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Coisas do Átomo
(Parte 4 -
Catalizador - o ajudante do Químico)

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

Introdução
Desde a descoberta do monóxido de carbono (CO), sabia-se que se pode fazer o gás unir-se com o oxigênio para formar o gás dióxido de carbono (CO2). Esta reação provoca a chama azul que vemos sobre as jazidas de carvão. Entretanto, quase no final do século dezoito, soube-se que, para que a reação tenha lugar, é necessária a presença de uma certa quantidade de água. Essa quantidade é mínima, mas sua presença acelera acentuadamente a reação. As medidas provam que a água não
entra na reação. Após a reação, há exatamente a mesma quantidade de água que havia no início, mas sua presença, de algum modo, facilita a reação.

Nas primeiras décadas do século dezenove, muitas reações similares foram noticiadas, todas tendo uma característica em comum — a razão de trocas químicas foi grandemente aumentada pela presença de certas outras substâncias em quantidades extremamente reduzidas. Berzelius sugeriu em 1838 que tais substâncias aceleram uma reação química “acordando as afinidades adormecidas das substâncias” induzindo-as, dessa maneira, a combinar-se. Ele introduziu o termo catálise para esta classe de reação. A substância que provoca a catálise é chamada de catalisador ou de 'agente catalítico'. 
Exatamente como funcionam tais catalisadores, é coisa que ainda está muito longe de ser completamente compreendida. De todo modo, eles se transformaram em uma parte indispensável da moderna indústria química. Centenas deles são usados para acelerar ou retardar importantes reações, ou para aumentar o rendimento de processos que de outra maneira seriam comercialmente impraticáveis. Eles podem ser chamados, de modo hilário, de párocos
químicos, pois unem os elementos em matrimônio, não se envolvendo eles próprios, entretanto.

A quantidade de um catalisador necessária para certas reações é incrivelmente pequena. Quando o sulfito de sódio (Na2SO3) é dissolvido em água, o oxigênio do ar oxida-o lentamente, transformado-o em sulfato de sódio (Na2SO4). Mas se for adicionada uma pequenina quantidade de cobre, o processo de oxidação é nitidamente acelerado. O efeito do cobre no processo pode ser percebido até mesmo se a água usada para a solução de sulfito de sódio tiver permanecido em um recipiente de cobre por alguns momentos. De fato, o catalisador é tão eficiente que uma concentração de 0,031 kg (uma 'onça') de sulfato de cobre em 2271 milhões de litros (600 milhões de 'galões') de água contém cobre suficiente para acelerar a reação! A catálise é um exemplo supremo da infinita importância do microscopicamente pequeno.

Os agentes catalíticos têm sido indispensáveis desde o principio da indústria química. Uma de suas aplicações mais importantes tem sido na fabricação do ácido sulfúrico (H2S04). O ácido sulfúrico é o 'pau para toda obra' de nossa civilização moderna. É utilizado na fabricação de fertilizantes, no refino do petróleo, na limpeza dos metais antes da galvanização, nas baterias elétricas, na manufatura do raiom, corantes e explosivos e em incontáveis outros produtos. A quantidade de ácido sulfúrico utilizada por uma nação é sempre um bom 'barômetro' do seu padrão de vida.

A manufatura do ácido sulfúrico começa com o gás de dióxido de enxofre (S02), que pode ser obtido de muitas maneiras: queimando enxofre a céu aberto, aquecendo o sulfeto de ferro (FeS2), ou como um subproduto da fundição de vários minérios. O dióxido de enxofre (SO2) precisa então ser oxidado para formar o trióxido de enxofre (S03), que se combina com a água para dar ácido sulfúrico (H2SO4).

SO3             + H2O ==> H2SO4
trióxido de enxofre + água ==> ácido sulfúrico

A principal dificuldade encontrada na fabricação de ácido sulfúrico tem sido sempre a oxidação do dióxido de enxofre para formar o trióxido. A reação entre o dióxido de enxofre e o oxigênio processa-se muito lentamente nas temperaturas ordinárias. Quando a temperatura dos gases é elevada, a reação é realmente acelerada, mas surge outro problema. O aumento da temperatura faz grande parte do trióxido de enxofre reverter a dióxido de enxofre e oxigênio. A reação é reversível, e a temperatura elevada favorece a decomposição do trióxido de enxofre, a substância desejada. Infelizmente, a temperatura que produz o trióxido de enxofre a uma velocidade satisfatória resulta em uma quantidade desse composto demasiadamente pequena para garantir o sucesso comercial do processo.


Processo da câmara para preparação
do ácido sulfúrico.

A dificuldade foi superada em 1666, indubitavelmente devido a um acidente, por Nicolas le Fèvre e Nicolas Lémery. Eles prepararam o ácido calcinando o enxofre em presença de um pouco de salitre, nitrato de potássio (KNO3). O processo foi usado em larga escala primeiramente por Ward, em 1740, em uma fábrica situada em Richmond, perto de Londres. 
Conforme se ilustra acima, Ward usou grandes câmaras de vidro de até 66 'galões' de capacidade, tendo gargalos que se projetavam horizontalmente. O fundo continha uma pequena quantidade de água. No gargalo havia uma peça de louça, sobre a qual foi colocado um prato de ferro aquecido ao rubro, contendo enxofre e nitrato de potássio. O gargalo da câmara foi então fechado com um tampão de madeira. Quando o enxofre ficou completamente calcinado, a operação foi repetida até que
o ácido do fundo da câmara tivesse a concentração desejada. 
Sabemos hoje que o “processo da câmara”, como é chamado, faz uso de catalisadores fornecidos pelo nitrato de potássio. O calor do prato aquecido ao rubro decompõe o nitrato de potássio, produzindo os catalisadores, óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2). Além desses gases, a câmara também contém dióxido de enxofre (S02), produzido pelo enxofre calcinado. O dióxido de enxofre reage com o dióxido de nitrogê nio para produzir trióxido de enxofre e óxido nítrico.

SO2  +  NO2  ==>  SO3  +  NO
dióxido de enxofre + dióxido de nitrogênio ==> trióxido de enxofre + óxido nítrico

O óxido nítrico (NO) combina-se então com o oxigênio na câmara, para formar o dióxido de nitrogênio uma vez mais. O trióxido de enxofre (SO3) combina-se com a água na câmara para produzir ácido sulfúrico.
Os catalisadores NO e NO2 não são gastos durante o processo. Meramente provêm uma série de reações intermediárias que ocorrem com facilidade, em lugar de uma única reação direta, que somente ocorre com dificuldade.

Um método mais atualizado de converter dióxido de enxofre em trióxido utiliza um catalisador diferente, seja a platina ou certos compostos do metal vanádio. A uma temperatura de cerca de 450oC (cerca de 840oF), a oxidação do dióxido de enxofre para transformá-lo em trióxido realiza-se rapidamente na presença do catalisador, produzindo quase 100 por cento de ácido sulfúrico quando combinado com água.

O conhecimento da catálise é também responsável pelo enorme uso que se faz dos substitutos da manteiga. Os óleos e as gorduras vegetais e animais são, essencialmente, compostos de glicerina e de ácidos tais como o oléico e o esteárico. Alguns desses compostos são gorduras sólidas, enquanto outros são óleos líquidos. O composto de glicerina do ácido esteárico, por exemplo, é um dos principais componentes do sebo do boi, enquanto que o do ácido oléico é um líquido encontrado no óleo de azeitonas. A única diferença entre os dois ácidos é a quantidade de hidrogênio que contêm. O ácido oléico (que produz óleo) difere do ácido esteárico (que produz gordura sólida) somente porque contém menos hidrogênio. O primeiro é chamado de composto “não saturado”, enquanto que o segundo é chamado de “saturado”.

A catálise acomoda nossa preferência pelas gorduras sólidas facilitando a reação química que acrescenta hidrogênio ao ácido oléico, produzindo desta maneira ácido esteárico saturado. O catalisador que realiza a tarefa é o níquel em lâminas finas. Em presença desse metal, vários óleos líquidos combinam-se com hidrogênio gasoso e são convertidos em gorduras sólidas —processo que é chamado de “hidrogenação”.

Há uma reação catalítica simples que pode ser realizada por qualquer um em sua própria casa. Primeiro, tente pôr fogo em um punhado de açúcar com a chama de um fósforo. O açúcar se carbonizará mas não pegará fogo. Agora friccione o açúcar juntamente com cinza de cigarro e tente novamente. A cinza age como catalisador, o açúcar pega fogo muito facilmente e queima-se vivamente. Por meio de centenas de maneiras semelhantes, os catalisadores ajudam nossos químicos na manufatura de incontáveis produtos essenciais ao nosso modo de vida moderno.

Morte do Espírito Vital
O carbono, com o qual estamos familiarizados em suas três formas físicas — carvão, grafite e diamante — é o mais prolífico dos elementos. Seus compostos são tão numerosos — contados por centenas de milhares — que seu estudo desenvolveu-se em um ramo separado da Química — a química orgânica. O nome origina-se de urna época antiga e menos científica, quando os químicos faziam uma aguda distinção entre os compostos derivados dos organismos vivos e os do mundo mineral inanimado. Acreditavam que os compostos do carbono, que vêm das plantas e dos animais, somente podiam ser sintetizados com a ajuda de uma forma especial de energia inerente à célula viva — a chamada força vital. Ainda hoje os místicos deliciam-se com essa concepção.

Em 1828, um jovem cientista alemão, Friedrich Wöhler (1800 -1882), sintetizou os primeiros compostos orgânicos fora de um organismo vivo. A substância, uréia (NH2.CO.NH2), tinha sido descoberta na urina em 1773, por Rouelle. Logo que teve certeza do que estava fazendo, Wöhler escreveu a seu mestre Berzelius: “Devo dizer-lhe que posso preparar a uréia sem necessidade do rim de um animal, seja ele homem ou cão.” 
O mundo químico ficou surpreso com a notícia. Talvez aquele magnífico feito novo pudesse levar à síntese dos açúcares, das proteínas, ou da própria substância da vida.

Mas umas poucas vozes ainda fizeram ouvir um débil protesto. Afinal de contas, Wöhler tinha partido da amônia (NH3), que originalmente era de procedência animal. Ela podia ter conservado suficiente “fôrça vital” para que pudesse dar origem à uréia. Embora a discussão prosseguisse, o protesto logo se perdeu na grande excitação da descoberta. Sabemos hoje que a amônia pode ser produzida sinteticamente, partindo do nitrogênio e do hidrogênio, que são inanimados. O grande feito de Wöhler tinha eliminado os últimos vestígios de mágica da teoria da Química. A síntese da uréia baniu finalmente os espíritos alquimistas da Ciência. A antiga ilusão de forças misteriosas persiste hoje apenas na astrologia e outras espécies de tolices supersticiosas.

 

Segue: Coisas do átomo (Parte 5)


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