Química e Arqueologia: O uso do Carbono 14

Uma utilidade muito interessante de cinética química frente ao estudo do passado da humanidade é o cálculo de quanto tempo um determinado objeto tem. Saber a idade de um objeto ajuda a reconstruir o passado e compreender melhor quem somos.

Na arqueologia existe um uso bem técnico da química, na realidade um arqueólogo não tem que saber necessariamente sobre o conhecimento técnico da química, já que as análises são feitas por cientistas da área de ciências aplicadas. Portanto físicos e químicos são os que calculam a idade dos objetos.

O cálculo é feito baseando-se no tempo de meia vida, ou seja, no tempo um determinado composto alvo que compõem o objeto, leva para diminuir em 50% sua massa. O teste mais simples é do cálculo de decaimento do carbono 14.

Para simplicar devemos pensar de onde surge o carbono 14. 

O carbono 14 é um isótopo radioativo do carbono, e surge do nitrogênio da atmosfera, que por causa do choque de neutrôns energizados por raios cósmicos, acabam perdendo um próton e formando um átomo de hidrogênio. Com a perca do próton o nitrogênio passa de 7 para 6 e dessa forma torna-se um outro elemento, que é o carbono, pois possui cerca de 6 carbonos como número atômico. O número 14 refere-se a massa do ísótopo (6 prótons + 8 neutrôns), o nitrogênio também possui massa 14 (7 prótons + 7 neutrôns). Como o nitrogênio absorve o neutrôn e libera um próton, a massa atômica se mantém a mesma, porém sua estrutura modifica demais, sendo que há a diminuição de um próton que influência muito na força exercida pelo núcleo aos elétrons, porém com a entrada de mais um neutrôn se tem uma maior distância entre os prótons no núcleo, o que também influência na estrutura do átomo.

O cálculo para se ver o quanto velho é um artefato se baseia em descobrir quanto carbono 14 o mesmo ainda tem. O carbono 14 leva cerca de 5730 anos para decair 50% de sua massa, portanto, sabendo-se por via empirica a constante de velocidade de decomposição, torna-se simples o cálculo do tempo de meia vida.

Archeopteryx Lithographica, Coelurosauridae coberto de penas, viveu no período Jurássico à aproximadamente 150 milhões de anos atrás, encontrado na Baviera em 1861. É considerado o elo perdido, a ligação entre répteis e aves.

Reações de decomposição radioativas, são reações de primeira ordem, logo com o valor do tempo de meia vida do carbono conseguimos achar a constante de velocidade, devido o uso da fórmula do tempo de meia vida de reações de primeira ordem: T1/2 = (ln2)/k, onde k é a constante de velocidade.

Modelando a equação chegamos em  k = (ln2)/T1/2, como ln2 é uma constante (0,69314718...) e o tempo de meia vida é conhecido (5730 anos), chegamos em um k = 1,209680943 x 10^ -4 anos^ -1.

De posse das concentrações iniciais e finais analizadas previamente com aparelhos de detecção (As quantidades são baseadas em porcentagens, portanto a quantidade inicial é 100% e a final 100% - x%) do carbono presente na amostra, conseguimos calcular o tempo do objeto. Abaixo mostro as equações. 

Equação do cálculo de tempo de meia vida de uma reação de primeira ordem

Cálculo da constante de velocidade baseando-se no tempo. Equação modelada a partir do cálculo de tempo de meia vida.

Equação que descreve a concentração de Carbono 14. Utilizando a constante obtida da equação anterior e das concentrações obtidas previamente conseguimos calcular a idade do artefato.

Equação modelada para cálcular direto o tempo.

Nomenclaturas Importantes

Logo abaixo existe algumas tabelas com nomes de cátions, ânios, nomes populares dentre outras coisas que podem tornar a leitura e o aprendizado dos textos, alguns relativamente mais antigos, que remotam a nomes diferentes aos usados atualmente.

Um exemplo comum em diversos livros é o termo Azoto e compostos Azotados que se referem ao elemento químico nitrogênio, ou seja, Azotados são Amônia, Ácido Nítrico, Dióxido de Nitrogênio, dentre muitos outros exemplos. 

Os íons em geral tem nomes no masculino, por exemplo, Amônia formando seu íon NH4-, deve ser nomeado íon AmôniO e não AmôniA, ou seja, existe algumas especificações que devem ser seguidas para uma melhor compreensão e melhor relato de dados. 

Nos íons poliatômicos podemos ver alguns nomes que não seguem um padrão, muitas vezes usando nomes comuns, como formiato (o correto é metanoato, porém como esse é o ácido comum no veneno da picada das formigas ele acabou ficando com esse nome comum), acetato (que vem de ácido, no caso esse composto da origem ao vinagre, acabou ficando com esse nome por causa do sabor ácido que o vinagre possui), dentre outros. Porém existe uma padronização no sulfixo do nome desses compostos.

Os compostos terminando com o nome terminando em "ila" representam radicais, que são facilmente encontrados em cadeias orgânicas.

Íons terminando com "eto" e "ato" são chamados de ânios (compostos carregados negativamente por possuírem um elétron a mais) e os que terminando com "ico" e "oso" são os cátions (compostos carregados positivamente por possuírem um elétron a menos). Os íons formados por um único tipo de elemento, porém com um elétron a mais, tem seu nome terminado em "eto" (Sulfeto, Carbeto, Azoeto), já os que são formados por elementos diferentes e possuem um elétron a mais em sua densidade eletrônica possuem o sulfixo "ato" (Sulfato, Carbonato, Nitrato).

Alguns exemplos bem fáceis da nomenclatura de compostos provenientes dessa tabela são:

H2S - Ácido Sulfídrico ou Dihidrogeno Sulfeto

CuCN - Cianeto Cúprico

Pu(S2O4) - Tiossulfato Plúmbico

Alguns prefixos como "hipo" e "per" indicam se o composto já está com elétrons acima do que comporta normalmente ou se está como muito menos elétrons que o normal, respectivamente. Esses compostos num geral possuem muitos elétrons de valência e camadas que blindam o núcleo, o que ajuda aos elétrons de valência estarem mais fracamente ligados ao átomo.

 HClO4 - Ácido  Perclórico

HClO - Ácido Hipocloso

Na nomenclatura dos ácidos temos uma mudança no fim sendo que sulfixo "ato" passa a ser "ico" e "ito" passa a ser "oso", como visto nos exemplos acima.

Uma outra coisa que pode causar confusão na nomenclatura de compostos químicos é o trabalho com seus cátions, que possuem muitas vezes para um elemento central mais de um tipo de número de oxidação. Abaixo há uma tabela muito útil para ensino e estudo, tanto a nível médio quanto a superior.

Alguns exemplos bem fáceis da nomenclatura de compostos provenientes dessa tabela são:

CoSO4 - Sulfato Cobaltoso

Co2(SO4)3 - Sulfato Cobáltico

CuSO4 - Sulfato Cúprico

Cu2SO4 - Sulfato Cuproso

Portanto percebe-se que os cátions de número de oxidação mais baixo terminam com o sulfixo "oso" e os cátions com número de oxidação mais alto recebem o sulfixo "ico".

Essas tabelas foram retiradas do livro Atkins - Princípios de Físico-Química

Equacão de Michaelis-Menten: Modelagem

Antes de estudarmos um pouco de bioquímica, imaginamos que essa matéria visa muito reações orgânicas, porém bioquímica se usa de muita físico-química. 

Logo muito importânte nesse estudo gira em torno da interpretação de quanto efetiva é uma enzima frente um substrato, esse critério é estudado pela equação de Michaelis-Menten, que envolove a concentração do substrato, da enzima, contantes de velocidade e velocidade de reação.

Abaixo temos o desenvolver da equação: 

Extraído do livro: Atkins - Princípios de Físico Química

Onde:

E = Enzima

S = Substrato

ES = Complexo Enzima Substrato

Logo para compreender a velocidade de formação do produto proveniente da reação entre o Substrato (Reagente ao qual se adiciona a Enzima). A Enzima tem como funcionalidade diminuir a energia de ativação e dessa forma causar um aumento da velocidade de reação. Podemos ver na reação de formação do produto, que ao fim, o reagente que entrou em contato com a enzima realmente reagiu e ocorreu a formaçãode algo novo, mas o mais interessante é observar que a enzima é removida no fim da reação, ou seja, a mesma participa somente diminuindo a energia, para que a reação se torne mais rápida, sem entrar de forma ativa como reagente.

Uma característica das reações catalisadas com enzimas é a utilização de uma simplificação na modelagem da equação que descreve a velocidade de formação do produto, onde as constantes de velocidades envolvidas no processo levam a usar a constante de Michaelis - Menten (KM), que recebe esse nome por causa dos cientistas que as relacionaram (observar na imagem equação 31b) e acharam mais simples usar uma constante que relacione todas as outras (uma variável) na equação de velocidade.

Outra característica da equação é que se observou que pode-se calcular também a velocidade máxima da reação (a velocidade obtida com o uso da equação 31a é a velocidade média de formação do produto). A velocidade máxima pode ser obtida com a multiplicação da concentração inicial de enzima [E]o com a constante de velocidade de formação de ES em E + Produto, ou seja, k2 x [E]o. O k2 também é chamado de número de Turnover, que é o valor máximo de reações enzimáticas catalizadas por segundo, ou seja, pode ser considerada como uma frequência (s ^ -1).

Com essas observações pode-se ver que no estudo de química existe necessidade de compreender diversas áreas, ou seja, modelagem matemática, cinética química, química analítica e orgânica contribuem em muito para a bioquímica. Logo essa que é a base de estudo da biologia, se mostra muito mais próxima da fisico-química do que das matérias de análise laboratorial que os biólogos tantam usam. Portanto um bom uso da modelagem matemática e da usabilidade de físico-química são imprescindíveis para qualquer área de estudo biológico. Um bom biólogo conhece bem bioquímica, portanto, deve compreender o básico de modelagem matemática e cinética química.

Logo abaixo temos um gráfico que relaciona Velocidade de Reação x Concentração do Substrato. Podemos ver que a curva obtida se comporta como uma reta nos primeiros 10% do percurso da reação, logo após isso a mesma se comporta como uma exponencial inversa (uma raiz).

Analisando o gráfico fica muito explícito que a metade da velocidade média corresponde à Constante de Michaelis-Menten.

Para compreender melhor como se dá a modelagem e análise da equação de formação de produto com uso de uma enzima como catalisador, proponho o vídeo a seguir, que mesmo estando em inglês é muito simples sua compreensão.

Estudar na Internet?

Ultimamente não se pode pensar em estudo de alguma área da ciência sem a utilização da internet, sendo que a mesma auxilia com o levantamento de dados, encurtamento de distância entre pessoas que não poderiam se comunicar, automatização da divulgação de referências dentre muitas outras grandes possibilidades.

Muitas coisas boas se encontram na rede mundial, porém existe uma infinidade de dados que não merecem confiança, devido sua origem não vinculada a uma instituição de pesquisa importante e reconhecida. Esse próprio blog possui uma origem disvinculada a uma universidade ou instituição de ensino superior, porém os dados que aqui reporto tento trata-los vinculados às observações e levantamento de dados que fiz durante a graduação.

Um fator na internet que vem trazendo bastante relevancia é as instituições de ensino superior e as instituições vinculadas ao ministério da cultura, ciência e educação utilizarem a mesma de forma a divulgar dados na forma de aulas.

Um site muito bom, que possui diversos objetos educacionais é o BIOE (Banco Internacional de Objetos Educacionais). Um objeto educacional é todo texto, imagem, vídeo, aula, experimento, que pode ser usado para se desenvolver uma situação de ensino e aprendizagem, tanto a nível fundamental, médio e superior. Esse site tem a aprovação do MEC, sendo que tudo que é cadastrado é avaliado por alunos de graduação, mestrado, doutorado e professores que atestam se o objeto é relevante ou não para uma situação de ensino aprendizagem (http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/).

Outro site muito bom, que auxilia principalmente no ensino e usabilidade do cálculo, esse site é o Wolfram|Alpha, que possui um banco de dados com inumeras equações complexas salvas passo-a-passo e reportam os resultados de forma instantânea. Com certeza é um dos sites mais visitados por alunos de cursos de exatas do mundo inteiro. Possibilitando a resolução de limites, derivadas, integrais, desenhar gráficos, dentre muitas outras coisas importantes a nível de cálculo (http://www.wolframalpha.com/).

Outro site que vem ajudando no aprendizado de cálculo é o popular Youtube, pode parecer brincadeira, porém vários professores da área de exatas vem disponibilizando vídeos de aulas em seus canais no site. Um exemplo de aula se encontra abaixo. É de um canal da Unicamp, portanto é uma aula de curso universitário de uma das melhores instituições do Brasil.

Existem diversos cursos do gênero alocados em sites reconhecidos como bons e que acabam sendo linkados no site do youtube. Algumas aulas de universidades internacionais como Harvard também podem ser encontras na rede mundial de computadores.

Podemos dizer que hoje um aluno só perde uma aula de cálculo se quizer, pois se o mesmo saber o tema da aula, pode procura-la na internet e assim poder assistir a mesma aula com professores muito bons.

Como montar a estrutura de um artigo

Umas das coisas mais importantes durante a graduação é o aluno se engajar em algum projeto de iniciação científica e já ir se acostumando com o método de pesquisa. Umas das formas de publicar os resultados obtidos, além de reporta-los em relatórios ou portfólios, os mesmos podem ser publicados em artigos.

Os artigos são publicados em revistas ou periódicos de caráter científico e traz importância ao nome dos que o produz. Porém a forma com que o texto e a estrutura do artigo é desenvolvida, não pode ser de qualquer jeito. Por isso existe algumas padronizações, sendo que a maioria dos artigos e periódicos possuem uma padronização própria, porém o mais comum é o mesmo possuir duas colunas com largura 7,84 cm e espaçamento 1,25 cm, com fonte arial 10, espaçamento em 1, folha A4 21 cm x 29,7 cm (se for adicionar uma imagem a mesma deve possuir a mesma largura do espaçamento da coluna e se possível sua altura também, formando assim um quadrado), contendo os tópicos básicos de um relatório, porém tudo muito resumido, pois deve ocupar o total de duas páginas.

Essa imagem mostra um exemplo de artigo referente a história da química, produzido por mim e por um amigo durante a graduação. Como o intuito é mostrar o aspecto e não passar um trabalho pronto, não o diponibilizei e forma de arquivo.

Além de título e nome das pessoas que desenvolveram a pesquisa, o artigo deve conter no cabeçalho a instituição de origem dos mesmo e no roda-pé o nome da revista ou periódico que irá receber o artigo para publicação. Também deve-se colocar ao menos três palavras chaves, que servem para quem começar a ler o artigo, compreender inicialmente o que vai encontrar a critério de tema do trabalho.

História da Química

História da Química: Quando pensamos no estudo da química, não podemos deixar de pensar como um ciêntista conseguiu interepretar um determinado fenômeno, ou como ele conseguiu desenvolver um determinado mecanismo ou então como conseguiu resolver um grande problema. 

Existem dois fatos importantes a serem levados em consideração para conseguir entender como as descobertas ocorrem, um é o acaso, onde um fenômeno ocorre e então a observação do mesmo se dá no momento oportuno pela pessoa certa (pessoa que tem uma quantidade de conteudo teórico científico relevante em mãos, e que saiba usa-los), ou seja, um tanto quanto aletório, mas que na real é bastante comum de acontecer, sendo que muitas descobertas que revolucionam acabam se dando dessa forma, como foi o caso da descoberta da penincilina (durante um erro de procedimento da metodologia experimental cientifico usada em um experimento com fungos).

A outra maneira é possuir ferramentas científicas, saber como usa-las, possuir conhecimento científico releventate, muito esforço e o mais importante, se usar de conhecimento científico acumulado, reportando erros e acertos em determinada área da ciência, no nosso caso a química.

Portanto, conhecer o passado para compreender o presente e quem sabe prever o futuro, se mostra de grande auxílio para a ciência. Por isso a história da química é muito importante para o profissional científico. 

Várias teorias podem ser observadas como releituras de dados anteriores. Um bom exemplo é a evolução dos modelos atômicos, que são pensados desde a época da Grécia antiga (mesmo que de forma um tanto quanto involuntária por Demócrito), até o modelo atual que envolve complicadas equações matemáticas para descrever as funções de onda que descrevem as probabilidades de encontrar um elétron a uma dada distância do núcleo atômico.

Portanto usar do conhecimento gerado e acumulado de metodologias que levam a dados relevantes (pois várias outras já foram testadas e descartadas por resultarem valores errados ou menos confiáveis), condições históricas, motivação, gastos, tempo de pesquisa, dentre outras coisas que podem mostrar se um caminho usado na pesquisa que se desenrola é bom ou ruim.

A história da química é cheia de momentos onde podemos buscar motivação e inspiração apra desenvolver metodologias modernas e dessa forma pensarmos em novas teorias. O acaso entra nas contas, porém, mesmo sendo comum acontecerem descobertas dessa forma, elas só ocorrem devido o cientísta ter pensado em uma metodologia de pesquisa muitas vezes vinculadas ao estudo de uma outra coisa, ou seja, mesmo vindo ao acaso, elas necessitaram de conhecimento acumulado para se tornarem perceptíveis e também serem desenvolvidas por um erro de metodologia ou caminho diferente.

Grandes nomes de cientístas são conhecidos do público, mas nem sempre as pessoas sabem o que os mesmos desenvolveram e dessa forma contribuiram para a ciência. Um exemplo é Lavoisier, reconhecido como um dos pais da química, porém quando estudamos a sua vida, percebemos que ele foi muito mais um grande administrador do que um descobridor. É claro que Lavoisier contribuiu muito para química, principalmente com seu estudo sobre o oxigênio. Em 1774 Joseph Priestley visitou Paris e teve a oportunidade de conversar com Lavoisier sobre seu trabalho com o recente gás descoberto, o qual era o oxigênio, então de base dos dados, Lavoisier melhorou a metodologia empregada, organizando a mesma e melhorando, logo ele tinha um método mais eficiente para isolar o gás e dessa forma estuda-lo. 

Karl Wilhelm Scheele, Joseph Priestley e Antoine Lavoisier respectivamente. Os três trabalharam com o oxigênio, sendo que os dois primeiros o isolaram e o último melhorando a metodologia aplicada.

 

Com isso o nome de Lavoisier é tão citado quanto o de Priestley quando se refere ao processo isolamento do gás, porém os que fizeram isso primeiro foram Priestley e Scheele, sem contribuição de Lavoisier.

Claro que esse é somente um exemplo de utilização de conhecimento acumulado para se desenvolver novos métodos de pesquisa, pois são inúmeros esses casos e teriamos que escrever milhares de páginas para descrever resumidamente esses eventos.

Dessa forma torna-se claro que estudar história da química é altamente relevante para o desenvolver da cognição metodológica frente à ciência, pois sem conhecer o passado e o esforço de muitos cientístas, não conseguimos saber se a linha de raciocínio é relevante frente a um dado experimento. Ter em mãos exemplos é sempre mais confortável do que partir do zero. Podemos ver que os grandes nomes da ciência se utilizaram do que outros disseram no passado para transformar o presente e assim modificar drasticamente o futuro.

Curiosidade: Por que o sal derrete o gelo?

Por causa das nevascas que vem ocorrendo nos países do norte, vemos sempre nos jornais que as pessoas acabam combrando sacos de sal e esgotando os estoques dos mesmos rapidamente no comércio. Isso se dá pois o Sal causa o derretimento do gelo. Mas porque isso acontece?

Essa foi uma descoberta feita pelo ciêntista alemão Daniel Gabriel Fahrenheit, que também criou uma escala de temperatura, que recebeu seu nome. Fahrenheit depois de fazer alguns testes acabou percebendo que a água quando entra em contato com o sal, sua temperatura de fusão cai para -32^o C (nesse caso um sistema saturado, ou seja, sistemas com concentrações diferentes causam diminuições diferentes na temperatura de fusão), ou seja, bem abaixo do normal (0^o C), com isso ela permanece no estado líquido por muito mais tempo, pois a temperatura teria que estar a menos de -32^o C para manter-se sólida.

Agora devemos pensar o que faz com que a temperatura caia tanto assim, portanto devemos pensar em uma coisa simples do dia-a-dia, para o gelo derreter precisamos fornecer energia térmica, ou seja, calor.

A energia cedida faz com que as moléculas vibrem e se movimentem mais, rompendo algumas forças intermoleculares, logo a analogia é simples, quanto mais móvel é o estado físico, mais energia ele consumiu.

O estado sólido das substâncias exige uma determinada quantidade de energia para passar para o estado líquido e por sua vez o estado líquido necessita de uma quantidade muito maior de energia para passar ao estado gasoso (comparando-se com a energia inicial fornecida ao sólido), ou seja, as passagens de estado envolvem energias para romper interações que mantém as moléculas mais compactadas.

O Sal se dissolve na água e dissocia-se, formando íons (Na⁺ e Cl^-), logo esses íons entram em contado com as interações entre as moléculas de água e com as próprias moléculas de água, diminuindo a força das interações água-água. Pela formção dos íons o sal consegue forçar o abaixamento da temperatura de solidificação, se fosse usado açucar não seria possível esse efeito. 

Em países onde neva muito, caminhões espalham gelo na pista para forçar a mudança de estado físico e assim evitar acidentes graves por derrapamento por deslizarem nas camadas congeladas.

 Uma dúvida que muitas pessoas tem é por que colocar o sal em isopores com bebidas e dessa forma gelar mais a bebida, se o gelo acaba derretendo.

A explicação é bem simples. O que se faz é forçar o degelo porém não a diminuição da temperatura, ou seja, a temperatura de fusão, que é uma característica do gelo que vai ser alterada, mas não a temperatura em que se emcontra a mistura, como o isopor é um isolante acaba mantendo a temperatura baixa, porém em vez de haver água sólida, existe água líquida, que conduz muito mais fácil temperatura que o gelo. A intensão de manter a água no estado líquido nesse caso é referente ao fato de que ela como um fluido que ocupa todo o volume onde e encerrada, ocupa todos os lados possíveis dos engradados e dessa forma consegue absorver o calor dos engradados e assim diminuir a temperatura dos mesmos. Isso ocorre pois tudo tende a um equilíbrio na natureza, depois de muito tempo, a água e os engradados terão a mesma temperatura.

Uma outra forma para derreter o gelo é aplicar pressão sobre o mesmo, porém esse é um outro efeito físico que pode ser discutido mais para frente.