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Coisas do Átomo
(Parte 2 - Os metais no campo da 'eletricidade')

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br 

Introdução
Na última parte do século dezoito, havia considerável interesse pelos peixes geradores de diferenças de potenciais elétricos (ou geradores de ''eletricidade'', como é mal costume citar nos textos de divulgação científica; sobre isso, recomendo a leitura "Corrigindo velhos chavões", da Sala 19. Assim, quando eu colocar a palavra ''eletricidade'', entre plics, estarei sempre salientando minha oposição ao seu mal uso.), tais como a enguia elétrica ou Gymnotus. 
Foram feitos relatórios sobre eles por John Hunter (1773), Cavendish (1776) e outros. Acreditava-se geralmente que seus choques eram de natureza elétrica. Isto levou Luigi Galvani (1737-1798) de Bolonha a investigar o efeito da 'eletricidade' sobre os nervos.
Descobriu subseqüentemente que a 'eletricidade' podia produzir contrações musculares e, inversamente, que as contrações musculares podiam produzir 'eletricidade'.

Continuando o trabalho de Galvani, Alessandro Volta (1745-1827), de Pávia, fez uma importante descoberta. Descobriu em 1800 que um par de moedas feitas de metais diferentes podem produzir, quando em contato, uma corrente elétrica. Imediatamente construiu sua famosa pilha voltaica, a primeira bateria elétrica. A ilustração mostra sua construção. A 'pilha' é uma série de discos de prata e de zinco alternados, embora outros metais possam ser utilizados. 


Pilha elétrica de Volta (a) e “couronne de tasses” (b)

Cada par é comprimido entre tiras de papel embebido em água salgada. A tomada da corrente é feita nos discos superior e inferior, com fios metálicos. Estes são ligados a qualquer corpo externo, através do qual se deseja passar a corrente. Os mesmos resultados foram obtidos com a famosa couronne de tasses (1800) de Volta, conforme se ilustra acima, em (b). Os pares de placas de prata e zinco são colocados em tinas de água salgada ou ácido diluído, e ligadas por fios, conforme se vê.

Novos metais descobertos pela 'eletricidade'
Logo que Volta publicou sua surpreendente descoberta, os químicos apressaram-se em usar essa poderosa ferramenta nova. Na Inglaterra, por exemplo, a água foi decomposta pela corrente elétrica em hidrogênio e oxigênio, no mesmo ano da publicação feita por Volta.

Supunha-se geralmente que a corrente elétrica estava de certa maneira relacionada com as transformações químicas dos materiais da pilha. Assim, a atração entre os átomos de uma substância adquiriu o aspecto de uma espécie de atração elétrica. A atração que mantém juntas as moléculas tinha sido anteriormente considerada como gravitacional.

A nova pilha voltaica excitou a imaginação de Berzelius. Talvez aquela poderosa arma pudesse ser utilizada para analisar os muitos compostos renitentes que tinham resistido a esforços despendidos durante séculos para decompô-los em seus elementos. Ele publicou um documento sobre o assunto, de parceria com seu amigo von Hisinger — com quem há muito partilhava o indispensável cadinho de platina. O documento discutia a divisão dos compostos em seus elementos, por meio da pilha voltaica. Os dois fios terminais da pilha seriam colocados em um composto, de maneira a fazer passar uma corrente por ele. Sugeriu a teoria de que os metais sempre se deslocariam para o terminal negativo, enquanto que os não-metais iriam para o positivo.

Alguns anos depois, um jovem químico inglês, Humphry Davy (1778-1829), fez passar a nova corrente elétrica através de vários compostos, e 'eletrificou' a imaginação do mundo científico. Usando a pesquisa de Berzelius e a nova pilha elétrica de Volta, ele isolou muitos novos e estranhos elementos, que tinham propriedades jamais sonhadas. A potassa e a soda tinham sido usadas por incontáveis séculos, e no entanto nenhum cientista tinha a menor idéia dos elementos metálicos escondidos nelas. Davy construiu uma poderosa bateria voltaica de cento e cinqüenta células e fez sua corrente passar por uma certa quantidade de potassa fundida. Logo observou a magnificente decomposição que tinha antecipado. Exatamente como havia predito Berzelius, glóbulos de um metal prateado formaram-se no pólo negativo, incandescendo-se imediatamente, produzindo luz intensa. Sendo um excelente experimentador, ele logo conseguiu realizar a decomposição de tal maneira que o metal não se inflamasse quando entrasse em contato com o oxigênio. Quando colocou na água os glóbulos de metal, eles deslizaram como insetos aquáticos, queimando-se com uma chama cor azul arroxeado. Como o novo metal era proveniente da potassa, foi chamado de “potássio”. O processo elétrico para sua obtenção é chamado de eletrólise.

Entre os anos de 1807 e 1808, Davy fez passar correntes elétricas por seis substâncias que jamais tinham sido analisadas, decompondo-se em seus elementos. Esses elementos eram o oxigênio, de um lado, e seis metais novos. As substâncias compostas eram os álcalis, potassa e soda, e as chamadas terras alcalinas, barita, estrôncia, cal e magnésia. Ele chamou aos elementos metálicos correspondentes de potássio, sódio, bário, estrôncio, cálcio e magnésio. Um novo método de análise, a eletrólise, tinha entrado na prática da Química. Era uma ferramenta magnífica, que iria dar à Humanidade um maravilhoso metal novo — o alumínio.

Lei de ação da massa
Berthollet estava errado em sua controvérsia com Proust acerca da lei das proporções fixas (ou constantes). Estando assegurada a vitória de Proust naquela batalha, a Química rejeitou outra idéia de Berthollet que continha o germe de urna importante descoberta. O ponto realmente importante defendido por Berthollet é o de que as reações químicas nem sempre prosseguem até que todos os corpos químicos estejam esgotados. Isto é verdadeiro mesmo que as quantidades das substâncias originais estejam precisamente nas quantidades teoricamente corretas para realizar uma reação completa. Para compreender o ponto de vista de Berthollet, consideremos a reação que os químicos agora chamam de “reversível”. Black tinha mostrado que quando o giz é aquecido, transforma-se em cal, liberando dióxido de carbono para a atmosfera. A reação pode ser escrita da forma seguinte, onde as setas significam rendimentos:

giz ==> cal + ar fixo
CaCO3 ==> CaO + CO2
carbonato de cálcio ==> óxido de cálcio + dióxido de carbono

Mas os mesmos três corpos químicos podem ser envolvidos na reação exatamente oposta. Se a cal for dissolvida na água, produzirá uma solução chamada água de cal. Quando o dióxido de carbono é passado pela água de cal, une-se com a cal, e o pó de giz acomoda-se no fundo da proveta. Como o giz não é muito solúvel na água, não pode permanecer em solução. Diz-se que forma um precipitado, ou que se “precipita” da solução. A reação química é escrita, agora, com setas invertidas.

Por que a seta aponta para a direita na reação anterior, e para a esquerda, no caso da proveta de água de cal? (A água não entra na reação. A mesma reação ocorreria se um fluxo de gás CO2 fosse passado através de CaO em pó, embora fosse mais demorada.) Certamente não há nada de absoluto na maneira pela qual estas substâncias reagem umas sobre as outras.

Na reação do forno de cal, o giz transforma-se completamente em cal, porque o CO2 é volátil — é um gás que deixa imediatamente a região da reação química. Por causa disso, não pode combinar-se com a cal formada na ocasião, para transformar uma parte dela novamente em giz. A reação da água de cal completa-se porque o giz deixa a solução na forma de precipitado. CO2 adicional passa através da solução de cal até que toda a cal combine com o CO2 e se sedimente como giz. Outra maneira de apresentar a questão é dizer que há um excesso de dióxido de carbono na reação.

Outro exemplo nos ajudará a tornar claro este ponto. Quando o vapor de água ou óxido de hidrogênio é passado sobre o ferro aquecido ao rubro, são produzidos óxido de ferro e hidrogênio:

ferro + vapor ==> óxido de ferro + hidrogênio
3Fe + 4H2O ==> Fe3O4 + 4H2

Três átomos de ferro (Fe) mais quatro moléculas de vapor de água produzem uma molécula de óxido de ferro e quatro moléculas de hidrogênio (H2). Inversamente, quando o gás hidrogênio é passado sobre óxido de ferro aquecido, obtemos vapor de água e ferro metálico.

hidrogênio + óxido de ferro ==> vapor d'água + ferro
4H2 + Fe3O4 ==> 4H2O + 3Fe

É claro que esta também é uma reação reversível. Uma vez mais, o que determina o sentido da seta? Na reação anterior, há um grande excesso de vapor de água e o hidrogênio formado é empurrado pelo fluxo de vapor, não podendo reagir com o óxido de ferro. Na segunda reação, o hidrogênio está presente em abundância, e o vapor de água é levado pelo fluxo de hidrogênio. É impedido, assim, de reagir com o ferro metálico. Modificando as concentrações relativas de vapor e de hidrogênio, um químico pode fazer a reação ocorrer em qualquer uma dos dois sentidos.

Suponhamos que aquecemos todas as quatro substâncias em um vaso fechado. Qual reação ocorrerá? A resposta é ambas. O vapor de água reagirá com o ferro, e o hidrogênio reagirá com o óxido de ferro. Eventualmente se produzirá uma condição de equilíbrio. As duas reações ocorrerão então simultaneamente, de maneira que uma anulará a outra. Nenhuma delas prosseguirá até o final. As quantidades de ferro e de óxido de ferro produzidas dependerão das concentrações de hidrogênio e de vapor de água. Quanto maior a concentração de hidrogênio tanto maior será a quantidade de ferro. Quanto maior a concentração de vapor de água tanto maior será a quantidade de óxido de ferro. 
A lei de ação da massa (ou de Equilíbrio) ajuda-nos a compreender o porque. A lei estabelece que a razão ou velocidade de qualquer das reações depende das concentrações das substâncias reagentes. Se houver excesso de vapor de água a reação vapor + ferro se acelera. Se houver excesso de hidrogênio, acelera-se a reação hidrogênio + óxido de ferro. Dependendo das concentrações relativas, uma das reações reversíveis se acelera e a outra se retarda, até ser obtida uma condição de equilíbrio. Há então uma relação definida entre a concentração de vapor de água e a concentração de hidrogênio.

Muitas reações, como a do forno de cal, prosseguem até o final porque um dos produtos da reação é volátil — isto é, um gás. Quando o sal de mesa e o ácido sulfúrico se combinam, um dos produtos resultantes é o HCl, que é volátil e se escapa.

Sal + ácido sulfúrico ==> sulfato de sódio + cloreto de hidrogênio
2NaCl + H2SO4 ==> Na2SO4 + 2HCl

O equilíbrio não pode ser estabelecido por causa do HCI que escapa, e a reação prossegue até completar-se. Outras reações prosseguem até o final porque uma das substâncias é insolúvel:

Cloreto de bário + sulfato de sódio ==> sulfato de bário + sal
BaCl2 + Na2SO4 ==> BaSO4 + 2NaCl

O sulfato de bário precipita-se porque é insolúvel. Assim sendo, sulfato de bário adicional é continuamente formado para tomar seu lugar, até que um dos produtos químicos iniciais se esgote.

Mesmo que nenhum dos produtos químicos se precipite ou volatilize nas temperaturas ordinárias, ainda assim é possível que algumas reações prossigam até se completarem. Tal pode acontecer se o produto final desejado tiver uma temperatura de ebulição muito mais baixa que os outros líquidos envolvidos. Por exemplo, eis aqui um antigo método de preparação do ácido nítrico:

nitrato de sódio + ácido sulfúrico ==> bisulfato de sódio + ácido nítrico
NaNO3 + H2SO4 ==> NaHSO4 + HNO3

O ácido nítrico entra em ebulição a 86 oC (157 oF), temperatura esta que é muito inferior à do ponto de ebulição do ácido sulfúrico (330 oC ou 646 oF). Isto torna possível destilar o HNO3 partindo de uma mistura de NaNO3 e H2S04 em um aparelho semelhante ao que se mostra na ilustração abaixo. Devido ao seu ponto de ebulição mais baixo, o HNO3 destila-se antes que o H2SO4.


Aparelho para destilar o ácido nítrico (HNO3), 
partindo de uma mistura de nitrato de sódio 
e ácido sulfúrico no recipiente aquecido.

 

Segue: Coisas do átomo (Parte 3)


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