Fogos de Artifício – A química de como funcionam

20 de junho de 2019/em Diversidades da Química (2015) /por Miguel

Fogos de Artifício – Como funcionam?

Final de ano, nada mais comum que passar a virada do ano vendo o show de fogos de artifício, seja ao vivo ou pela TV. Quem nunca fez isso?

Shows de fogos de artifício são muito bonitos, no entanto, o barulho nas redondezas do espetáculo é gigantesco. E isso, é devido à grande quantidade de pólvora existente em um fogo de artifício.

Composição e Histórico

Um fogo de artifício é composto basicamente por pólvora (mistura de enxofre, carvão e salitre ‘nitrato de potássio’) e por um sal de um elemento determinado (o que irá determinar a cor da luz produzida na explosão).

A pólvora foi bastante utilizada nos últimos séculos, principalmente, no século XX, durante a 1ª e 2ª Guerra Mundial. Geralmente, a descoberta da pólvora é atribuída aos chineses, que aparentemente a fizeram por volta do ano 1000 d.C. ou seja, por volta do século XI. Foi também os chineses que inventaram os fogos de artifício. Não como eles são encontrados hoje, mas de uma forma primária.

Na Europa, como é de conhecimento de muitos, ocorreram diversas guerras, dentro e patrocinadas por seus países. Isso ajudou no desenvolvimento de técnicas de trabalho com a pólvora e até a sua melhoria. Neste continente, a pólvora chegou por volta do século XIII ou XIV, mas só no século XVIII, durante a Revolução Francesa que a sua produção foi melhorada. Antoine Laurent Lavoisier, durante esta revolução, foi nomeado como o responsável pela munição, ou seja, pela pólvora, já que possuía conhecimentos em química. Até então, o salitre utilizado na produção de pólvora era obtido de forma primitiva e em pequenas quantidades. Lavoisier foi quem descobriu uma maneira de sintetizar o salitre em grandes quantidades, o que possibilitou um aumento sensível na produção e utilização da pólvora.

A pólvora, em um fogo de artifício, possui, além do nitrato de potássio (KNO₃), perclorato de potássio (KClO₄) ou clorato de potássio (KClO₃). Estes compostos são denominados oxidantes e são altamente explosivos. A presença desses sais (KClO₄ e KClO₃) é uma forma de aumentar a explosão e a claridade proporcionada pelo fogo de artifício. Geralmente é utilizado sais de potássio, mas não de sódio, isso é devido ao fato dos sais de sódio absorverem água da atmosfera com maior facilidade do que os sais de potássio. Esse fato é o que impossibilita a utilização de sais de sódio em fogos de artifícios, uma vez que ao serem estocados, caso fossem feitos com sais de sódio, ocorreria a absorção de água, o que atrapalharia no momento da explosão do fogo. Além da intensa luz amarela que é obtida com os sais de sódio, que ofuscaria as outras cores.

A Química das cores dos fogos de artifício

As cores produzidas em um show de fogos de artifício são produzidas a partir de dois fenômenos, a incandescência e a luminescência.

Incandescência

A incandescência é a luz produzida pelo aquecimento de substâncias. Quando se aquece um metal, por exemplo, ele passa a emitir radiação infravermelha, que vai se modificando até se tornar radiação visível na cor branca. Isso irá depender de qual temperatura é atingida. Um exemplo de incandescência são as lâmpadas incandescentes, onde existe um filamento de tungstênio que é aquecido e passa a produzir luz, a partir da incandescência. Este fenômeno é, também, visto nos fogos de artifício, nos quais são utilizados metais como o alumínio e magnésio, que ao queimarem produzem alta claridade.

Luminescência

A luminescência é a luz produzida a partir emissão de energia, na forma de luz, por um elétron excitado, que volta para o nível de energia menos energético de um átomo.

Este fenômeno, a luminescência, pode ser explicado da seguinte forma: 1) Um átomo, de um elemento químico qualquer, possui elétrons em níveis de energia. Ao receber energia, estes elétrons são excitados, ou seja, são promovidos a níveis de energia mais elevados. A quantidade de energia absorvida por um elétron é quantizada, ou melhor, é sempre em quantidades precisas, não podendo ser acumulada. 2) O elétron excitado tem a tendência de voltar para o nível menos energético, pois é mais estável. Quando ocorre esta passagem, do nível mais energético para o menos, ocorre também a liberação da energia absorvida, só que agora, na forma de um fóton, ou seja, na forma de luz.

A luminescência é uma característica de cada elemento químico. Ou seja, átomos de sódio quando aquecido, emitem luz amarela, pela luminescência. Já os átomos de estrôncio e lítio produzem luz vermelha. Os de bário produzem luz verde e assim por diante.

Os fogos de artifício utilizam deste fenômeno e desta variedade, uma vez que há fogos das mais diversas cores. No entanto, nos fogos de artifício são utilizados sais destes elementos químicos, pois o elemento puro, é muitas vezes, reativo. Na tabela a seguir, há uma relação entre as cores e os sais dos elementos químicos utilizados para a sua produção.

Sais de sódio, tais como: NaNO₃, Na₃AlF₆e NaCl

Sais de cobre, tais como: CuCl₂ e Cu₃As₂O₃Cu(C₂H₃O₂)₂

Sais de cálcio, tais como: CaCl₂, CaSO₄ e CaCO₃

Sais de estrôncio e lítio, tais como: SrCO₃e Li₂CO₃

Sais de bário, tais como: Ba(NO₃)₂e BaCl⁺

Mistura de sais de estrôncio e cobre

Alumínio e magnésio, metálicos ou sais

Referência Bibliográfica
1-KOTZ, J., C., TREICHEL, P., Química e Reações Químicas, 3ª edição, volume 2; Rio de Janeiro, Editora LTC, 1998.
2-Tosi, L. Química Nova. 1989,12(1), 33-56.

Álcool, mais que um produto, uma função orgânica

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O que são álcoois?

Os álcoois ocupam uma posição central na química orgânica. A partir deles, é possível a síntese de muitas classes de compostos, tais como: alquenos, ésteres, haletos de alquila, ácidos carboxílicos, cetonas, aldeídos, éter, etc. Além da possibilidade de dar origem a outras funções, os álcoois também podem ser obtidos destas funções.

Álcool combustível

Álcool é um composto orgânico em que um átomo de H, de um alcano, é substituído por um grupo hidroxila, OH.
CH₄ (alcano) – CH₃OH (álcool)
CH₃CH₃ (alcano) – CH₃CH₂OH (álcool)

Os álcoois mais conhecidos e utilizados são o metanol e o etanol. As principais aplicações do etanol é como combustível, aditivo para combustível fóssil (adição na gasolina para aumentar a octanagem) e como reagente químico para indústria. O metanol já foi usado como combustível, mas notou-se o seu caráter tóxico e sua aplicação como combustível foi descontinuada. Atualmente, o metanol é usado principalmente como reagente químico, na indústria.

Na síntese do biodiesel é utilizado um álcool. Mundialmente, utiliza-se metanol, pois oferece melhores rendimentos reacionais, mas no Brasil, devida a grande abundância de etanol, utiliza-se o etanol como reagente na síntese do biodiesel. Veja mais sobre a síntese do biodiesel!

Há um tempo atrás, o metanol era obtido a partir da destilação da madeira, ou melhor, do aquecimento da madeira a altas temperaturas e na ausência de ar. Daí surgiu a denominação: álcool da madeira. Atualmente, ele é produzido a partir da hidrogenação catalítica do monóxido de carbono à temperaturas e pressões elevadas, em torno de 300 – 400°C e 200 – 300 atm.

O etanol combustível é obtido, principalmente, a partir da fermentação dos açúcares de frutas, tais como a cana-de-açúcar.

Entretanto, o etanol também pode ser obtido industrialmente, como um subproduto da destilação do petróleo. O etileno é um subproduto do petróleo, que em condições de hidratação, pode originar o etanol.

O etanol é o álcool encontrado em bebidas, sendo sua concentração, variável, ou seja, a porcentagem de álcool em um bebida pode variar de 4% em uma cerveja até 50% em uma cachaça. Esta concentração irá variar de acordo com a bebida e se ela é ou não destilada.

Bebidas apenas fermentadas não apresenta um teor alcoólico muito elevado. Já as destiladas como cachaça e uísque apresentam alto teor alcoólico.

A destilação simples ou fracionada de uma solução de etanol e água não leva a etanol maisconcentrado que 95%. Para a obtenção de um álcool com concentração superior a 95%, é necessário um tratamento com benzeno. A destilação desta nova mistura pode produzir etanol 100% ou bem próximo disso. Este álcool é denominado: álcool absoluto.

O etanol encontrado em supermercados e farmácias possui concentração elevada, bem mais alta que de muitas bebidas. No entanto, ele não pode ser ingerido, uma vez que possuem agentes desnaturantes, que tem a finalidade alterar o gosto e o odor do produto, para que não seja ingerido.

O etanol é hipnótico (induz ao sono). Diminui a atividade superior do cérebro, embora provoque a ilusão de ser estimulante. Ele é também tóxico, mas muito menos que o metanol.

Você sabia que misturar bebida alcoólica e energético pode ser perigoso?

Etileno Glicol

O etileno glicol (HOCH₂CH₂OH) é utilizado, em alguns casos, como agente anti-congelante (em países frios) ou como agente anti-ebulição (fluido de radiador comercializado no Brasil), utilizado como aditivo para motores de automóveis. Ele é comercializado com esta finalidade com diversos nomes fantasia. Ele é um álcool tóxico e não deve ser ingerido.

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Sal: tipos, origem, importância e aplicações

Sal, sal de cozinha, sal de mesa, sal grosso, sal rosa…

O NaCl, ou simplesmente, sal, é amplamente utilizado no Brasil e no mundo.

Quando vamos fazer um churrasco, o que é preciso? Carne, sal e brasa. O sal utilizado neste exemplo, pode ser do mais variado tipo, refinado, grosso, rosa, light, com ervas, etc.

Algo em comum, em todos esses exemplos de sal já citado é a presença de NaCl (cloreto de sódio – o constituinte principal, acima de 99%) e KI (iodeto de potássio – responsável pela presença de iodo no sal). Para evitar que o sal finamente triturado se agregue, formando pedras ou até mesmo juntando bastante umidade, são usados ferrocianeto de sódio e alumínio silicato de sódio (responsáveis pela diminuição da umidade do produto, evita que o sal empedre).

O sal de cozinha quando dissolvido em água, forma uma solução turva, que é decorrente da não solubilidade destes anti-umectantes em água. Uma solução de NaCl puro, ou melhor, de NaCl utilizado como reagente em laboratórios químicos é transparente, pois não apresenta anti-umectantes.

O NaCl, constituinte principal do sal de cozinha (sal comum, ou sal para churrasco), pode ser obtido de minas naturais de sal, a céu aberto, nas quais ele é chamado de halita, um mineral. No entanto, ele também pode ser obtido a partir da água do mar, por evaporação da água. Neste último processo, a água do mar, que contém além do NaCl, diversos outros sais, tais como carbonatos e sulfatos, sofre ação do Sol e de ventos, para a precipitação dos diversos sais e obtenção final do NaCl, que é muito solúvel em água.

Do total de sal extraído no mundo, atualmente, cerca de 5% apenas é para consumo humano. A maior parte da produção de NaCl é utilizado nas indústrias, para diversos fins, tais como produção de NaOH, cloro gasoso, produção de papel, tecidos, cosméticos, tinturas, remédios, etc.

No Brasil, a maior parte do sal consumido na cozinha, é obtida da água do mar.
O cloreto de sódio, NaCl, é um compostos iônico formado pela união de um metal alcalino altamente reativo, o sódio, e um halogênio, também reativo, o cloro. A combinação destes dois elementos dá origem a um compostos que é desejado a muito tempo e por muitos. No entanto, não é todos que podem consumir o NaCl da forma desejada. Algumas vezes, é necessária a “ajuda” de um médico para auxiliar no consumo deste ingrediente tão precioso em nossa culinária.

Um constituinte fundamental do sal de cozinha, o íon sódio, é responsável pela troca de água das células com o seu meio externo, ajudando-as a absorver nutrientes e eliminar resíduos. Além disso, ele tem fundamental importância no processo de contração muscular. No entanto, ele está associado à problemas cardiovasculares e de hipertensão, daí a importância de seu consumo ser moderado.

Mas, qual é a diferença entre o NaCl e o sal de cozinha?

Bom, a diferença está no fato do sal de cozinha ser uma mistura de NaCl e compostos de iodo, que são introduzidos com o intuito de prevenir os chamados DDI (Distúrbios por Deficiência de Iodo), que são problemas de saúde, tais como: o bócio, abortos prematuros, retardos mentais, etc. Para consumo humano, é considerada adequada, para um adulto, a ingestão de 0,15 mg de iodo por dia. O teor presente no sal de cozinha é de 20 a 60 mg de iodo por quilo do produto final. Esta é uma regulamentação do Ministério da Saúde.

Na água do mar, o cloreto de sódio, NaCl, está na forma de íons Cl^– e Na⁺, que darão origem ao NaCl sólido, que se precipitará, cristalizará, pela evaporação da água. Então, na água do mar não existe o NaCl, mas sim, íons Na⁺ e Cl^–, os quais darão forma ao composto cristalino, que é agrupado segundo o esquema ao lado.

Qual a diferença entre o sal grosso e o sal refinado?

Quimicamente falando, não há diferença, o que diferencia um do outro, é a granulometria, ou seja, o tamanho físico do grão de sal, que será estipulado pela empresa responsável pela sua extração/processamento, que pode escolher, triturá-lo na forma de pó fino, como o sal refinado de cozinha, ou deixá-lo em grãos maiores, como o sal grosso.

Ambos os sais (sal refinado e sal grosso) são tratados de forma totalmente higiênica e possuem alto grau de pureza, pois os cristais que são formados a partir da evaporação da água do mar, são purificados, através da sua própria cristalização e segundo regras da Vigilância Sanitária.

E o sal light, o que é?

Na verdade, o sal light é um sal com menor teor de íons sódio, ou seja, é uma mistura meio a meio de cloreto de sódio e cloreto de potássio.

Os íons potássio possuem a característica de ficar menos tempo no organismo, quando comparado aos íons sódio, dessa forma, o organismo irá reter menos água e terá menor possibilidade de desenvolver problemas de hipertensão sanguínea. Dessa forma, a ingestão de sal light é melhor do que sal de cozinha convencional. Mas é importante destacar que, embora o teor de sódio seja menor na composição vendida como sal light, a ingestão deste tipo de sal também deve ser controlada. EXCESSO DE SAL NUNCA FAZ BEM!

Sal Marinho, o que é?

A preocupação por uma alimentação saudável vem crescendo nos últimos anos. E isso influencia na busca por informações a respeito de alimentos mais saudáveis. Muita gente tem falado sobre o consumo de sal marinho, como sendo algo diferente do conhecido sal de cozinha (sal refinado, NaCl), no entanto, essa denominação pode gerar graves enganos.

O sal marinho é uma mistura de sais, mas principalmente NaCl, extraído da água do mar, assim como o nosso sal de cozinha. No entanto, o produto que é vendido como sal marinho é um produto menos processado, rico em NaCl, mas que contém sais de magnésio, cálcio e potássio, além de matéria orgânica. Afirmar que o consumo de sal marinho é melhor do que o sal marinho refinado pode ser algo relativo, já que a maior preocupação no consumo de sais deve ser a ingestão cada vez menor de íons sódio. Acredita-se que o consumo do sal light é melhor, considerando que haverá menor ingestão de íons sódio, para uma mesma quantidade de sal.

Aplicações do NaCl

O NaCl, além de ser amplamente utilizado no tempero de alimentos, é também aplicado industrialmente como matéria prima para outras substâncias.

Sódio metálico

A obtenção do sódio metálico, Na, é possível a partir da eletrólise do cloreto de sódio fundido, que também produz gás cloro.

2 Na⁺ + 2e^– → 2 Na(l)
2 Cl^– → Cl₂(g) + 2e^–
——————————————–
2 Na⁺ + 2Cl^– → 2Na(l) + Cl₂(g)

Além do gás cloro e do sódio metálico, o cloreto de sódio pode ser utilizado para obtenção do NaOH, que é bastante utilizado na industria de cosméticos e de produtos de limpeza, para a produção de sabonetes,sabões, detergentes, etc.

Embora o cloreto de sódio, NaCl, na forma de sal de cozinha seja bastante conhecido e utilizado, é importante destacar que o termo “SAL” não diz respeito apenas a esse composto, mas a uma classe enorme de compostos derivados da reação entre um ácido e uma base. Então, NaCl é apenas mais um sal.

Para saber mais:

O que é sal marinho

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