ESCOLA ESTADUAL RUI BARBOSA MÓDULO 9 – CONTEÚDO PROGRAMÁTICO DO ENEM 2013 Trabalho apresentado como parte integrante das exigências da disciplina de Química Larissa de Cássia Rodrigues PEDRO LEOPOLDO/MG. OUTUBRO/2013. QUÍMICA NO COTIDIANO A ciência, como um conjunto organizado de conhecimentos, apresenta-se dividida em várias disciplinas, que se relacionam entre si. Entre elas temos a Química, que estuda a natureza da matéria, suas propriedades, suas transformações e a energia envolvida nesses processos. Podemos dizer que tudo à nossa volta é Química, pois todos os materiais que nos cercam passaram ou passam por algum tipo de transformação. Desde muitos séculos se sabe que muitos materiais também podem emitir luz quando excitados. Isto ocorre quando os elétrons dos átomos absorvem energia e passam para níveis mais altos. Quando os elétrons voltam para os níveis mais baixos, liberam a diferença de energia. E esta liberação pode ocorrer na forma de emissão de luz. Este fenômeno é usado, por exemplo, na confecção dos fogos de artifício. Quando os fabricantes desejam produzir fogos de artifício coloridos, misturam à pólvora compostos de certos elementos químicos apropriados, utilizam sais de diferentes metais na mistura explosiva (pólvora) para que, quando detonados, produzam cores diferentes. Para se obter a cor amarela, por exemplo, adicionam sódio (Na), para conseguir o vermelho-carmim, colocam estrôncio (Sr). Quando querem o azulesverdeado, utilizam cobre (Cu). Desejando o verde, empregam o bário (Ba), se a cor desejada for a violeta, usam o potássio (K) e para o vermelho podem utilizar o cálcio (Ca). Na hora em que a pólvora explode, a energia produzida excita os elétrons desses átomos, ou seja, os elétrons "saltam" de níveis de menor energia (mais próximos do núcleo) para níveis de maior energia (mais distantes). Quando retornam aos níveis de menor energia, liberam a energia que absorveram, na forma de luz colorida. As diferentes cores são observadas quando os elétrons dos íons metálicos retornam para níveis menores de energia (mais internos), emitindo radiações com a coloração característica de cada "salto" energético (diferentes comprimentos de onda). Lembre-se do que acontece na sua cozinha, quando a água com sal do arroz escorre na panela e atinge a chama azul do fogo. Aparece uma coloração amarela bem forte. O sal de cozinha é o cloreto de sódio, e a cor característica do sódio é amarela. Os luminosos de neônio (Ne) e as lâmpadas de vapor de sódio ou mercúrio (Hg), utilizadas em iluminação pública, são dispositivos baseados em tubos de raios catódicos. Estes tubos são ampolas de vidro com um gás no seu interior, a baixa pressão, e que possuem extremidades metálicas onde se aplica uma diferença de potencial 2 elétrico. Eles são semelhantes aos tubos de imagem dos televisores. Nestes, há uma substância no estado gasoso, cujos elétrons são excitados por ação da corrente elétrica. Quando esses elétrons retornam, há a emissão e luz. Nos luminosos de gás neônio, a luz emitida é vermelha, e nas lâmpadas de vapor de sódio é amarela. Alguns seres vivos possuem um interessante mecanismo em seus organismos: reações químicas utilizam a energia (proveniente dos alimentos) para excitar elétrons de alguns átomos. Quando os elétrons voltam ao estado fundamental, há emissão de luz. Esse fenômeno é chamado de bioluminescência. O caso mais conhecido de bioluminescência é o dos vaga-lumes (ou pirilampos). Há evidências de que eles utilizam os sinais luminosos para se comunicarem com os parceiros do sexo oposto. A emissão de luz neste caso tem, portanto, finalidade relacionada ao acasalamento dos vaga-lumes. Há outras espécies de seres vivos (por exemplo, alguns fungos, algas, vermes e cnidários) que também apresentam bioluminescência, porém os cientistas ainda não esclareceram, em muitos casos, qual o papel que este fenômeno desempenha em suas vidas. Alguns materiais, quando absorvem radiação, emitem de volta luz visível. Esse fenômeno é chamado genericamente de luminescência. Quando a emissão ocorre imediatamente após a incidência da radiação, o fenômeno é chamado de fluorescência. Se, por outro lado, a emissão demorar alguns segundos ou até mesmo algumas horas, chamamos de fosforescência. Portanto as lâmpadas são fluorescentes e os interruptores de luz são fosforescentes. Podemos notar que a química está mesmo presente em tudo, desde a fabricação de fogos de artifício, até a comunicação entre os insetos. Estes fenômenos aparentemente são bem diferentes, mas, na realidade, utilizam as mesmas propriedades básicas da matéria como a espectroscopia, estrutura atômica, etc. O ensino de Química deve ser um facilitador da leitura do mundo. Deve-se ensinar Química para permitir ao cidadão uma melhor interação com o mundo. 3 QUÍMICA NA AGRICULTURA E NA SAÚDE A radioatividade vem sendo usada na agricultura de diversas formas, sendo que uma delas é na conservação de alimentos. A irradiação de frutas, legumes, cereais, frutos do mar, entre outros, diminui a quantidade de fungos e bactérias, aumentando, assim, seu tempo de conservação. Isso porque a multiplicação desses microrganismos é um dos principais causadores do apodrecimento dos alimentos. Normalmente o alimento é irradiado por raios gama e beta de elementos radioativos, principalmente o cobalto 60; além também de sofrer radiação ionizante proveniente de raios X e elétrons acelerados. O alimento costuma ficar exposto a essa fonte de radiação, mas sem ter contato direto com tal elemento. Além disso, essa radiação é controlada, ou seja, acontece por um tempo prefixado e com objetivos bem determinados. Por exemplo, se o alimento for submetido a uma radiação de 200 000 a 500 000 rad, ocorre à pasteurização do alimento, ou seja, ele vai ter mais tempo de conservação, mas desde que seja guardado em embalagens especiais ou em baixas temperaturas. No entanto, se essa radiação for maior, entre 2 e 4 milhões de rad, ocorre o que é chamado de esterilização, sendo que o alimento poderá ser conservado por mais tempo mesmo em temperatura ambiente. Para citar apenas dois exemplos, uma batata irradiada pode durar até um ano sem apodrecer ou brotar e um peixe também pode ser conservado por mais de nove meses; tudo isso em temperatura ambiente. Outro fator que aumenta o seu tempo de conservação é que a radiação pode alterar a estrutura molecular das frutas e legumes e inibir sua maturação por alterar processos fisiológicos das plantas. Esse tratamento vem sendo eficaz e é adotado em inúmeros países, inclusive no Brasil, porque apesar de existirem outros meios de conservação, como a pasteurização térmica e a conservação refrigerada, alguns alimentos (tais como carnes, peixes, mariscos, aves, etc.) não podem ser submetidos a esses tratamentos. Desse modo, a irradiação desses alimentos se torna uma boa alternativa. Outro benefício é o fato de esses alimentos permanecerem conservados mesmo em lugares agressivos em termos de temperatura, salinidade, umidade e outros fatores pelos quais passam principalmente os tripulantes de navios que ficam vários dias no mar, além do fato de que se eles vierem a naufragar esses alimentos terão mais tempo de vida, podendo alimentá-los e salvar suas vidas. O mesmo se aplica ao caso dos soldados do Exército, Marinha ou Aeronáutica. Um ponto negativo visto até o momento é que o sabor e aroma do alimento sofrem algumas alterações. O leite e seus derivados, além de alimentos muito gordurosos, não podem ser irradiados, pois sofrem reações de oxidação e ficam rançosos. Outro uso da radiação na agricultura é na determinação da absorção de fertilizantes pelas plantas. 4 QUÍMICA NOS ALIMENTOS Macarrão Instantâneo A modernidade trouxe mudanças em nossos hábitos, no vestuário e até em nossa alimentação. Diante da correria do dia a dia, quem nunca teve de se conformar com um macarrão instantâneo na hora do almoço? O miojo (nome popular para este tipo de macarrão) veio como uma alternativa para os “apressadinhos” que se quer tem tempo para se alimentar direito. Agora uma dúvida: será que esse alimento nutre nosso corpo garantindo a reposição física? É claro que não se deve substituir nosso nutritivo e tradicional arroz com feijão por esta guloseima. Apresentamos aqui alguns dos ingredientes presentes nesse tipo de macarrão que permitem que este alimento seja consumido esporadicamente para nosso sustento físico. Extrato de levedura: este aditivo, também encontrado na cerveja, é rico em vitaminas do complexo B e adicionado ao macarrão para torná-lo mais nutritivo. Vitamina B6: também conhecida como piridoxina, é encontrada em frutas e cereais e acrescentada ao alimento para completar o complexo vitamínico. Em se tratando do sabor característico, temos dois ingredientes: Guanilato dissódico: um pó branco fino que é usado para intensificar o sabor, esse ingrediente também pode ser encontrado em batatas fritas e sopas instantâneas. Glutamato monossódico: aminoácido que ativa as papilas gustativas e realça o gosto do alimento. É através destes componentes que o macarrão, mesmo sendo um produto précozido, mantém características que o tornam altamente apetitoso. Açaí O segredo está no pigmento que dá coloração ao fruto, isso mesmo, aquela bela cor roxa carrega substâncias que consagram o açaí como sendo um alimento antioxidante, são as chamadas antocianinas. O açaí também é rico em proteínas, gordura vegetal, vitaminas (B1, C e E), minerais e fibras. Ação no organismo: Os antioxidantes presentes na polpa neutralizam a oxidação na parte externa das células, e a presença dos minerais Cálcio e Ferro na composição 5 conferem a este alimento uma fonte benéfica para ossos e cartilagens, além disso, o fruto ainda auxilia nas funções da memória, reposição energética e trânsito intestinal. O consumo do açaí mais saudável é na forma de fruto, a polpa extraída ou suco também proporcionam benefícios, mas em menor quantidade. Agora vamos falar de um assunto que interessa principalmente as mulheres, todo alimento que contém antocianinas possui a ação de combater os radicais livres responsáveis pelo envelhecimento. Quer dizer então que o açaí é um rejuvenescedor? Isso mesmo, os radicais livres destroem as células do nosso corpo, incluindo as da pele. Se após essa notícia surgiu a ideia: ah! Agora vou devorar tigelas de açaí todos os dias! Lamento informar, mas esta concepção está errada por um único motivo: o organismo só absorve os nutrientes que precisa. Não adianta grandes porções se os benefícios contidos não irão parar em nossas células e sim resultar nuns quilinhos a mais, considerando o valor calórico do açaí: 349 calorias a cada 100 gramas. Diante dessa ação energizante é compreensível o motivo pelo qual os atletas não dispensam o consumo de açaí, apesar de ser um alimento calórico, então vale uma dica: é só ficar de olho na balança! Lágrimas e cebola A química está envolvida desde o cheiro até a reação que provoca em nossos globos oculares, a cebola possui várias substâncias químicas que estimulam nosso olfato, paladar e infelizmente nossos olhos. Vamos começar pelo cheiro, qual composto é responsável por aquele delicioso cheirinho de cebola frita na manteiga? São os óxidos sulfúricos derivados do ácido sulfúrico (H2SO4). Agora para explicar sobre as lágrimas precisamos ir um pouco além. Quando realizamos o corte de uma cebola, esta libera enzimas denominadas de alinases, estas por sua vez reagem com o óxido sulfúrico já presente na estrutura da cebola. A reação dá origem ao ácido sulfídrico que, por ser pouco estável, acaba se transformando em um gás volátil. O gás obtido na reação ao se volatilizar chega até os olhos provocando uma reação desagradável nos terminais nervosos da córnea, e para se defender estes terminais ativam as glândulas lacrimais, estas por sua vez liberam as lágrimas: a hora do choro. Existem diversas maneiras de prevenir este aborrecimento, um deles é cortar as cebolas utilizando o ventilador. Ligue um ventilador ao seu lado e em direção transversal apontado para a cebola de modo que o gás não chegue aos seus olhos, faça o teste e constate o que foi exposto aqui. 6 QUÍMICA E MEIO AMBIENTE A Química Ambiental estuda os processos químicos que acontecem na natureza, sejam eles naturais ou causados pelo homem, e que comprometem não só a saúde humana, mas de todo planeta. Teve sua origem na Química Clássica e se tornou uma ciência interdisciplinar por envolver outras matérias como: Biologia, Ecologia, Geologia. Essa parte da química estuda as mudanças que ocorrem no meio ambiente, mais precisamente, os processos químicos que envolvem essas mudanças e que causam sérios danos à humanidade. No Brasil, as últimas décadas foram marcadas por um crescimento da conscientização dos cidadãos sobre os danos causados pelas atividades humanas inadequadas. Sejam em indústrias ou em seus próprios lares, essas atividades têm gerado efluentes e resíduos: sólidos, líquidos e gasosos, que acabam tendo seu destino final na atmosfera, nos solos e nas águas. É importante este estudo para entender os aspectos químicos dos problemas que nós seres humanos criamos no meio onde vivemos. Esse mesmo ambiente há alguns anos antes de começar os processos de poluição, era um ambiente natural, ou seja, sem poluentes. O químico ambiental tem um grande campo de atividade em que ele pode trabalhar, tais como: indústrias químicas em geral, indústrias de alimentos, indústrias metalúrgicas, indústrias de cosméticos, indústrias de mineração e várias outras. Estas se preocupam em preservar o meio ambiente a medida que se utiliza dos seus recursos para elaboração dos seus produtos. Camada de Ozônio É um revestimento de ozônio que envolve a Terra e protege de vários tipos de radiação. O aumento do uso do CFC, que é o gás mais prejudicial à camada, causa sua destruição, já que quebra as moléculas de ozônio. Há alguns anos foi descoberto um buraco sobre a Antártida que tem 31 milhões de quilômetros quadrados. O CFC prejudica o ozônio da seguinte forma: As moléculas chegam a estratosfera e são expostas a uma grande quantidade de raios ultravioleta. O átomo de Cloro se desprende e rompe o O3 formando ClO e O2. Depois o cloro se desprende do oxigênio e passa a destruir o ozônio. Consequências: Aumento da incidência do câncer de pele, devido à ação dos raios ultravioletas, aumento do efeito estufa, o que causaria o crescimento de temperatura. Assim, descongelaria as geleiras polares, aumentando o nível das águas nos oceanos. 7 INDÚSTRIA QUÍMICA: OBTENÇÃO E UTILIZAÇÃO Cloro O cloro usado comercialmente com esse nome, não é o cloro que está na tabela periódica. Na verdade, esse cloro comercial é um sal de cloro, hipoclorito de sódio: NaClO O cloro livre se apresenta como um gás que possui a coloração amarelo esverdeado, sendo ele venenoso e utilizado como uma arma química (uma de suas aplicações). Ele é, geralmente, encontrado na natureza, em combinações, tais como cloretos, sendo estes cloretos encontrados em minerais, como a halita (NaCl), a silvita (KCl) e a carnalita KCl · MgCl2 · 6H2O, que são encontrados em depósitos subterrâneos, (nas minas de sal). Na Rússia existe uma grande obtenção de NaCl a partir de minas de sal. O NaCl também é obtido a partir de oceanos, que é a principal forma de obtenção do NaCl no Brasil, sendo que o NaCl é o principal componente do sal de cozinha, que apresenta também KCl e outros sais, mas em menores proporções, além do iodo, que é uma exigência do ministério da saúde para diminuir a incidência de tireoide ou bócio na população. O iodo é adicionado na forma de um sal de iodo, geralmente o KI. O NaCl é a principal forma de se encontrar o cloro na natureza, ou seja, a principal fonte de obtenção de cloro é a partir do cloreto de sódio. O cloro industrial (Cl2) é produzido principalmente, pela eletrólise do NaCl fundido ou em solução, sendo assim, o Cl2, ou seja o gás cloro é muito difícil de se encontrar na natureza em concentrações favoráveis. O cloro é empregado para potabilizar a água de consumo dissolvendo-o nela. Também é usado como oxidante branqueador e desinfetante. É gasoso e muito tóxico (neurotóxico), foi usado como gás de guerra na Primeira e na Segunda Guerra Mundial. Este halogênio forma numerosos sais, obtidos a partir de cloretos por processos de oxidação, geralmente mediante a eletrólise. Combina-se facilmente com a maior parte dos elementos. É ligeiramente solúvel em água (uns 6,5 g de cloro por litro de água a 25 °C) formando, em parte, o ácido hipocloroso, HClO. O cloro é aplicado principalmente no tratamento de água, no branqueamento durante a produção de papel e na preparação de diversos compostos clorados, como por exemplo, o hipoclorito de sódio e hipoclorito de cálcio. 8 Um processo de tratamento de águas amplamente utilizado é a cloração. O agente é o ácido hipocloroso , HClO , que se produz dissolvendo cloro na água e regulando o pH. Outra aplicação que vem ampliando sobremaneira os níveis de qualidade de vida das populações que usufruem deste processo, é a aplicação de cloro em estações de tratamento de esgoto. Na produção de papel se emprega cloro no branqueamento da polpa, apesar de estar sendo substituído pelo dióxido de cloro, ClO2. Uma grande parte de cloro é empregada na produção de cloreto de vinila, composto orgânico usado como matéria-prima para a obtenção de policloreto de vinila, conhecido como PVC. Também é utilizado na síntese de numerosos compostos orgânicos e inorgânicos como, por exemplo, o tetracloreto de carbono (CCl4), o clorofórmio (CHCl3) e diferentes halogenetos metálicos. Também é empregado como agente oxidante. Preparação de cloreto de hidrogênio puro, que pode ser obtido por síntese direta: H2+Cl2→2HCl. Hidróxido de Sódio O hidróxido de sódio (NaOH), também conhecido como soda cáustica, é um hidróxido cáustico usado na indústria (principalmente como uma base química) na fabricação de papel, tecidos, detergentes, alimentos e biodiesel. Também usado para desobstruir encanamentos e sumidouros pelo fato de ser corrosivo. É produzido por eletrólise de uma solução aquosa de cloreto de sódio (salmoura). O principal processo para obtenção do hidróxido de sódio atualmente é a eletrólise da água salgada. A reação simplificada é mais ou menos assim: NaCl + H2O --eletrólise----> NaOH + Cl2 + H2. Muito antigamente era obtido das cinzas vegetais a soda (carbonato de sódio Na2CO3). A soda era tratada com hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) para formar o hidróxido de sódio. É utilizado em reações químicas por sua alta reatividade. Exemplos: em degradações, onde é usado para preparar alcanos a fim de diminuir a quantidade de carbono na cadeia. Usado também, juntamente com o óxido de cálcio (CaO), para diminuir a reatividade e prevenir a corrosão dos tubos de ensaio. O manuseio do hidróxido de sódio deve ser feito com total cuidado, pois apresenta um quadro considerável de danos ao homem. Se for ingerido, pode causar danos graves e às vezes irreversíveis ao sistema gastrointestinal, e se for inalado pode causar irritações, sendo que em altas doses pode levar à morte. O contato com a pele também é um fato perigoso, pois pode causar de uma simples irritação até uma úlcera grave, e nos olhos pode causar queimaduras e problemas na córnea ou no conjuntivo. 9 Em casos de contato com o hidróxido de sódio, deve-se colocar a região exposta em água corrente por 15 min e procurar ajuda médica, se for ingerido deve-se dar água ou leite à vítima sem provocar vômito na mesma, se for inalado levar a vítima para um local aberto para que possa respirar. Se caso a vítima não esteja respirando, é necessário usar respiração artificial. Utilização: Tratamento de efluentes (resíduos), através da mudança de pH; Tratamento de celulose; Detergentes e sabões; Borrachas remanufaturadas; Catalisador de hidrólise de nitrilas, ésteres e cloretos de acila; Fabricação de vidros opacos; Indústria alimentícia (correção de pH). Ácido Sulfúrico O Ácido Sulfúrico é tido como um indicador da economia de um país, pois é o produto químico mais utilizado pela indústria. Sua aplicação tem larga escala, desde em fertilizantes e baterias de automóveis, até no refino do petróleo. É um composto químico inorgânico, cuja fórmula é H2SO4. É um líquido incolor, viscoso e oxidante, pouco volátil, seu Ponto de Ebulição é 338°C e densidade 1,84g/cm3. É extremamente solúvel em água, porém, isto deve ser feito com muita cautela, sempre despejando o ácido na água e não o contrário, pois se isto não for seguido, seus vapores são liberados agressivamente, podendo causar queimaduras graves no corpo do operador ou de alguém próximo. É um ácido corrosivo e tóxico, pode causar bastante irritação e queimaduras, além de ser nocivo caso haja inalação, contato com a pele ou ingestão. Pode-se dizer que o consumo per capita do ácido sulfúrico mede o desenvolvimento industrial de um país, pois este produto químico tem uma enorme importância na indústria de base, sendo o composto mais utilizado; ficando atrás apenas da água. Alguns dos seus principais usos são: • As baterias de chumbo-ácido presente em automóveis contêm ácido sulfúrico como eletrólito; • Na fabricação de explosivos; • No refino do petróleo, removendo impurezas da gasolina e de outros óleos; • Na produção de outros ácidos, como o ácido fosfórico (H3PO4) e o ácido Nítrico (HNO3); • Na indústria de fertilizantes. 10 Sua produção se dá por meio de um processo denominado catalítico ou de contato, onde o primeiro passo é a queima do enxofre, onde há a liberação de dióxido de enxofre (SO2). Posteriormente, este gás é oxidado, formando o trióxido de enxofre (SO3), que, por fim, sofre uma reação com a água, formando então uma solução aquosa de ácido sulfúrico, conforme mostrado pelas etapas de tratamento abaixo: 1ª Etapa: S(S) + O2 → SO2 (g) 2ª etapa: 2 SO2 (g) + O2 → 2 SO3 3ª ETAPA: SO3(g) + H2O (l)→ H2SO4(l) Amônia O processo de Haber-Bosch para obter amônia recebeu este nome devido aos seus criadores: Fritz Haber (1868 – 1934) e William Carl Bosch (1874 – 1940), no processo estipulado por eles, a amônia é produzida a altas temperaturas (500 °C e pressão de 200 atm). Como se vê, a temperatura e pressão são altíssimas, o que permite obter o produto: a amônia líquida, que pode ser usada como fertilizante para a agricultura ou ainda para diminuir a acidez do solo. Equação do processo: N2(g) + 3 H2(g) ↔ 2 NH3(g) ∆ H = -92,22 Kj Repare que esta equação é de formação da amônia no estado gasoso, veja agora alguns procedimentos da produção artificial de amônia líquida: 1. Uma mistura gasosa de N2 e H2 é colocada em um reator; 2. Ao reagir e atingir o equilíbrio, a mistura de N2 e H2 é transferida para um condensador; 3. Nesta etapa a amônia formada se encontra no estado gasoso: NH3(g), mas quando passa pelo condensador se converte em líquida; 4. Estando a amônia liquefeita é então retirada e pode ser usada. A síntese da amônia pelo processo de Haber-Bosch é economicamente viável e vastamente utilizada. A amônia pode ser usada diretamente como fertilizante ou ainda constituir matéria prima principal para a produção de fertilizantes nitrogenados. Outra utilização da 11 amônia é para a produção de explosivos, esta aplicação também foi descoberta por Haber. O cientista notou que quando a amônia é oxidada produz ácido nítrico, componente essencial para a obtenção de pólvora. Estas descobertas renderam a Fritz Haber um prêmio Nobel de Química no ano de 1918. Haber teve uma contribuição valiosa para a Alemanha durante a Primeira Guerra Mundial, através de seus estudos sobre a aplicação da amônia para produzir a pólvora foi possível reduzir os custos na obtenção de explosivos usados em grande escala nas batalhas. A amônia serve de matéria-prima para um número elevado de aplicações. Ela é utilizada na fabricação de fertilizantes agrícolas, fibras e plásticos, de produtos de limpeza, de explosivos, etc. Entre tantos empregos, podemos destacar: Fertilizantes: sulfato de amônio, fosfato de amônio, nitrato de amônio e uréia. Produtos químicos: ácido nítrico (utilizado na preparação de explosivos). Fibras e plásticos: nylon e outras poliamidas. Produtos de limpeza: detergentes e amaciadores de roupa. 12