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Introdução

Nos últimos anos é possível notar grandes mudanças ocorridas na sociedade, dentre elas, certamente está a forma de interação entre as pessoas. Com a chegada da internet e dos smartphones, o modo de vida passou por diversas reformulações: isso envolve aplicativos para as mais variadas atividades do dia-a-dia, desde refeições via aplicativos, transporte, operações bancárias, comunicação (o bom dia recebido no grupo), as recordações, o entretenimento e muitas outras.

As pessoas passam períodos consideravelmente longos diante das telas dos dispositivos, e sem dúvida, uma das principais características da sociedade moderna é o acesso à informação. Não é necessário ir longe, basta apenas um toque, para uma avalanche de informações surgir comprimida na palma da mão. Esse fato tem promovido diversos questionamentos como a confiabilidade de notícias e o isolamento na sociedade conectada.

Na atualidade, diversos são os hábitos que ilustram a relação estreita entre os indivíduos e os aparelhos tecnológicos. Problemáticas também surgiram, desde acidentes relacionados ao uso dos smartphones, até preocupações com a segurança digital, indo muito além da preocupação com um número pequeno de curtidas.

Os smartphones na atualidade representam uma parcela significativa da economia atual, fato que impulsiona o desenvolvimento de novos aparelhos, de forma que, ao chegar em mãos, um modelo já se torna ultrapassado, não apenas nas funções, mas também por deixar de ser o “novo”.

Mas o quanto se conhece sobre toda essa tecnologia? A internet permitiu que as pessoas compartilhassem respostas, mas e aquelas dúvidas que muitos compartilham, mesmo sem receber uma notificação de que outras pessoas também as têm? Por exemplo, o que fornece energia ao celular? Será que um pouco de ciência pode ajudar a compreender melhor isso?

Para da além da transferência de arquivos

O cotidiano está repleto de diversas reações químicas. Fenômenos como um metal enferrujando, ou a utilização de um celular, compartilham de um tipo de reação chamada de oxirredução. Essas são reações em que ocorre a transferência de elétrons, ou seja, uma espécie ganha elétrons (é reduzida) e outra perde elétrons (é oxidada). Os processos de oxidação e redução ocorrem simultaneamente.

Talvez você já tenha visto o experimento em que um pedaço de zinco metálico é mergulhado em uma solução que contém íons de cobre (se não viu, fique a vontade para ver algum vídeo e voltar aqui). Nesse experimento, a cor azul vista no início, começa a ter sua intensidade diminuída e o pedaço de zinco passa a ter uma coloração um pouco diferente também.

O que pode ajudar a compreender o que está acontecendo está justamente relacionado às reações de oxirredução: o zinco, antes metálico, ao entrar em contato com a solução é oxidado. Enquanto isso, os íons cobre são reduzidos, o que faz com que a coloração azul diminua, já que cobre metálico é depositado sobre o pedaço de zinco.

Resumidamente, se pode dizer que os elementos apresentam diferentes tendências a receber elétrons (ou doar). Quantitativamente isso é expresso pelo potencial de redução: se pode dizer simplificadamente, que irá se reduzir aquele que apresentar o maior potencial de redução. A ocorrência da reação está relacionada a aspectos energéticos do sistema, que influenciam a espontaneidade do processo.

Mas tudo isso nem sempre foi assim: todos esses conceitos evoluíram historicamente e foram alvo de embates e discussões até que se chegasse a percepção atual. A produção científica é dinâmica e envolve o trabalho coletivo de vários profissionais ao redor do mundo.

Entre pilhas e pilhas

Aqui se pode destacar o primeiro dispositivo construído para obter energia elétrica através da energia química: a primeira pilha construída no século XVIII por Alexander Giuseppe Anastasio Volta. Na época diversos cientistas realizavam vários experimentos e formulavam possíveis explicações com o intuito de compreender o fenômeno da eletricidade.

Após a realização de estudos anteriores e tendo contato com os trabalhos desenvolvidos por cientistas como Luigi Galvani e Georg Sulzer, Volta teve a ideia de associar pares de placas de metais distintos, decidindo empilhar alternadamente vários discos de prata e zinco, observando que quando placas das extremidades eram de metais diferentes e eram conectadas, por meio de fios, surgia uma diferença de potencial (ddp).

Volta realizou posteriormente outros experimentos testando modificações da primeira configuração planejada, por exemplo, colocando entre as placas pedaços de papelão umedecidos com água e soluções salinas. Nos anos seguintes, o trabalho de Volta passou a se difundir na comunidade científica.

Outro importante trabalho surgiu por volta de 1836, com John Frederic Daniell, que propôs uma configuração diferente para a pilha: em vez de usar apenas um eletrólito (solução que conduz corrente elétrica) Daniell propôs que fossem usadas duas soluções, formando dois eletrodos diferentes. Eletrodos? Sim. Talvez você já tenha ouvido falar sobre eles.

Os eletrodos podem ser de diferentes tipos e materiais, mas no contexto histórico aqui discutido, os eletrodos se constituem de metais imersos em uma solução que apresentam íons do mesmo metal. Na pilha de Daniell um dos eletrodos era formado por zinco metálico em solução de sulfato de zinco, o outro, formado por cobre metálico imerso em uma solução de sulfato de cobre, ambos, conectados por meio de uma ponte salina.

Assim, os eletrodos podem ser conectados e a reação de oxirredução pode ocorrer. A diferença é que agora os elétrons percorrem o fio conector entre os eletrodos, de forma externa, sendo aqui, o eletrodo negativo aquele em ocorre a oxidação, e no positivo, a redução. Esse fluxo de cargas pode ser utilizado, se obtendo assim, energia elétrica a partir de energia química. Nos anos seguintes diversos outros tipos de pilhas surgiram, como a pilha de Grove e a pilha de Leclanché.

Hoje, vários dispositivos podem funcionar tranquilamente a partir da corrente elétrica, ou seja, a partir de um fluxo ordenado de cargas. O agrupamento de várias pilhas deu origem ao que hoje se conhece por baterias. A primeira delas surgiu em 1859, com o trabalho do físico Raymond Gaston Planté, sendo uma contribuição importante: a partir daí, passam a se desenvolver as baterias secundárias. As baterias secundárias são aquelas que podem ser utilizadas diversas vezes, por serem recarregáveis (já recarregou o celular hoje?).

A bateria de Planté apresentava chumbo metálico como eletrodo negativo e óxido de chumbo (PbO2) no eletrodo positivo, utilizando uma solução eletrolítica de ácido sulfúrico. No uso da bateria (descarga), o chumbo metálico reage com íons sulfato formando sulfato de chumbo com a transferência de dois elétrons do chumbo para o resto do sistema, isso, no anodo.

No catodo, o óxido de chumbo então reage com o ácido sulfúrico formando sulfato de chumbo e água. Ou seja, em um dos eletrodos o chumbo metálico é oxidado, e no outro o chumbo se reduz formando sulfato de chumbo. No processo de recarga da bateria, as reações se invertem. Esse processo não é espontâneo, o que quer dizer, que para acontecer, deve ser fornecida energia por meio de uma fonte externa.

As baterias podem ser de diferentes tipos e materiais, por exemplo, as baterias recarregáveis de chumbo/ óxido de chumbo usadas nos automóveis, ou as baterias de cádmio/óxido de níquel. Na década de 1970 começaram a surgir diversas discussões sobre o descarte correto de baterias, por conta da presença de metais tóxicos. Dessa forma, se tinha de um lado uma população cada vez mais dependente desses dispositivos e ao mesmo tempo, a necessidade de produtos que impactassem menos o meio ambiente, processos de descarte e demandas tecnológicas diferentes. Isso revela como a Ciência não está isolada da sociedade e não resulta do trabalho de um único cientista.

As baterias de lítio entram em cena

Quando se trata de aplicações que exigem baterias recarregáveis, as baterias de íons lítio têm sido recentemente a primeira opção desde que passaram a ser comercializadas. Elas têm sido usadas em smartphones, notebooks, câmeras digitais e veículos elétricos, além de outras aplicações (mais que isso?).

As baterias de lítio começaram a ser usadas na década de 70 para fins militares, mas seu uso não foi amplo, pois, aspectos de estrutura e de segurança precisavam de alterações. No início, elas não alcançaram uma parte grande do mercado por conta de seu custo inicial.

Elas passaram a ser projetadas desde então, utilizando variações químicas, mudanças de tamanho e configurações, até chegar aos dias atuais. As baterias de íons lítio apresentam várias vantagens, dentre elas, a possibilidade de operação em uma grande faixa de temperaturas, prazo de validade superior, bom desempenho, além da possibilidade de serem projetadas para ter menor tamanho e custo.

A denominação baterias de íon-lítio é bem sugestiva, já ajudando a se ter uma ideia bem básica de seu funcionamento. Elas não utilizam lítio metálico, e sim, íons lítio na forma de sais dissolvidos. Elas também empregam materiais chamados de compostos de intercalação, que são compostos de estrutura aberta.

Durante seu funcionamento, íons lítio migram do material presente no anodo até chegar ao material presente no catodo. Daí a necessidade de compostos de intercalação, pois, permitem que os íons entrem e saiam. No anodo, um dos materiais frequentemente utilizados é o grafite e no catodo, um dos materiais comumente usados, na fabricação de baterias de íons lítio é o óxido de cobalto litiado (LiCoO2). Atualmente existem diversas pesquisas testando novas configurações e a aplicabilidade de diferentes materiais, o que mostra o dinamismo da Ciência.

No processo de descarga de uma bateria de íons lítio que envolva grafite e óxido de cobalto litiado, por exemplo, o carbono é oxidado com a liberação de íons lítio logo em seguida. No catodo, o cobalto se reduz na estrutura do óxido, o que acaba provocando a entrada de íons lítio. Os elétrons gerados no anodo se movem no circuito externo. Já na recarga, ocorre o processo oposto. A recarga não é espontânea, portanto, precisa de uma fonte de energia externa para acontecer.

Diferente de outras baterias, o eletrólito nas baterias de íons lítio, não é aquoso, pois, o lítio pode reagir com a água formando gás hidrogênio (H2). Em algumas condições, o calor produzido no sistema poderia inflamar o hidrogênio anteriormente formado.

Apesar de suas vantagens e aplicabilidade no dia-a-dia, ainda tem surgido preocupações quanto a sua segurança. De acordo com estudos recentes, estando a bateria sob curto-circuito ou submetida à altas temperaturas, pode ocorrer um processo denominado fuga térmica, que pode levar à incêndios ou explosões. Recentemente, estudos têm apontado para incidentes envolvendo smartphones, notebooks e hoverboards. A causa para esses incidentes pode ser curto-circuito, sobrecarga da bateria ou defeitos de fabricação.

As baterias de íons lítio são uma tecnologia significativa que torna possível o uso de diversos dispositivos do dia-a-dia, revelando a Ciência e a sociedade, não como isoladas uma da outra, mas sim, firmemente relacionadas.

Relevância para o ensino

O estudo da Química é importante sob vários aspectos, dentre eles, permitir analisar, compreender e utilizar os conhecimentos adquiridos em sala de aula, para a resolução de problemáticas que fazem parte da sociedade atual. Nessa perspectiva, o tema de pilhas e baterias apresenta-se como relevante, não apenas para o desenvolvimento do conteúdo de eletroquímica, mas também porque apresentam relevância no cenário atual. Trabalhos têm surgido nos últimos anos destacando o uso dessa temática, indo para além das pilhas e baterias como apenas exemplos do cotidiano.

O tema envolve os aspectos científicos de seu funcionamento, a importância econômica e a preocupação com meio ambiente, tendo vista, o uso de dispositivos contendo metais pesados, que podem vir a contaminar o solo e lençóis freáticos, no caso de descarte indevido. Outro ponto relacionado a essa temática que também tem ganhado espaço nas discussões atuais, trata da reciclagem das baterias.

Tendo em vista o “mar” de informações que perpassa cada minuto das telas dos dispositivos, a obtenção de informações pertinentes também se torna importante. Apesar da disponibilidade de acesso atual, as tecnologias não substituem a atividade da escola, pelo contrário: no contexto atual a escola ganha cada vez mais importância.

Concluindo

Os smartphones utilizados atualmente, além de outros dispositivos eletrônicos, por vezes parecem naturais, mas ao toque na tela, se fazem presentes indiretamente, um conjunto de desafios, o trabalho de vários profissionais e interesses econômicos. Nas últimas décadas “grandes passos” foram dados, “pequenos-grandes” aplicativos tem influenciado a maneira de agir das pessoas. As baterias nesse cenário são um dos componentes, mas não apenas dos dispositivos, elas fazem parte de algo ainda mais complexo: a sociedade.

Autor: Fabiano C. da Silva

Instituto de Química UNESP

Projeto Desbravando a Ciência

Publicado dia 30/10/19


Referências

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Nos últimos tempos é possível perceber um número grande de notícias tratando sobre incêndios em variadas regiões do país. Isso tem preocupado a população e despertado alertas para os prejuízos dos incêndios ao meio ambiente.

Desde a década de 80, a ação humana tem intensificado o número de incêndios florestais e causado prejuízos para variados ecossistemas. No Brasil particularmente, diversas notícias têm tratado sobre os incêndios na Amazônia, aumentando a preocupação internacional com seu futuro.

Sendo a região amazônica caracterizada por um clima úmido e com elevada ocorrência de chuvas, não é tão difícil achar que os incêndios por lá seriam algo que acontecesse com baixa frequência, já que os períodos de seca não eram tão longos.

Entretanto, nos últimos anos tem sido detectado um aumento significativo de incêndios, consequência da ação humana e de alterações climáticas. Com um período de seca mais longo, a umidade na região também diminui, o que contribui para a propagação dos incêndios.

Além disso, as queimadas têm sido empregadas como parte do processo de expansão da agropecuária. Isso nos ajuda a perceber como a situação é complexa: não se trata apenas da ´´ação pela ação´´, mas de interesses econômicos. Estudos apontaram as queimadas e desmatamentos como principais agentes destrutivos na região.

Vemos reportagens e mais reportagens mostrando diversas pessoas se esforçando para combater as chamas, utilizando até aviões para tentar conter sua destruição. Mas como os incêndios podem se propagar com tanta facilidade, atingindo áreas de grande extensão? Será que um pouco de ciência pode ajudar a compreender melhor esse fenômeno?

A madeira

Quando se fala em madeira, do que se fala especificamente? A madeira é um material natural que apresenta em sua composição diversos polímeros. Ela apresenta polímeros? Sim (caso tenha se perguntado isso). Ela apresenta diversos polímeros, sendo em maior parte a celulose (cerca de 45 %), seguida da hemicelulose (cerca de 20 %), além de lignina e outros constituintes. Todos esses constituintes ocorrem em quantidades que variam de acordo com o vegetal.

A celulose, por exemplo, faz parte da composição química da maioria dos tecidos vegetais, conferindo resistência às paredes celulares das plantas. Ela é formada por uma longa sequência (bem longa mesmo) de várias moléculas de glicose, ligadas por meio das chamadas ligações glicosídicas. A glicose é um importante composto para os organismos, sendo constituída por carbono, oxigênio e hidrogênio.

Assim como outros materiais, a madeira é um material combustível, ou seja, pode sofrer reações de combustão. Você que leu até aqui, com certeza deve ter lembrado rapidamente da combustão da gasolina ou etanol, gerando energia para o movimento dos veículos. Também pode ter lembrado da chama dos fogões para o preparo de alimentos. E é essa mesmo! Nas reações de combustão (também chamada de queima) um material combustível reage com um comburente, liberando energia na forma de calor e luz. Apenas para destacar: existem diferentes tipos de fogo.

O Start das chamas

Nas reações químicas, reagentes são transformados em produtos. Isso envolve a quebra e a formação de ligações químicas. Se você que leu até aqui já viu algo parecido nas aulas, pode estar percebendo o rumo da discussão. Caso não tenha visto, sem problemas. Resumidamente, para que as reações químicas ocorram é necessário que se forneça uma quantidade de energia mínima. Mas mínima para que?

De acordo com a teoria das colisões, para que possa ocorrer a formação de produtos, as moléculas devem colidir, mas não de qualquer forma: devem colidir de maneira favorável geometricamente e com uma energia suficiente para que ligações possam ser rompidas e outras ligações formadas.

Espera aí: então podem mesmo surgir focos de incêndio naturalmente? Sim. Nas regiões de vegetação podem ocorrer os raios, por exemplo. Mas de forma mais pronunciada, tem ocorrido a formação de focos de incêndio por conta da ação humana. Você pode estar se perguntado agora: mas como começa isso?

Para que a reação comece é necessária uma faísca, ou seja, uma ignição para que a reação comece. À medida que a madeira é aquecida, sua estrutura começa a passar por diversas modificações: as ligações químicas de seus componentes começam a se quebrar e ocorre liberação de água, óxidos de carbono, entre outras substâncias. Com o aumento da temperatura os polímeros da madeira passam a ter maior mobilidade.

Podem ser produzidos também, gases inflamáveis, que em contato com o oxigênio do ar e o calor do local, dão início ao processo de combustão, que libera mais energia, fazendo com que regiões ainda não aquecidas também possam liberar gases ... e assim por diante.

A reação continua liberando óxidos de carbono e outros gases de efeito estufa, promovendo também a carbonização da planta. Você já percebeu que ao final dos incêndios as plantas que restam ficam escuras?

A combustão pode ser completa ou incompleta. Na combustão completa há oxigênio suficiente para que a reação ocorra, formando dióxido de carbono e água. Quando a quantidade de oxigênio disponível é baixa, a combustão é denominada incompleta, gerando como produtos monóxido de carbono e água, ou carbono sólido (daí carbonização) e água.

A madeira em temperaturas elevadas perde sua resistência mecânica, de forma que fragmentos podem ser desprendidos e carregados facilmente pelo vento, para outras localidades expandindo a área atingida pelo fogo. Além disso, áreas ventiladas também contribuem para com o aumento da velocidade da combustão, já que com uma concentração mais elevada de oxigênio, as chances de colisões aumentam.

O aumento da temperatura faz com que as moléculas apresentem maior energia, aumentando também a chance de colisão. Resultado: em pouco tempo o fogo acaba se espalhando tornando ainda mais difícil o trabalho dos que combatem as chamas.

Concluindo

Os incêndios podem se espalhar destruindo grandes áreas e afetando os animais que habitam no local. Há grande tempo necessário para que a floresta possa se recuperar, já que vegetação amazônica difere das características da vegetação localizada em regiões mais secas.

A destruição das florestas prejudica todos: com as queimadas aumentam os problemas respiratórios da população por causa da fumaça, além de danos ao fornecimento de eletricidade em alguns locais.

O fogo na Amazônia ainda contribui para o empobrecimento da floresta, alterações no clima regional, e a longo tempo, substituição da vegetação atual por uma vegetação mais facilmente inflamável. Os estoques de nutrientes são afetados, alterações no ciclo hídrico, diminuição de grupos de animais e de espécies de plantas.

Ou seja, toda a biodiversidade é afetada. Sendo assim, você que leu até aqui (e toda a sociedade) é responsável por manter acesa a chama da luta por um cenário futuro muito melhor, combatendo as chamas provenientes do descaso e da falta de responsabilidade para com todos.

Por: Fabiano C. da Silva

Instituto de Química - UNESP

Projeto Desbravando a Ciência.

Publicado dia 14/10/19.


Referências

CHANG, R.; GOLDSBY, K. A. Química. 11. ed. Porto Alegre. AMGH. 2013. 1139 p.

FIGUEROA, M. J. M.; MORAES, P. D. Comportamento da madeira a temperaturas elevadas. Ambiente Construído, v. 9, n. 4, p. 157 -174, OUT. 2009.

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