polimerização por condensação, a cadeia cresce apenas nos grupos funcionais. Por essa razão, é muito pouco provável que se formem cadeias laterais a partir da cadeia principal. Como resultado, as moléculas de poliéster são boas fibras, pois podem ser acomodadas lado a lado, esticando o produto aquecido e forçando-o através de um furo fino. As fibras obtidas podem ser torcidas em fios. Além disso, como a reação se dá em muitos monômeros simultaneamente, as cadeias poliméricas de condensação são mais curtas que as cadeias de polímeros de condensação.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

As principais aplicações dos poliésteres se dão no preparo de linhas de pesca, fibras têxteis, fitas de vídeo, fabricação de garrafas plásticas para refrigerantes entre outras. Quando misturados em algodão, dá origem ao tecido chamado tergal. Os poliésteres podem ser moldados e usados em implantes cirúrgicos, como corações artificiais, ou transformados em filmes finos para uso como fitas cassetes. PET - Polietilenotereftalato O poliéster mais utilizado como fibra é o polietilenotereftalato, que é mais conhecido como PET. Esse poliéster, obtido a partir da reação entre o etilenoglicol e o ácido tereftálico, tem grande utilidade, baixo custo de processamento e resistência térmica, química e mecânica. Além disso, apresenta boa transparência e brilho. O C HO

O C OH HO CH2CH2 OH

O C

O + (n – 1) H2O C O CH2CH2 O n

polie lenotere alato (PET)

Poliamidas Náilon 66 A condensação do ácido hexanodioico com a 1,6-hexanodiamina resulta no polímero chamado náilon, que pertence à função amida. O mais conhecido deles recebe o código de náilon 66, devido ao número de átomos de carbono nos dois monômeros.

C20  Polímeros de condensação

Figura 02 - Fios de náilon. As cordas de náilon são trançadas com diversos fios de tal forma que as interações entre as cadeias poliméricas sejam aumentadas, garantindo maior resistência à tração.

Da mesma forma que os poliésteres, as longas cadeias de poliamida também podem ser torcidas em fios ou moldadas. A presença de grupos “C = O” e “N – H” permitem a formação de ligações de hidrogênio entre as cadeias, o que garante, de certa forma, grande resistência à tração. Um inconveniente é que as poliamidas (náilons) têm grande tendência para absorver moléculas de água (umidade) por ligações de hidrogênio. Essas moléculas entremeiam entre as cadeias poliméricas e diminuem a resistência e a durabilidade do polímero. 295

Química

Apesar disso, os náilons são polímeros de alta resistência à abrasão e ao ataque de agentes químicos. Por serem moldáveis e bastante fortes, são utilizados na produção de embalagens, fibras têxteis, fios de pesca, fabricação de tapetes, meias, cerdas de escovas, entre outras. Observe a seguir uma reação de condensação. O O n C (CH2)4 C + nH N (CH2)6 N H OH HO H H O O C (CH2)4 C N (CH2)6 N H H

catalisador P,

+ (n-1) H2O n

Kevlar® As poliamidas têm se destacado no cenário dos polímeros. O avanço das pesquisas nesse ramo tem sido fundamental para a obtenção de materiais modernos de alta resistência ao impacto e ao ataque químico. O Kevlar®, uma poliamida obtida a partir do ácido para-benzodioico por condensação com o para-diaminobenzeno, representa bem essa classe de materiais.

Figura 03 - Luvas e colete de Kevlar®.

Usado na produção industrial de coletes à prova de balas, o Kevlar® tem demonstrado grande resistência ao impacto de artefatos bélicos. Outra propriedade do Kevlar® é sua alta capacidade como isolante térmico. Estudos experimentais mostraram a alta capacidade do produto de suportar, por até 8 segundos, sem sofrer combustão, uma temperatura de até 1000 oC, como vimos no módulo anterior. O C

C20  Polímeros de condensação

HO H N H

catalisador ,P

O C

O C OH H N

catalisador ,P

O C N H

H N + (n- 1) H2O n

296

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Resinas Resina ureia-formaldeído A produção de polímeros para revestimento garantiu maior durabilidade a diversos materiais de uso diário. Os impermeabilizantes são bons exemplos desses polímeros. Produzidos quase sempre à base de resinas, eles têm aplicações industriais importantes na impermeabilização de materiais e como adesivos para madeiras. A resina ureia-formaldeído, representada a seguir, é utilizada para o revestimento de pisos de madeira.Por isso também, pode ser chamada de sinteco.

H N H

formaldeído H H C

O N H

HOH

O N H

N H H

catalisador P

N CH2 N CH2 N C

uréia

N CH2 N CH2 N

uréia resina

Depois de aplicada, a resina forma um filme de alta resistência e excelente dureza, protegendo os materiais do desgaste mecânico.

Figura 04 - Resina impermeabilizante. Ao ser impermeabilizados, os pisos de madeira aumentam a durabilidade.

Resina fenol-formaldeído (baquelite) C20  Polímeros de condensação

A produção de polímeros do tipo resinas pode ser feita a partir de diversos grupos funcionais. Da mesma maneira que o formaldeído (metanal) reage com a ureia para formar as resinas impermeabilizantes. O formaldeído também reage com o fenol para produzir uma estrutura polimérica de alta massa molecular. Essa estrutura, ainda muito importante na atualidade, é chamada baquelite.

297

Química

Figura 05 - Materiais feitos de baquelite.

A reação de polimerização do fenol com formaldeído ocorre em meio básico ou ácido. O processo envolve várias etapas, resultando em um produto em cuja estrutura existem muitos anéis de fenol ligados uns aos outros por meio de grupos metilenos, denominados pontes de metilenos (CH2). De maneira abreviada, a reação de polimerização pode ser representada da seguinte maneira: OH

H H

C20  Polímeros de condensação

CH2

catalisador

OH CH2

CH2

OH CH2

CH2

CH2 CH

CH2

CH2 CH2

298

CH2 CH2 CH2 CH2 OH OH OH OH baquelita (fragmento de estrutura tridimencional)

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

Polímeros à base de silício Silicone Os silicones consistem em cadeias longas de oxigênio e silício (– O – Si – O – Si –). Observe que, nessa representação, o oxigênio tem sua capacidade de ligação estabelecida, mas o silício não, pois é um elemento da família IVA ou grupo 14 da tabela periódica e, assim como o carbono, estabelece quatro ligações químicas. Mas é exatamente essa capacidade de tetravalência que permite ao silício ligar-se a mais dois grupos orgânicos, formando uma cadeia de átomos de silício, oxigênio e grupos orgânicos, tal como o grupo metila (CH3). Essas moléculas são agora chamadas dimetilsiloxano.

CH3

HO Si OH HO Si OH CH3 CH3

catalisador P,

CH3 CH3 Si O Si CH3

CH3

catalisador P,

+ (n-1) H2O n

Apesar desse polímero não apresentar carbono como elemento principal, mas sim silício, ele possui grande importância industrial. Uma das aplicações é na produção de tecidos à prova d’água, porque os átomos de oxigênio se ligam ao tecido, deixando os grupos metilas hidrofóbicos expostos ao contato externo com a água. O silicone também é usado na produção de colas quentes e aparelhos ortodônticos. Além, é claro, de seu grande uso em processos estéticos.

C20  Polímeros de condensação

Figura 06 - Os silicones podem ser aplicados para os mais diversos fins. À esquerda, vemos uma cola à base de silicone; ao centro um aparelho ortodôntico e à direita uma bolsa de silicone utilizada nos implantes reparativos de mamas.

299

Química

Exercícios de Fixação 01. (UPE PE) O “náilon 66” é obtido através da reação entre um ácido dicarboxílico e uma diamina. A primeira etapa da reação produz um composto que pertence à função a) cetona. b) isonitrila. c) nitrila. d) amida. e) aldeído. 02. (Univag MT) Entre os polímeros apresentados nas alternativas, é considerado polímero de condensação: a) politetrafluoretileno. b) PVC. c) poliestireno. d) náilon. e) polietileno. 03. (Enem MEC) O uso de embalagens plásticas descartáveis vem crescendo em todo o mundo, juntamente com o problema ambiental gerado por seu descarte inapropriado. O politereftalato de etileno (PET), cuja estrutura é mostrada tem sido muito utilizado na indústria de refrigerantes e pode ser reciclado e reutilizado. Uma das opções possíveis envolve a produção de matérias-primas, como o etilenoglicol (1,2-etanodiol), a partir de objetos compostos de PET pós-consumo.

04. (Uerj RJ) As bolas de futebol são feitas, atualmente, de poliuretano, um polímero sintético cuja obtenção pode ser representada pela seguinte equação química, na qual R e R’ são cadeias de hidrocarbonetos: n O C N R N C O + n HO R´ OH

n Disponível em: www.abipet.org.br. Acesso em 27 fev. 2012 (adaptado).

Com base nas informações do texto, uma alternativa para a obtenção de etilenoglicol a partir do PET é a a) solubilização dos objetos. b) combustão dos objetos. c) trituração dos objetos. d) hidrólise dos objetos. e) fusão dos objetos.

R´

H n

Pode-se observar, na molécula de poliuretano assim obtida, a formação de um grupo correspondente à seguinte função química: a) ácido b) amida c) álcool d) aldeído 05. (FGV SP) O náilon-66, estrutura representada na figura, é um polímero de ampla aplicação na indústria têxtil, de autopeças, de eletrodomésticos, de embalagens e de materiais esportivos. H

O C

O CH2 CH2 O

(CH2)4

C O

(CH2)4

N H

Esse polímero é produzido a partir da reação do ácido hexanodioico com a 1,6-diamino-hexano, formando-se também água como subproduto. Quanto à classificação do polímero náilon-66 e ao tipo de reação de polimerização, é correto afirmar que se trata de a) poliéster e reação de adição. b) poliéster e reação de condensação. c) poliamida e reação de adição. d) poliamina e reação de condensação. e) poliamida e reação de condensação.

C20  Polímeros de condensação

Exercícios Complementares 01. (UEM PR) A respeito dos polímeros a seguir, assinale o que for correto. A) Náilon-6,6. B) Polietileno. C) Politetrafluoretileno. D) Celulose. E) Poliestireno. F) Poliisopreno. 01. Pelo menos, três desses polímeros podem ser obtidos através de uma reação de adição a partir dos respectivos monômeros. 300

02. Pelo menos, dois desses polímeros podem ser extraídos de plantas. 04. Pelo menos, um desses polímeros apresenta a função amida e pelo menos um apresenta a função álcool. 08. Pelo menos, quatro desses polímeros são hidrocarbonetos. 16. Pelo menos, dois desses polímeros apresentam átomos de carbono com hibridização sp2 e nenhum deles apresenta átomos de carbono com hibridização sp.

Ciências da Natureza e suas Tecnologias

02. (UFU MG) Um dos materiais mais utilizados na fabricação de sacolas esportivas é o náilon. Esse polímero é produzido a partir do ciclo-hexano (pertencente à classe dos ciclanos), que é um solvente e removedor de materiais apolares como as tintas e vernizes. Os ciclanos existem, em quantidades maiores ou menores, no petróleo de várias regiões do mundo. A partir do texto e de seus conhecimentos de química, assinale a alternativa correta. a) O náilon apresenta baixa resistência mecânica e é um composto de moléculas pequenas obtido por reações de adição. b) Os ciclanos são hidrocarbonetos de cadeia carbônica alifática e que possuem insaturações. c) O ciclo-hexano pode ser usado como solvente de tintas e vernizes por ser uma substância apolar. d) O ciclo-hexano é um composto aromático obtido pela destilação do petróleo bruto. 03. (UFG GO) O silício pode ligar-se ao oxigênio, formando cadeias do tipo:

b) O náilon, usado nas cerdas das escovas de dentes, é formado por diaminas com diácidos, sendo um polímero de adição. c) Plásticos são materiais orgânicos poliméricos sintéticos de constituição micromolecular dotada de grande maleabilidade. d) Os tecidos sintéticos são fibras produzidas pelo homem, que utiliza produtos químicos da indústria petroquímica como matéria-prima. 05. (PUC RS) A utilidade dos polímeros para o ser humano parece não ter fim. Nossa espécie encontrou inúmeras aplicações para os polímeros sintéticos, mas os polímeros naturais também não ficam atrás: não só nós, como também outros seres vivos se valem deles para uma infinidade de usos. São exemplos de polímeros naturais os componentes majoritários de a) unhas e conchas. b) azeite e farinha. c) papel e madeira. d) vidro e teias de aranha.

Estas cadeias podem ligar-se entre si para formar as estruturas macromoleculares presentes no quartzo, que é a forma mais comum do dióxido de silício ou sílica. Por outro lado, se grupos orgânicos forem ligados aos átomos de silício, obtém-se um polímero sintético que recebe o nome genérico de silicona e pode ser representado como: R Si R

R O

Si R

Onde R é um grupo orgânico. Sobre sílica e silicona, é correto afirmar-se que 01. o silício, como o Carbono, é tetravalente; 02. o quartzo e a silicona são substâncias naturais; 04. as siliconas são polímeros onde a cadeia principal é orgânica; 08. o quartzo pode ser representado pela fórmula SiO2; 04. (UECE) A maioria das obstruções causadas nos esgotos é proveniente de aparelhos sanitários e pias residenciais cujos principais detritos são: fibras internas de fraldas descartáveis, cerdas de escova de dente, fiapos, plásticos, tecidos, panos e óleos. Dependendo da quantidade, esses detritos obstruem o caminho dos esgotos, causando entupimentos que, muitas vezes, causam enchentes nas ruas em consequência de chuvas fortes, provocando perigo para a população. Jogar detritos em pias e aparelhos sanitários é um hábito que deve ser evitado. Com relação a esses detritos, assinale a afirmação verdadeira. a) Nas fraldas descartáveis, há um polímero capaz de absorver grande quantidade de água pelo fenômeno de osmose, em que a membrana permeável é o próprio polímero.

e) plástico verde e celofane. 06. (PUC SP) O polietilenotereftalato (PET) é um polímero de larga aplicação em tecidos e recipientes para bebidas gaseificadas. A seguir temos uma possível representação para a sua estrutura:

Assinale a alternativa que apresenta os dois monômeros que podem ser utilizados diretamente na síntese do polietilenotereftalato. a) HO CH2 CH2 OH

b) HO CH2 CH2 OH

O C C

OH O

O C C

CH3

H3 C

C C HO

O C H3C

O C H

O C HO

O OH O CH3 O H O OH

O e)

O C HO

HO CH2

CH2 OH

07. (Uncisal AL) O Kevlar® foi fabricado pela primeira vez em 1965 por Stephanie Kwolek, enquanto trabalhava nos laboratórios DuPont nos Estados Unidos. Trata-se de um polímero resistente 301

C20  Polímeros de condensação

Química

ao calor e sete vezes mais resistente que o aço por unidade de peso. Atualmente é empregado em uma ampla variedade de aplicações. O segredo de suas extraordinárias propriedades reside na estrutura cristalina altamente coordenada do Kevlar®, conforme ilustrado no esquema.

09. (Unimontes MG) A reação de esterificação do ácido tereftálico e o etilenoglicol possibilita a formação do polímero poliéster conhecido como tergal em que a estrutura se encontra representada a seguir: O

O ácido tereftálico e o etilenoglicol encontram-se representados, respectivamente, através das fórmulas moleculares: a) C6H6O2 e C2H4O2. b) C5H6O4 e C2H2O4. c) C8H6O4 e C2H6O2. d) C5H6O4 e C2H4O2. Fonte: Burrows, A. et al., Química3: introdução à química inorgânica, orgânica e físico-química, LTC, v1, Rio de Janeiro, 2012 (adaptado).

C20  Polímeros de condensação

Em relação ao tipo de forças intermoleculares presentes nas moléculas do Kevlar®, pode-se afirmar que são a) dípolo-dípolo, a partir da formação de cargas permanentes na estrutura cristalina do material sólido. b) forças de London, associadas à baixa polaridade dos grupos benzeno presente na estrutura molecular. c) íon-dipolo, relacionado à ionização do grupo N – H e interação com a carbonila da outra cadeia polimérica. d) íon-dipolo, induzido em consequência da forte interação entre o grupo carbonila e o anel benzênico. e) ligações de hidrogênio, em função da polaridade dos grupos amida presentes na cadeia do polímero. 08. (Ibmec RJ) Polímeros são moléculas de grande massa molecular que vem sendo cada vez mais utilizados em substituição a materiais tradicionais como vidro, madeira, aço, algodão e na fabricação dos mais diversos produtos. Com relação a esses compostos, analise as proposições abaixo e coloque V (verdadeiras) e F (falsas): I. Nas reações de polimerização por condensação, além da formação de macromoléculas, ocorre liberação de moléculas menores como água e metanol. II. O poliestireno é um polímero obtido por adição, sendo muito utilizado na fabricação de pratos, xícaras e como isolante térmico. III. Polímero amorfo é aquele que apresenta cadeias poliméricas dispostas ao acaso e apresenta alta temperatura de fusão. É duro e quebradiço. IV. Celuloses são polímeros formados com base na glicose. Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta: a) F, V, V, V b) V, V, F, V c) F, V, F, V d) V, F, V, F e) V, F, F, F

302

10. (Enem MEC) Músculos artificiais são dispositivos feitos com plásticos inteligentes que respondem a uma corrente elétrica com um movimento mecânico. A oxidação e redução de um polímero condutor criam cargas positivas e/ou negativas no material, que são compensadas com a inserção ou expulsão de cátions ou ânions. Por exemplo, na figura os filmes escuros são de polipirrol e o filme branco é de um eletrólito polimérico contendo um sal inorgânico. Quando o polipirrol sofre oxidação, há a inserção de ânions para compensar a carga positiva no polímero e o filme se expande. Na outra face do dispositivo o filme de polipirrol sofre redução, expulsando ânions, e o filme se contrai. Pela montagem, em sanduíche, o sistema todo se movimenta de forma harmônica, conforme mostrado na figura.

DE PAOLI, M.A. Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, São Paulo, maio 2001 (adaptado).

A camada central de eletrólito polimérico é importante porque a) absorve a irradiação de partículas carregadas, emitidas pelo aquecimento elétrico dos filmes de polipirrol. b) permite a difusão dos íons promovida pela aplicação de diferença de potencial, fechando o circuito elétrico. c) mantém um gradiente térmico no material para promover a dilatação/contração térmica de cada filme de polipirrol. d) permite a condução de elétrons livres, promovida pela aplicação de diferença de potencial, gerando corrente elétrica. e) promove a polarização das moléculas poliméricas, o que resulta no movimento gerado pela aplicação de diferença de potencial.

FRENTE

QUÍMICA Questão 03 84 000 g

Exercícios de Aprofundamento 01. (UEPG PR) A demanda de produtos plásticos é cada vez maior em todo o mundo, e a durabilidade desses materiais acarreta um importante problema ambiental. Uma alternativa ecológica são os plásticos oxibiodegradáveis, polímeros baseados em plásticos tradicionais, nos quais é adicionado um catalisador, sal metálico, que acelera a sua oxidação, ativando a clivagem entre as cadeias e causando a rápida desagregação molecular. Os plásticos tornam-se frágeis e se desintegram. A massa molecular diminui rapidamente e o oxigênio se liga ao composto, tornando-o permeável à água, que o umedece, possibilitando o ataque por microrganismos. A respeito deste assunto, assinale o que for correto. 01. Na ausência de um catalisador, não ocorrem reações de decomposição nos plásticos. 02. Os plásticos são constituídos principalmente por hidrocarbonetos, compostos insolúveis em água. 04. Nos plásticos oxibiodegradáveis, a oxidação das cadeias do polímero altera a sua polaridade, permitindo o umedecimento com água. 08. Constituem exemplos de sais metálicos: NH4C, MgC2 e NaI. 02. (ITA SP) Considere que dois materiais poliméricos A e B são suportados em substratos iguais e flexíveis. Em condições ambientes, pode-se observar que o material polimérico A é rígido, enquanto o material B é bastante flexível. A seguir, ambos os materiais são aquecidos à temperatura (T), menor do que as respectivas temperaturas de decomposição. Observou-se que o material A apresentou-se flexível e o material B tornou-se rígido, na temperatura (T). A seguir, os dois materiais poliméricos foram resfriados à temperatura ambiente. a) Preveja o que será observado caso o mesmo tratamento térmico for novamente realizado nos materiais poliméricos A e B. Justifique sua resposta. b) Baseando-se na resposta ao item a), preveja a solubilidade dos materiais em solventes orgânicos. 03. (Uerj RJ) Na indústria, a polimerização do propeno por poliadição via radicais livres produz um polímero cuja unidade química repetitiva tem fórmula molecular C3H6. Considere a polimerização de 2800 L de propeno nas seguintes condições: – temperatura: 77 °C – pressão: 20 atm Considere, ainda, que o propeno apresente comportamento de gás ideal e seja completamente consumido no processo.

Determine a massa, em gramas, de polímero produzido e escreva sua estrutura química em bastão. 04. (Unicamp SP) Acidentes de trânsito causam milhares de mortes todos os anos nas estradas do país. Pneus desgastados (“carecas”), freios em péssimas condições e excesso de velocidade são fatores que contribuem para elevar o número de acidentes de trânsito. Responsável por 20% dos acidentes, o uso de pneu “careca” é considerado falta grave e o condutor recebe punição de 5 pontos na carteira de habilitação. A borracha do pneu, entre outros materiais, é constituída por um polímero de isopreno (C5H8) e tem uma densidade igual a 0,92 g cm–3. Considere que o desgaste médio de um pneu até o momento de sua troca corresponda ao consumo de 31 mols de isopreno e que a manta que forma a banda de rodagem desse pneu seja um retângulo de 20 cm x 190 cm. Para esse caso específico, a espessura gasta do pneu seria de, aproximadamente, a) 0,55 cm. b) 0,51 cm. c) 0,75 cm. d) 0,60 cm. Dados de massas molares em g.mol–1 : C = 12 e H = 1. 05. (Unifor CE) O PET (polietilenotereftalato) é considerado um dos mais importantes polímeros de engenharia das duas últimas décadas, devido ao rápido crescimento de sua utilização. As embalagens de garrafas plásticas PET são ideais para o acondicionamento de alimentos, devido às suas propriedades de barreiras que impossibilitam a troca de gases e a absorção de odores externos, mantendo as características originais dos produtos envasados. A cadeia do PET a que se refere o texto está parcialmente representada abaixo. Indique a sequência de símbolos atômicos que satisfazem a numeração indicada na figura. ROSMANHO, G. M. et. al. Química Nova, vol.32, No. 6, 1673-1676, 2009 (adaptado).

6 n

a) O, N, C, O, C, H b) H, C, C, O, O, H c) C, O, C, C, C, H d) O, C, O, C, O, O e) H, O, H, O, C, N

Questão 02. a) O material polimérico A, quando aquecido, tornou-se flexível. Trata-se de um polímero termoplástico e, portanto, o mesmo pode ser amolecido pelo calor e endurecido por resfriamento inúmeras vezes sem perder suas propriedades. Como o material polimérico B é inicialmente bastante flexível e por aquecimento tornou-se rígido, podemos afirmar tratar-se de um polímero termofixo, isto é, ele não pode ser amolecido pelo calor e remoldado. b) No polímero termoplástico (A), ocorrem encadeamentos lineares de moléculas formando fios que se mantêm isolados uns dos outros. Essa estrutura pode ser dissolvida em solventes orgânicos apolares. Já no caso do polímero termofixo (B), ocorrem ligações em todas as direções, o que impede a sua dissolução em solvente orgânico.

303

Química

06. (FGV SP) O polipropileno (PP), um termoplástico commodity, é uma das resinas que apresentou maior crescimento no consumo, nos últimos anos, devido à sua grande versatilidade em inúmeras aplicações. O monômero utilizado para obtenção do PP está representado na alternativa CH3

Para investigar a influência da concentração do catalisador sobre o grau de polimerização do glicerol (isto é, a porcentagem de moléculas de glicerol que reagiram), foram efetuados dois ensaios: Ensaio 1: 25g de glicerol +

0,5% (em mol) de H2SO4

25g de glicerol +

Questão 07.

H c) CH2 CH

H2 C

CH C

propenonitrito b)

H2 C

H2C

CH CH CH2

buta-1,3-dieno

CH CH2 CH CH CH2 C

N BuNa-N

07. A Buna N, também conhecido como perbunam, é um copolímero obtido através da adição, a partir da acrilonitrila e do 1,3-butadieno. Pertence ao grupo dos Elastômeros. Por ser uma borracha muito resistente aos óleos minerais, é muito empregada na fabricação de tubos para conduzir óleos lubrificantes em máquinas, automóveis etc. Considerando seus conhecimentos e as informações acima: a) Escreva as fórmulas estruturais dos dois monômeros que formam a BuNa N. b) Escreva a fórmula estrutural da BuNa N. 08. (IME RJ) Os náilons são polímeros usualmente empregados na forma de fios, úteis na fabricação de cordas, tecidos, linhas de pesca etc. Um dos mais comuns é o náilon-66, resultante da reação de polimerização entre a hexametilenodiamina (1,6-diamino-hexano) e o ácido adípico (ácido hexanodioico). Com base nesta informação, determine a fórmula mínima do náilon-66. C6H11NO 09. (Fuvest SP) O glicerol pode ser polimerizado em uma reação de condensação catalisada por ácido sulfúrico, com eliminação de moléculas de água, conforme se representa a seguir: HO

–H2O

trímero

polímero

a) Considerando a estrutura do monômero, pode-se prever que o polímero deverá ser formado por cadeias ramificadas. Desenhe a fórmula estrutural de um segmento do polímero, mostrando quatro moléculas do monômero ligadas e formando uma cadeia ramificada.

Questão 09. a) A polimerização ocorre quando os grupos — OH do glicerol se unem formando água. Uma possibilidade de segmento do polímero ramificado envolvendo quatro moléculas de glicerol é:

304

OH ... O

durante 4h

Ao final desses ensaios, os polímeros 1 e 2 foram analisados separadamente. Amostras de cada um deles foram misturadas com diferentes solventes, observando-se em que extensão ocorria a dissolução parcial de cada amostra. A tabela a seguir mostra os resultados dessas análises: Solubilidade (% em massa) Amostra

Hexano (Solvente apolar)

Etanol (Solvente polar)

Polímero 1

Polímero 2

b) Qual dos polímeros formados deve apresentar menor grau de polimerização? Explique sua resposta, fazendo referência à solubilidade das amostras em etanol. 10. (UEFS BA) O poli(acetato de vinila), PVA, representado de forma simplificada pela estrutura química, é utilizado na fabricação de tintas, adesivos, gomas de mascar, dentre outras aplicações. É um termoplástico, portanto, quando submetido a uma temperatura adequada, amolece, permitindo uma nova conformação. CH2

CH O C

PVA ou poli(acetato de vinila)

+glicerol

agitação e aquecimento  → polímero 2

+glicerol

–H2O

3% (em mol) de H2SO4

CH3

FRENTE C  Exercícios de Aprofundamento

durante 4h

Ensaio 2:

n H

agitação e aquecimento  → polímero 1

HO O O

OH O...

Considerando-se a informação e as propriedades das substâncias químicas, é correto afirmar: a) A elasticidade do poli(acetato de vinila) está associada à presença da cadeia carbônica insaturada. b) A estrutura química do PVA é constituída pelo grupo funcional das cetonas. c) O polímero representado é obtido a partir da condensação de um ácido carboxílico. d) O aquecimento adequado do PVA permite o reuso e a reciclagem do polímero. e) O PVA é um poliéter originário de um composto orgânico saturado.

Questão 09. b) A polimerização transforma a função álcool na função éter, o que diminui a polaridade do composto obtido, ou seja, quanto maior o grau de polimerização, menor a polaridade do polímero obtido. Como o polímero 1 é o mais solúvel em etanol (solvente polar), este é o que apresenta o menor grau de polimerização.