Categoria: Físico-química

Gelo Selvagem

baseball na neve
Soldados da Guarda Costeira dos EUA do quebra-gelo Northwind jogam beisebol no congelado Mar de Bering em 1953. (Fonte: Library of Congress)

No espaço ninguém pode ouvir o grito do gelo!* Por mais de 100 anos os cientistas têm descoberto e criado gelos exóticos e bizarros. Gelos que podem até queimar um buraco em você!

Uma história sobre o gelo pode parecer fora do lugar na edição de verão da Chemical Heritage, mas hoje vamos abraçar essa loucura. Esta é uma história sobre o gelo estranho – gelo que queima, gelo que afunda em vez de flutuar, gelo literalmente fora deste mundo. Então, se você tem uma bebida gelada na mão, dê uma olhada nos cubos em seu copo e deixe sua imaginação vagar, porque este é um lado do gelo que você nunca viu.

O gelo comum que você encontra em cubos de gelo – chamado gelo Ih , ou “gelo um-h” – é tecnicamente um mineral, uma vez que é inorgânico e tem uma estrutura cristalina regular. Especificamente, suas moléculas se organizam em uma rede de minúsculos hexágonos, uma simetria de seis eixos que, por fim, é subjacente à forma dos flocos de neve. Praticamente todo o gelo na Terra é de gelo Ih, e é uma coisa boa também! Seus hexágonos espaçosos o tornam menos denso que a água líquida; por isso flutua em lagos e estuários e, na verdade, isola abaixo criaturas aquáticas frágeis, protegendo-as do vento e do frio. Sem gelo Ih vida como a conhecemos não existiria.

Mas falar sobre gelo e mencionar somente o gelo Ih é como falar sobre o chocolate e mencionar somente o Hershey. Os gelos exóticos ainda são feitos de H2O, é claro, mas as moléculas individuais se libertam da camisa de força hexagonal e remodelam. Muitos sólidos podem sofrer um rearranjo similar. Se você já abriu um antigo beijo da marca Hershey e encontrou um cone marrom e esbranquiçado dentro da embalagem, viu o chocolate fazer exatamente isso. (Durante essa “floração do chocolate” as moléculas de cacau se comprimem, aumentando a densidade do chocolate e empurrando a gordura para a superfície.) Mas poucos sólidos podem formar tantas “fases” distintas quanto o gelo.

Os cientistas criam diferentes fases de gelo submetendo uma pequena amostra à pressões monstruosamente altas, milhões de vezes mais altas que a pressão atmosférica. E com pressões tão altas, o gelo pode permanecer sólido a temperaturas de milhares de graus – um verdadeiro gelo quente. Se você pudesse de alguma forma colocar pedaços desses gelos em um copo de água líquida, eles vaporizariam. (Imagine os truques em festas.) Em um nível molecular, a alta pressão deforma as ligações hexagonais, forçando as moléculas de H2O ficarem como losangos, tetrágonos e outras geometrias alternativas. A alta pressão também pode forçar as moléculas de H2O a se espremerem nos orifícios dos centros dessas formas, prendendo-as como insetos em minúsculas gaiolas. Essa ação aumenta a densidade e torna esses gelos pesados ​​o suficiente para afundar na água. Em pressões super altas, alguns químicos prevêem que o gelo se transforma em metal.

Os cientistas criaram os primeiros gelos exóticos, gelo II e gelo III, por volta de 1900; a lista agora se estende até o gelo XV, descoberto em 2009. A criação desses gelos é mais que um exercício acadêmico. As moléculas de gelo são mantidas juntas pelas mesmas ligações de hidrogênio que, entre outras coisas, mantêm as fitas de DNA juntas; então formar novos gelos ajuda a sondar a natureza desta ligação. Além do mais, enquanto gelo Ih domina a biosfera, outros gelos existem naturalmente. Um gelo estruturalmente semelhante aos diamantes, gelo Ic , provavelmente existe na atmosfera superior. Os interiores densos e quentes de Netuno e Urano provavelmente contêm pedaços de gelos não hexagonais, assim como os exoplanetas em volta de estrelas distantes, uma consideração potencialmente importante à medida que procuramos vida além do nosso Sistema Solar.

No universo em geral, no entanto, os gelos I a XV são vastamente superpovoados pelo chamado gelo amorfo, gelo cujas moléculas se organizam aleatoriamente, sem qualquer estrutura cristalina. Formas de gelo amorfo se formam no congelamento rápido no espaço profundo. As pepitas microscópicas desse gelo também tendem a parecer amorfas, já que não há moléculas suficientes para se manterem juntas em um cristal comum.

Essa transição do gelo amorfo para o cristal de gelo intrigou por muito tempo os cientistas, e alguns deles até tentaram determinar exatamente quantas moléculas são necessárias para formar um cristal de gelo genuíno. Isso pode parecer uma pergunta sem resposta – como perguntar em que ponto um homem perdendo os cabelos, um a um, fica careca. Mas acredite ou não, uma experiência no outono passado na Alemanha determinou a resposta.

O experimento envolveu a adição lenta de moléculas de H2O a um núcleo de átomos de sódio e a sondagem de quais comprimentos de onda de luz infravermelha eles absorveram. O gelo amorfo apresentou um pico de absorção em um determinado comprimento de onda; o cristal de gelo tinha um pico a um comprimento de onda ligeiramente maior. A mudança de um para o outro ocorreu de maneira surpreendentemente rápida. Abaixo de 250 moléculas, o pico amorfo dominou. Mas em 275 moléculas, o pico de comprimento de onda do cristal começou a surgir à medida que um cristal rudimentar tomava forma. Por 475 moléculas, esse pico sozinho dominou. Então, dependendo de onde você traçou o limite, apenas 0,000000000000000000008 gramas de água “contam” como cristal de gelo.

Isso é muito menor, é claro, do que até mesmo os pedaços pequenos ainda restantes no seu copo. No entanto, eles logo atravessarão esse limite e desaparecerão da existência. A meia-noite soará, e todas essas fantasias de gelo em chamas, gelo que afunda e gelo metálico vão evaporar. Pelo menos até os químicos do gelo descubram uma nova maravilhosa manifestação.

*Nota do tradutor: A expressão ´Ice scream’ pode ser traduzida como gelo gritar. Mas é também uma brincadeira com a sonoridade da palavra ‘ice cream’, traduzida como sorvete.

Texto escrito por Sam Kean.

Traduzido por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ) do original ‘Wild Ice’ com autorização oficial dos detentores dos direitos. Revisado por: Kelly Vargas.

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Bolsa especial para filtrar urina humana

bolsa para filtrar urina
Dr Kevin Fong demonstra em uma palestra na Royal Society, na Inglaterra, uma bolsa especial que consegue fazer a reciclagem a urina humana.

Na verdade são duas bolsas, uma dentro da outra, a bolsa interna possui uma membrana semi-permeável especial que permite apenas a passagem da água, deixando os resíduos da urina na outra parte da bolsa.

O efeito é garantido pela adição de um ‘xarope’ que promove a migração osmótica da água pela membrana semi-permeável.

E um aviso bem chamativo informa onde você deve urinar e onde deve beber a água purificada. Não é uma boa ideia confundir o lado.
onde entra a urina e onde sai a água

Ok! Kevin diz que infelizmente o cheiro e gosto não são muito bons. Ainda lembram muito a urina. Mas ele garante que o processo é seguro. 😉

Vídeo com legenda em português.

Legenda e texto escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

Dica de leitura
Urina como fonte de hidrogênio

Selando gases em tubos

cody mostra coleção de gases
O Cody Reeder, do canal Cody’s Lab, tem uma coleção de gases e no vídeo abaixo mostra o procedimento que utiliza para isolar e selar os gases dentro de tubos de vidro. A principal demonstração foi feita com o gás óxido nitroso!

O vidro utilizado tinha 10 milímetros de diâmetro com paredes de 2 milímetros de espessura.

Cody comenta que a principal dificuldade do procedimento é evitar que a água gerada pela combustão no maçarico usado para selar os tubos não fique presa dentro do tubo. Além de que é necessário observar bem a massa do gás que se deseja guardar no tubo para não se exceder um valor que cause uma alta pressão e rompimento da ampola.

Vídeo com legenda em português.

Atenção! Este procedimento pode gerar altas pressões que podem resultar em explosões e ferimentos. Além disso a eventual manipulação de nitrogênio líquido pode ser bem perigosa. Somente pessoas treinadas e com equipamento de segurança são autorizadas para realizar este tipo de procedimento.

Texto e legenda escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

Dissolvendo casca de ovo com gás carbônico

pedaço de gelo seco em tubo de metal
Atenção – Este experimento é EXTREMAMENTE PERIGOSO.

O gás carbônico (CO2) se dissolve em água e gera uma pequena quantidade de ácido carbônico (H2CO3) – o que leva uma acidificação da água. É importante lembrar que mesmo a água muito pura terá um pH abaixo da neutralidade (pH 7) se deixada em um recipiente aberto – por causa do CO2 do ar que se dissolve aumentando a acidez (diminui o pH).

Cody Reeder resolveu testar o efeito de CO2 pressurizado sobre a água que continha um ovo. A ideia é que o gelo seco (gás carbônico sólido) passe para a água aumentando a acidez e assim dissolvendo o carbonato de cálcio, que é boa parte da composição da casca do ovo.

Para demonstrar que o carbonato de cálcio realmente se dissolveu o Cody fez uma evaporação da água, obtendo novamente o carbonato de cálcio precipitado.

Vídeo com legenda em português!

Este experimento é EXTREMAMENTE PERIGOSO. Não tente repetir. O gelo seco causará um grande aumento de pressão ao passar para a fase gasosa. O perigo de explosão é muito alto.

Texto e legenda escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

Conservação da energia e a impossibilidade do moto perpétuo

Dianna segura um pássaro sedento
Dianna Cowern, do canal Physics Girl, faz o clássico desafio “E eu dissesse para você que construí uma máquina que cria energia!?”. Rapidamente um conhecedor das leis da termodinâmica diria que é impossível criar energia (Primeira lei da termodinâmica).

Entre as primeiras tentativas de construir máquinas de movimento perpétuo estavam as rodas desequilibradas, e Dianna demonstra que o atrito e o deslocamento do centro de massa da roda são os primeiros empecilhos que alguém encontraria ao tentar construir um moto perpétuo deste estilo.

O tradicional brinquedo do ‘pássaro sedento’ serve como explicação de que algo que aparentemente funcionaria de forma perpétua na verdade é dependente de pequenas diferenças de temperatura causadas pela evaporação da água. E isso não é um moto perpétuo, é uma máquina térmica.

Vídeo com legenda em português. Veja como ativar a exibição da legenda do vídeo.

Se você tem interesse em conhecer diversos dispositivos de tentativas (desastradas) de construir máquinas de movimento perpétuo, visite http://www.feiradeciencias.com.br/sala25/index25.asp.

Ah… a palavra ‘moto’ é um sinônimo de ‘movimento’; e não tem relação com motocicletas. 😉

Legenda e texto escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).

O que é a segunda lei da termodinâmica?

câmera sensível ao calor filmando caneca
O conceito de entropia pode ser difícil para muitas pessoas. E é normal ter dúvidas sobre esse conceito.

O vídeo abaixo pode ser mais uma peça que você precisa para montar esse quebra-cabeças. Com alguns exemplos de probabilidades de distribuição, mistura em um copo de café e ovos quebrando; e a relação disso com a ‘seta do tempo’ – com muito tempo restante para que se atinja um máximo de entropia.

Vídeo com legenda em português!

A apresentadora fala que a entropia é uma medida da desordem no Universo. E neste ponto temos que ter cuidado para interpretar essa frase em termos da energia; e devemos evitar pensar diretamente na desordem de um quarto bagunçado ou de um baralho de cartas.

Legenda e texto escritos por Prof. Dr. Luís Roberto Brudna Holzle ( luisbrudna@gmail.com ).