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A LUZ DA QUÍMICA

By | A Química e a vida | No Comments

Imagine uma cidade iluminada com luz natural proveniente de árvores ou de cogumelos brilhantes. Embora essa imagem contenha muito de ficção científica, químicos pelo mundo todo, inclusive no Brasil, dedicam-se a estudar fenômenos relacionados a esse cenário fantástico e fascinante. São os fenômenos de luminescência – que pode ser definida como emissão de radiação eletromagnética por espécies químicas excitadas (em estado de maior energia) quando passam para um estado de menor energia, mais estável. Dependendo de como as espécies químicas excitadas são geradas, a luminescência pode ser subdividida em quimioluminescência, bioluminescência, termoluminescência, eletroluminescência e fotoluminescência (fluorescência e fosforescência). Neste texto, serão destacadas as que vem sendo mais estudadas e aplicadas no cotidiano: a quimioluminescência e, em especial, a bioluminescência.

Para entender melhor o que são as espécies químicas excitadas citadas anteriormente, é preciso recordar o modelo atômico de Bohr, segundo o qual três postulados são assumidos:

química-icon-1
Os elétrons percorrem órbitas circulares ao redor do núcleo em que se encontram prótons e nêutrons; há uma quantidade limitada de órbitas permitidas, que se chamam camadas eletrônicas ou níveis de energia. Quanto mais afastada do núcleo estiver a camada ou o nível, maior será a energia do elétron localizado nela
química-icon-2
Durante a translação nessas órbitas permitidas, os elétrons não perdem ou ganham energia espontaneamente e se mantêm em uma órbita estável, condição conhecida como estado estacionário.
química-icon-3
Quando um elétron recebe energia suficiente do meio externo, ele se desloca para uma camada mais distante do núcleo, que é mais energética que a original (característica da espécie química excitada!). Quando o elétron perde essa energia, retorna para sua camada original, dissipando a energia anteriormente absorvida na forma de energia térmica e/ou luminosa. Acompanhe o esquema abaixo:
Fonte:CISCATO, PEREIRA e CHEMELLO. Química, Vol. 1. 1ª Edição.
Editora Moderna, 2015, p. 87.

O fenômeno da luminescência é, portanto, uma forma de dissipação de energia e está presente no cotidiano em situações mais comuns do que você imagina, tanto em fenômenos naturais como artificiais. Você certamente já ouviu falar ou mesmo já viu (e usou) aquelas pulseiras luminosas distribuídas em festas e comemorações, certo? Também já deve ter visto ou ao menos deve saber da existência de um inseto chamado vaga-lume, não é? Pois a luz emitida pelas pulseiras luminosas resulta de um processo de quimioluminescência, enquanto aquela emitida por insetos como os vaga-lumes é um exemplo de bioluminescência.

quimioluminescência

(A) Fenômeno de quimioluminescência presente em pulseiras luminosas.

Sobre os autores

Luís Fernando Pereira

Luís Fernando Pereira

Professor e autor

Químico industrial formado e licenciado pela USP. Leciona no Curso Intergraus desde 1995. É o químico consultor do programa Bem Estar, da Rede Globo.

Emiliano Chemello

Emiliano Chemello

Professor e autor

Licenciado em Química e Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais pela UCS. Professor de química no Ensino Médio e cursos Pré-Vestibulares.

Patrícia Proti

Patrícia Proti

Professora e autora

Bacharel e licenciada em Química pelo IQ-USP. Bolsista FAPESP de Iniciação Científica e Doutorado Direto com projetos desenvolvidos no Laboratório de Química de Peptídeos do IQ-USP. Atualmente leciona na Escola Móbile e no Cursinho Intergraus.

(B) Fenômeno de bioluminescência presente em vaga-lumes.

Dentro da pulseira luminosa, há duas soluções aquosas contidas em recipientes separados por um material bastante fino. Quando se dobra a pulseira para colocá-la no pulso, esse material é rompido e as duas soluções entram em contato. Em geral, uma das soluções contém oxalato difenílico (ou um derivado) e um corante, e a outra é uma solução de peróxido de hidrogênio. A reação que ocorre entre o oxalato e o peróxido de hidrogênio gera dois produtos, sendo um deles instável, que se decompõe formando gás carbônico e liberando energia. Essa energia é absorvida por alguns elétrons das moléculas do corante, formando uma espécie química excitada. A luz é emitida quando esses elétrons retornam para uma órbita de menor energia. Acompanhe as equações:

fórmula-luz

A cor da luz emitida depende do tipo de molécula que compõe o corante. Na quimioluminescência, portanto, a excitação das moléculas de uma substância é feita por meio de uma reação química.

Na bioluminescência, a excitação também se dá por meio de uma reação química, mas ela ocorre entre uma substância produzida dentro de um organismo vivo, como o do vaga-lume, e o oxigênio molecular. No caso desse inseto, a substância chama-se luciferina, que na presença da enzima luciferase e oxigênio molecular gera um produto em um estado eletronicamente excitado, a oxiluciferina*. Esta espécie química excitada, por sua vez, volta ao estado de menor energia, a oxiluciferina, emitindo luz visível. Observe o esquema a seguir:

luz-vagalume

No Brasil, os fenômenos bioluminescentes vêm sendo intensamente estudados pelo pesquisador Etelvino Bechara, do Instituto de Química da USP (IQ-USP), e por outros cientistas por ele formados ou que são seus colaboradores. Este é o caso do pesquisador Cassius Stevani, também do IQ-USP, que recentemente reportou que determinada espécie de cogumelos apresenta um processo de bioluminescência cíclica. O processo de geração de luz é bem parecido com o do vaga-lume mencionado anteriormente, mas com a luciferina fúngica, que difere estruturalmente da luciferina do vaga-lume. A descoberta relevante feita por Stevani e seus colaboradores é que a substância hispidina, presente nesses fungos, é precursora da luciferina fúngica. Observe o esquema abaixo:

Além de verificar esse fato, Stevani e seus colegas perceberam que a oxiluciferina resultante sofre ação de outra enzima, gerando o ácido cafeico, previamente conhecido como um precursor da hispidina. Isto é, trata-se de um processo cíclico!

Você pode estar se perguntando: “qual seria uma aplicação para essa descoberta?” Ocorre que árvores e outras plantas também produzem ácido cafeico, e em geral, apresentam a enzima envolvida na transformação desse ácido em hispidina. Se, por manipulação genética, essas plantas também produzissem enzimas do tipo luciferase, elas poderiam brilhar! Mais do que impressionar alguém com flores luminescentes, esse tipo de aplicação poderia ser usada como um marcador luminoso de processos bioquímicos de plantas e, eventualmente, até em outros organismos como o do ser humano. Algo similar já ocorreu antes com proteínas fluorescentes produzidas por águas-vivas, descobertas e estudadas por Osamu Shimomura, Roger Tsien e Martin Chalfie, que por esse feito ganharam nada mais, nada menos que o prêmio Nobel de Química em 2008.

Perguntas

1-) A enzima luciferase é citada diversas vezes no texto. Qual o papel de uma enzima em um processo bioquímico como os mencionados no texto? Como esse tipo de substância atua nos processos?

2-) Dentre as substâncias apresentadas no texto, identifique aquela cujas moléculas apresentam a função ácido carboxílico. Escreva a estrutura do composto formado na esterificação do grupo carboxila dessa substância com etanol.

3-) Segundo as informações do texto, qual a relevância do trabalho de Stevani e colaboradores para a compreensão dos processos bioluminescentes de fungos?

a) Stevani e colaboradores conseguiram cristalizar a enzima luciferase e provar que ela está envolvida tanto no processo bioluminescente de vaga-lumes quanto de fungos.
b) Ao investigar a substância hispidina, Stevani e colaboradores concluíram que ela tem o mesmo papel desempenhado pela substância luciferina.
c) Com base em seus estudos sobre o papel da hispidina e do ácido cafeico no processo bioluminescente de fungos, Stevani e colaboradores concluíram que tal processo é cíclico.
d) Descobrir que a enzima luciferase é continuamente reciclada no processo a partir do ácido cafeico permitiu a Stevani e colaboradores afirmar que o processo bioluminescente nos fungos é cíclico.
e) Stevani e colaboradores concluíram que o processo bioluminescente nos fungos é cíclico ao constatar que mesmo com substrato diferente do processo que ocorre em vaga-lumes, a emissão de luz ocorre da mesma maneira.

Respostas

1-) Enzimas são catalisadores biológicos, substâncias que aumentam a rapidez de uma reação, sem ser efetivamente consumido nela. Quimicamente, as enzimas são proteínas que permitem que a reação ocorra por um mecanismo diferente do que ocorreria em sua ausência. Como esse novo mecanismo tem uma energia de ativação menor do que a do mecanismo original, a rapidez da reação aumenta.

2-) A substância é a luciferina do vaga-lume:

A estrutura do produto de sua esterificação com etanol é:

3-) Alternativa C. Stevani e colaboradores conseguiram estabelecer o ciclo envolvido na bioluminescência de fungos: hispidina – luciferina – oxiluciferina – ácido cafeico – hispidina etc.

PNLD 2018 | Química Ciscato – Pereira – Chemello  – Proti

A nova coleção valoriza a contextualização, a interdisciplinaridade e a experimentação como formas de conscientizar o aluno sobre a presença da Química no dia a dia. Por isso, os conteúdos tradicionais da disciplina são apresentados por meio de temas bastante significativos para a vida em sociedade, dando ao professor segurança e recursos para um ensino conectado com as expectativas dos alunos e as habilidades para o século XXI.

Confira abaixo mais sobre a coleção aprovada no PNLD 2018:

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CARVALHO, R. P. Purificação, caracterização e estudo mecanístico com luciferina fúngica. Tese de doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade de São Paulo, 2016.

SILVA, G. S. Oficina temática: uma proposta metodológica para o ensino do modelo atômico de Bohr. Ciência & Educação, Bauru, v. 20, n. 2, p. 481-495, 2014. Disponível em <http://www.scielo.br/pdf/ciedu/v20n2/1516-7313-ciedu-20-02-0481.pdf>. Acesso em jul. 2017.

XIMENES, V. F. Estudos de novos sistemas quimiluminescentes aplicados na determinação de atividade enzimática. Tese de doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade de São Paulo, 2000.

SANTOS, R. M. S. et al. Quimioluminescência e Bioluminescência Química Nova, 16(3), p. 200-209, 1992. Disponível em <http://quimicanova.sbq.org.br/imagebank/pdf/Vol16No3_200_v16_n3_(6).pdf>. Acesso em jul. 2017.

LABORATÓRIOS ABERTOS JÚNIOR 2015. Ed.: Departamento de Engenharia Química E Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal. Compostos que emitem luz. Disponível em <http://quimica.ist.utl.pt/~quimica.daemon/LabAbertos/pdfs/2015/LivroJunior.pdf>. Acesso em fev. 2017.

GUIMARÃES, M. Iluminação natural – Processo químico da bioluminescência de fungos é reciclável e flexível. Pesquisa Fapesp, 26-04-2017. Disponível em <http://revistapesquisa.fapesp.br/2017/04/26/iluminacao-natural/>. Acesso em jul. 2017.

THE CHEMISTRY OF GLOW STICKS. Disponível em <http://www.compoundchem.com/2014/10/14/glowsticks/>. Acesso em jul. 2017.

Hidratos de metano: alternativa energética ou catástrofe ambiental?

By | A Química e a vida | One Comment

A China anunciou, em maio de 2017, a extração de grandes quantidades de metano (16 mil metros cúbicos de gás por dia) a partir de um material conhecido como “gelo combustível”, considerado por muitos uma solução para o abastecimento futuro de energia no mundo – mas, ao mesmo tempo, um perigoso vilão para o aquecimento global. Apesar de descobertos no norte da Rússia, em 1960, os hidratos de metano só começaram a ser objeto de pesquisa na década de 1970. O grande problema é que, até então, para extrair o gás metano deste material gastava-se muita energia, o que tornava o processo inviável economicamente; quase 50 anos depois, porém, a China obteve êxito e a extração passou a ser lucrativa (BBC Brasil, 2017). Mas, o que exatamente são os hidratos de metano? Como são formados? Por que podem ser uma solução energética e, ao mesmo tempo, responsáveis pela intensificação do aquecimento global?

Existe uma grande quantidade de metano preso no fundo dos oceanos, sobretudo nas extremidades dos continentes, sob a forma de clatratos de metano, mais conhecidos como hidratos de metano. Estimativas apontam para valores de reservas mundiais de gás metano, estocados nos hidratos de metano, que variam de 2,8 × 1015 a 8 × 1018 m³. Para se ter uma ideia, as reservas de gás natural convencional (obtido geralmente junto ao petróleo) são estimadas em aproximadamente 4,4 × 1014 m³ (COLLETT et al, 2009).

O metano foi produzido ao longo de milhares de anos por bactérias que promoveram a decomposição anaeróbia de matéria orgânica nos sedimentos. Os hidratos se formam sob condições de alta pressão e baixa temperatura, como as que existem nas águas frias e profundas dos oceanos. Caso a pressão seja suficientemente alta (acima de 50 atm) e a água estiver fria o bastante (abaixo de 4°C), o metano produzido pelas bactérias simplesmente não borbulhará para a superfície (CAREY, 2011). Veja no diagrama de fases abaixo as combinações de pressão e temperatura em que é possível obter um hidrato de metano estável.

Diagrama de fases simplificado de um hidrato de metano. A forma estável permite que o metano fique retido no material. Já a forma instável permite que o metano escape.

Fonte: MASLIN, 2010.

Diagrama de fases simplificado de um hidrato de metano.
A forma estável permite que o metano fique retido no material.
Já a forma instável permite que o metano escape.

Os hidratos de metano têm aspecto visual muito semelhante ao do gelo de água pura mas, ao aproximá-los de uma fonte de ignição, como um palito de fósforo aceso, eles se incendeiam! (veja imagem a seguir). As moléculas individuais de metano ficam aprisionadas dentro de agrupamentos de 6 a 18 moléculas de água (veja ilustração a seguir), formando um material sólido que permanece no fundo do oceano. O volume de gás liberado em condições normais de temperatura e pressão, isto é, em temperatura de 0°C e pressão de 1 bar, é cerca de 165 vezes maior que o volume ocupado pelos hidratos (KOTZ, TREICHEL e TOWNSEND, 2010).

Os hidratos de metano têm aspecto visual muito semelhante ao do gelo de água pura mas, ao aproximá-los de uma fonte de ignição, como um palito de fósforo aceso, eles se incendeiam! (veja imagem a seguir). As moléculas individuais de metano ficam aprisionadas dentro de agrupamentos de 6 a 18 moléculas de água (veja ilustração a seguir), formando um material sólido que permanece no fundo do oceano. O volume de gás liberado em condições normais de temperatura e pressão, isto é, em temperatura de 0°C e pressão de 1 bar, é cerca de 165 vezes maior que o volume ocupado pelos hidratos (KOTZ, TREICHEL e TOWNSEND, 2010).


Foto de uma amostra de
hidrato de metano queimando.

 

 

 

Fonte: https://soundwaves.usgs.gov/2012/06
Acesso em 02/06/2017.


Representação esquemática
dos hidratos de metano.
A molécula de metano está
“presa” em uma “gaiola” de
água no estado sólido, cujas
moléculas (esferas azuis)
são mantidas unidas por
ligações de hidrogênio
(traços em preto).
Fonte: CHANG, 2010.

Sobre os autores

Luís Fernando Pereira

Luís Fernando Pereira

Professor e autor

Químico industrial formado e licenciado pela USP. Leciona no Curso Intergraus desde 1995. É o químico consultor do programa Bem Estar, da Rede Globo.

Emiliano Chemello

Emiliano Chemello

Professor e autor

Licenciado em Química e Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais pela UCS. Professor de química no Ensino Médio e cursos Pré-Vestibulares.

Patrícia Proti

Patrícia Proti

Professora e autora

Bacharel e licenciada em Química pelo IQ-USP. Bolsista FAPESP de Iniciação Científica e Doutorado Direto com projetos desenvolvidos no Laboratório de Química de Peptídeos do IQ-USP. Atualmente leciona na Escola Móbile e no Cursinho Intergraus.

Cientistas teorizam que a liberação de metano a partir desses hidratos poderia ter sido responsável pelo importante evento de aquecimento global ocorrido há 55 milhões de anos, e que durou 40 mil anos, elevando a temperatura da Terra em aproximadamente 5°C. Um pequeno aquecimento dos oceanos teria estimulado esse processo nos hidratos, liberando o metano para a atmosfera. Como o metano é um gás causador de efeito estufa, o evento teria elevado a temperatura da Terra, fazendo com que mais metano fosse liberado dos oceanos para a atmosfera. Por fim, teria se alcançado um estado de equilíbrio novo e mais quente. (CAREY, 2011; MASLIN, 2010).

Extrair o metano presente nos hidratos constitui um tremendo desafio de engenharia. Acredita-se que eles atuam como um tipo de “cimento” para manter juntos os sedimentos dos oceanos. A manipulação desses depósitos pode causar deslizamentos subaquáticos, levando à liberação de metano na atmosfera. Tais eventos semelhantes podem trazer sérias consequências para o meio ambiente, pois, como já mencionado, o metano é um potente gás com efeito de estufa, muitas vezes mais danoso que o dióxido de carbono (CHANG, 2010; RUPPEL, 2011).

Atualmente, a concentração de metano na atmosfera é aproximadamente 200 vezes menor do que a do dióxido de carbono, mas este teor aumentou cerca de 150% desde os tempos pré-industriais, enquanto a concentração de dióxido de carbono aumentou apenas 40 % nesse período (RUPPEL, 2011). As previsões do IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change – Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) indicam que no ano 2100 a temperatura global média do nosso planeta poderá aumentar entre 1,1 °C e 6 °C. Contudo, em latitudes mais elevadas, o aumento da temperatura média poderia chegar a 12 °C, o que segundo algumas publicações poderia impactar a estabilidade dos hidratos de metano (MASLIN, 2010). Além disso, é importante destacar que a relação cíclica entre a temperatura dos oceanos e a instabilidade dos hidratos é perigosa: quanto maior a temperatura os oceanos, mais metano é liberado na atmosfera, aumentando a intensidade do efeito estufa, o que eleva a temperatura dos oceanos, fazendo com que mais metano seja liberado…. Onde isso irá parar? Será a sua exploração segura? Devemos continuar a fazer uso dos combustíveis fósseis? Essas são apenas algumas perguntas para as quais só o tempo trará as respostas. Isso se não for tarde demais…

Perguntas

1-) O potencial de aquecimento global (GWP, do inglês Global Warming Potentials) é um indicador que permite avaliar o impacto da substância no aquecimento global. Ele corresponde à razão entre o impacto climático causado pela emissão de determinada massa de um gás de efeito estufa e o impacto causado pela emissão da mesma massa de CO2, que por convenção tem um GWP igual a 1. Considere a tabela a seguir com o GWP de alguns gases.

SUBSTÂNCIAGWP
(no período de 100 anos)
Dióxido de carbono (CO2)1
Metano (CH4)21
Óxido nitroso (N2O)310
Hexafluoreto de enxofre (SF6)

23.900

Fonte: DAWSON e SPANNAGLE, 2009.

Utilizando os dados informados, explique o motivo de preocupação por parte dos cientistas e especialistas a respeito da liberação do metano “preso” nos hidratos de metano.

2-) A partir das informações sobre as reservas de metano, assinale a alternativa que contém a razão entre as reservas mais pessimistas associadas aos hidratos de metano e as reservas de gás natural convencional.

a) 6,4
b) 2,3
c) 1,2
d) 0,8
e) 0,16

3-) A partir da leitura do diagrama de fases, indique a partir de qual profundidade obtém-se hidratos de metano estáveis a uma temperatura de 286 K.

a)100
b) 250
c) 500
d) 1000
e) 1500

Respostas

1-) Conforme informações da tabela fornecida, o GWP do metano é 21 vezes maior que o do dióxido de carbono. Assim, espera-se que, considerando-se massa iguais de ambos os compostos, o efeito danoso ao meio ambiente do metano seja vinte e uma vezes maior que o do dióxido de carbono. Pela razão do elevado GWP, a liberação de metano dos hidratos na atmosfera contribuiria muito para a intensificação do aquecimento global.

2-) Alternativa A

A previsão pessimista para as reservas de hidratos de metano é de 2,8 × 1015 m³; já as reservas de gás natural convencional são estimadas em 4,4 × 1014 m³. Assim, tem-se:

3-) Alternativa D

T°C = TK – 273

T°C = 286 – 273 = 13 °C. Pela leitura do diagrama, a partir da profundidade de 1000 metros atinge-se a área correspondente aos hidratos de metano estáveis.

PNLD 2018 | Química Ciscato – Pereira – Chemello  – Proti

A nova coleção valoriza a contextualização, a interdisciplinaridade e a experimentação como formas de conscientizar o aluno sobre a presença da Química no dia a dia. Por isso, os conteúdos tradicionais da disciplina são apresentados por meio de temas bastante significativos para a vida em sociedade, dando ao professor segurança e recursos para um ensino conectado com as expectativas dos alunos e as habilidades para o século XXI.

Confira abaixo mais sobre a coleção inscrita no PNLD 2018:

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BBC Brasil Online. Gelo combustível, a promissora fonte de energia que a China extraiu do fundo do mar. 28 maio 2017. Disponível em: http://www.bbc.com/portuguese/geral-40029080 – acesso em 03/06/2017.

CAREY, F. A. Química Orgânica. 7ª Edição – Porto Alegre: AMGH Editora, 2011, p. 93

CHANG, R. Chemistry. 10 th. McGrawHill, 2010, p. 1038.

Collett, T. S., A. H. Johnson, C. C. Knapp, and R. Boswell, 2009, Natural Gas Hydrates: A Review, in T. Collett, A. Johnson, C. Knapp, and R. Boswell, eds., Natural gas hydrates—Energy resource potential and associated geologic hazards: AAPG Memoir 89, p. 146 – 219. Disponível em: http://gashydrates.info/AAPG_summary_paper/AAPGMem89Ch1.PDF – acesso em 03/06/2017.

DAWSON, B., SPANNAGLE, M. The Complete Guide to Climate Change. Nova York: Routledge, 2009, p. 194.

KOTZ, J. C, TREICHEL, P. M., TOWNSEND, J. R. Chemistry & Chemical Reactovity. Seventh Edition. Brooks/Cole, 2010.

MASLIN, M. Gas hydrates: past and future geohazard? Trans. R. Soc. A (2010) 368, 2369–2393. Disponível em: http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/368/1919/2369

RUPPEL, C. D. Methane Hydrates and Contemporary Climate Change. Nature Education Knowledge. 3(10):29, 2011. Disponível em: https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/methane-hydrates-and-contemporary-climate-change-24314790 – acesso em 03/06/2017.