Como o enxofre pode se ligar mais de duas vezes ao oxigênio, sendo ambos bivalentes?

Valência, em química, é a capacidade de um átomo de se ligar a outros. Já o número de valência é o número de elétrons que o átomo pode ‘ceder’, ‘receber’ ou ‘compartilhar’ com outro quando estão ligados. Esses elétrons estão situados na camada eletrônica mais externa, a camada de valência. Os chamados gases nobres, por exemplo, têm a camada de valência completa. Ou seja, não têm como ceder ou receber elétrons. Por isso, são inertes: seus átomos não se ligam a outros.

Os átomos reagem com outros para ficar mais estáveis (ou inertes). Quando um átomo cede os elétrons da camada de valência, ele torna-se mais estável, porque a camada eletrônica imediatamente anterior está completa. Já o átomo que recebe elétrons busca completar sua camada de valência, o que o tornará inerte. Ao compartilhar elétrons, os dois átomos envolvidos tendem a completar essa camada.

Os elementos – executados os gases nobres – podem ter apenas um número de valência ou esse número pode variar. A variação depende das características dos átomos envolvidos na ligação.

O oxigênio, quando se liga a outros elementos, tem em geral valência 2 (é bivalente), mas o enxofre, ao contrário do que está na pergunta, é multivalente, já que tem valências mais comuns de -2, +2, +4 e +6. A quantidade de elétrons que o enxofre precisa para tornar-se mais estável vai depender do elemento ao qual se liga. Com o hidrogênio, por exemplo, forma o gás sulfídrico (H2S) ou ácido sulfídrico (quando dissolvido em água). Nesse caso, o enxofre tem valência -2. Já no caso do gás sulfúrico (SO3) ou, quando adicionada água, do ácido sulfúrico (H2SO4), o número de valência será +6.

Mário José Politi

Instituto de Química, Universidade de São Paulo.

Ciência Hoje, Novembro de 2010.

Sendo a Lua responsável pelo movimento das marés, parte da energia que move os oceanos é convertida em calor e devolvida ao espaço. Sendo o sistema Terra-Lua inelástico, a Lua, que perde a energia cinética, não deveria desacelerar, executar uma órbita descendente e colidir com a Terra?

Não, na verdade, as marés fazem com que a velocidade de rotação da Terra diminua e a Lua se afaste dela. As marés são causadas pelo fato de várias partes da Terra serem ‘puxadas’ pela Lua com intensidades diferentes. O lado mais próximo é ‘puxado’ em direção à Lua com mais intensidade do que o centro da Terra, enquanto no lado oposto a força de atração é menos intensa. Isso faz com que a elevação da água ocorra na direção Terra-Lua, mas em pontos opostos, em relação ao centro da Terra. As marés são devidas também ao Sol; mas, como o efeito da Lua é cerca de duas vezes maior, vamos considerar apenas o último.

Os bojos das marés tendem a ficar alinhados com a Terra e a Lua mas, ao girar, a Terra tenta arrastar esses bojos. Assim, os movimentos das águas, da atmosfera e do interior da Terra causam atritos e, consequentemente, além de gerar calor, tendem a frear a velocidade de rotação da Terra, o que causa, no período de rotação desta, um aumento de 1 segundo a cada 50 mil anos. Esse mesmo efeito fez com que a rotação da Lua – que também sofre uma força de maré exercida pela Terra, 20 vezes maior do que a força em sentido contrário – se sincronizasse com o período de sua própria órbita, apresentando sempre a mesma face para nós.

E por que a Lua se afasta? Para explicar isso, é preciso considerar outra grandeza associada ao sistema Terra-Lua, tão importante quanto a energia: o momento angular. As marés não causam sua variação, diferentemente do que ocorre com a energia, e, portanto, ele se mantém constante durante a evolução temporal do sistema. É a conservação do momento angular que faz, por exemplo, com que a velocidade de rotação de um patinador aumente ou diminua conforme ele esteja com os braços próximos ao corpo ou abertos. No caso do sistema Terra-Lua, se a Terra diminui sua velocidade de rotação, a Lua deve afastar dela cerca de 3 cm por ano para que o momento angular seja conservado. Portanto, a maré faz com que a Lua se afaste da Terra, aumentando o período da órbita da Lua.

Esse processo só terminará quando os períodos de rotação da Terra e de órbita da Lua se igualarem. Calcula-se que isso aconteceria, se os dois astros tivessem vida tão longa, em algumas centenas de bilhões de anos, quando os períodos seriam de 1.200 horas (50 dias atuais). Nesse caso, a distância entre a Lua e a Terra teria aumentado apenas uma vez e meia.

Roberto V. Martins

Observatório Nacional/RJ                                                

Ciência Hoje, Março de 2001.

O que é pH ácido ou básico? Qual o pH da água?

O pH (potencial de hidrogênio) mede a quantidade de hidrogênio com carga elétrica positiva (íons H+) que um elemento ou composto qualquer produz ao entrar em contato com a água (H2O). “Em temperatura de 25°C, a água já possui um certo número de H+”, explica o químico Atílio Vanin, da Universidade de São Paulo. Quando a nova substância introduzida multiplica esses íons um milhão de vezes, convencionou-se dizer que ela é um ácido e seu pH é um. A partir daí, os cientistas criaram uma escala de um a seis, em que o pH cresce à medida que cai o número de H+ produzidos. Um ácido com pH seis multiplica, por exemplo, o número de H+ apenas dez vezes. Inversamente, uma substância é chamada de base quando multiplica a dupla oxigênio-hidrogênio (OH-) que também existe na água e tem carga elétrica negativa. Na escala, as bases começam no número oito (para as que produzem menos OH-) e vão até o catorze (as que multiplicam os OH- da água por dez milhões). Na água pura, as concentrações de íons H+ e OH- que se formam são iguais. Por isso a água tem um pH neutro, representado pelo número sete, que fica na passagem da escala dos ácidos para as bases.

Super, Maio de 1995.

Que movimentos da Terra afetam o clima, além da rotação e da translação?

A rotação da Terra em torno do seu eixo é responsável pelos ciclos de dia e noite, e a translação (movimento em uma órbita em volta do Sol) origina as estações do ano. Além desse movimentos, variações na inclinação e na orientação do eixo da Terra e no formato de sua órbita alteram a quantidade de calor incidente em diferentes locais. Tais variações, segundo teoria proposta no século 20 pelo físico e matemático sérvio Milutin Milankovich (1879-1958), afetariam o clima do planeta (em ciclos muito longos), já que a maior ou menor insolação em certos locais influenciaria fatores importantes como a circulação de ar na atmosfera, as correntes marinhas, o volume de gelo e outros.

O eixo de rotação da Terra é inclinado em relação ao plano de sua órbita, e essa inclinação (denominada ‘obliquidade’) varia com o tempo entre um mínimo de 21,5° e um máximo de 24,5°. O período médio dessa variação é de 41 mil anos, e a inclinação atual é de 23,5°. Quando a inclinação é maior, como atualmente, os invernos são um pouco mais frios e os verões um pouco mais quentes.

                Esse eixo inclinado também descreve um lento giro em torno de um ponto no plano da órbita da Terra – um giro completo ‘desenha’ no espaço uma figura semelhante a dois cones opostos unidos pelas pontas. Esse movimento, denominado ‘precessão’, tem período médio de 23 mil anos e altera a insolação nos hemisférios: um deles recebe os raios solares em um ângulo menos inclinado e por isso fica mais quente que o outro. Atualmente, no hemisfério Sul, o verão começa em dezembro e o inverno em junho. Há cerca de 11,5 mil anos, o inverno começava em dezembro e o verão em junho, neste mesmo hemisfério.

                A terceira variação é a do formato da órbita da Terra, que pode ser mais circular ou mais elíptica. Esse fenômeno, denominado ‘excentricidade’, tem período de 90 mil a 100 mil anos. Hoje, a diferença entre a maior e a menor distância Terra-Sol é de apenas 3%, o que implica uma diferença de 6% de insolação entre janeiro e julho. Quando a órbita está mais elíptica, essa diferença aumenta para 20% a 30% entre esses dois meses.

                As eras glaciais e interglaciais, segundo Milankovich, ocorreriam aproximadamente a cada 100 mil anos, quando a Terra passa por determinadas combinações das variações na obliquidade, na precessão e na excentricidade.

Gilvan Sampaio de Oliveira

Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

Ciência Hoje, Fevereiro de 2008.

O que são Tsunamis? Como elas se formam?

Tsunamis, que significa “grandes marés de terremoto” em japonês, são ondas enormes, que atingem mais de 30 metros de altura. Geralmente elas começam a se formar com um forte tremor que ocorre a cerca de 50 metros abaixo do solo do oceano devido à movimentação das placas tectônicas. Depois do terremoto, uma sequência de ondulações se propaga por grandes distâncias na superfície dos oceanos. No início, ainda são bastante longas e baixas, entre 0,3 e 0,6 metros. Um barco que passe sobre elas pode nem perceber do que se trata. A sua energia pode diminuir até desaparecer ao percorrer milhares de quilômetros. O problema começa se elas se aproximarem da costa, porque a profundidade diminui e começa a haver atrito com o fundo do oceano. Ela começa a ser comprimida em um espaço cada vez menor e é obrigada a subir. Ao formar a coluna, a tsunami “suga” o mar da costa, deixando parte do chão do oceano descoberto. Esse é o último aviso. Minutos depois aparece a tsunami. Uma das mais destrutivas ocorreu em 1703 em Awa, uma ilha no Japão, matando mais de 100.000 pessoas. Em julho de 1993 ocorreu outra, também no Japão, causando cerca de 120 mortes.

Super, Junho de 1995.

Por que os satélites espaciais não mantêm a órbita, reentram na atmosfera e caem na Terra?

Se a Terra fosse perfeitamente simétrica, com distribuição homogênea de massa, e sem atmosfera, a força preponderante que atuaria sobre um satélite seria a força gravitacional. Mas, como a Terra tem atmosfera, existe também a fricção (ou atrito) que o satélite sofre ao passar por suas camadas. As sucessivas passagens do artefato através da atmosfera terrestre diminuem paulatinamente sua altitude, tornando sua órbita circular. Assim, o satélite vai caindo cada vez mais até entrar em camadas mais densas do envelope gasoso que recobre o planeta. Quando isso acontece, os menores normalmente se desintegram e queimam. Mas os maiores, às vezes, podem não se destruir inteiramente e acabam por se tornar um perigo efetivo se caírem sobre áreas urbanas. Em grandes altitudes, além dos 200 km acima da superfície terrestre, os satélites ficam em órbita por anos a fio. O satélite brasileiro SCD-1 (Satélite de Coleta de Dados), por exemplo, quando foi lançado, em fevereiro de 1993, chegou à altitude média de 760 km. Hoje, sete anos depois, o SCD-1 só caiu 2 km.

Helio Koiti kuga

Engenheiro da Divisão de Mecânica Espacial e Controle do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe).

 Galileu, Fevereiro de 2000.

Como funciona o carro elétrico? Que velocidade ele pode atingir?

Os veículos elétricos são movidos por motores acionados pela eletricidade proveniente de um conjunto de baterias. Estas baterias podem ser carregadas diretamente na rede elétrica. O projeto de um carro elétrico deve ser elaborado de tal forma que seu rendimento seja o mais alto possível. Um dos pontos fundamentais é a aerodinâmica. Ela deve ser desenvolvida para que haja pouca resistência ao vento. Diversos veículos, fabricados por empresas nos Estados Unidos, Europa e Japão, já estão disponíveis para uso. Normalmente eles são pequenos, no máximo para duas pessoas, e só circulam em áreas urbanas.

A velocidade do carro elétrico não difere muito da dos veículos movidos a combustível. Uma outra opção de projeto é o chamado veículo híbrido, onde o carro pode ser propulsionado tanto por motor elétrico quanto a explosão.

Marcelo Godoy Simões

Professor da Escola Politécnica da USP.

Galileu, Fevereiro de 2000.

Como manter o gelo fora do congelador sem derreter por um longo período? Alguma substância, adicionada à água, dificulta o derretimento?

O derretimento (ou fusão) do gelo fora do congelador é a mudança da fase sólida para a líquida que a água experimenta à temperatura de 0°C e à pressão atmosférica 'normal' (ao nível do mar). O gelo aquece porque, fora do congelador, absorve o calor proveniente da superfície onde é colocado e do ar do ambiente (desde que estejam a uma temperatura acima da do gelo) e o calor irradiado pelo Sol e pelos corpos quentes ao redor. Para manter por mais tempo o congelamento, deve-se tentar minimizar as trocas térmicas usando isolantes fechados, ao abrigo da luz (que carrega energia da irradiação solar e de outros corpos quentes), e, em último caso, reduzindo a pressão no recipiente que contém gelo (quando isso é possível).

O isolante diminui o calor vindo do ambiente e uma grande redução na pressão aumenta ligeiramente a temperatura de fusão (de 0°C para 1C ou 1,5°C, pode exemplo). Quanto maior o ponto de fusão, mais tempo será preciso para que o gelo (que, logo após ser fabricado, está a uma temperatura negativa) o atinja e comece a se liquefazer, porque a transferência de calor entre dois corpos é proporcional à diferença de temperatura entre eles. A alteração do ponto de fusão pode parecer mínima, mas, para grandes quantidades de gelo, passa a ser relevante, já que a transferência de calor também depende da massa dos corpos.

Infelizmente, tudo o que se adiciona à água pura antes do congelamento tende a diminuir a quantidade de energia necessária para o aquecimento e a fusão do gelo, facilitando seu derretimento em temperaturas até mais baixas do que 0°C. Nos países de clima muito frio é costume, no inverno, colocar sal de cozinha sobre o gelo acumulado nas ruas para provocar seu derretimento mesmo em temperaturas tão baixas como 20°C abaixo de zero! Logo, a água usada para fabricar o gelo que se quer manter por mais tempo deve ser a mais pura possível.

Recentemente, a revista norte-americana Physics-World disponibilizou pela internet (http://physicsweb.org/articles/news/9/8/14) a reprodução de uma publicação acadêmica da revista norte-americana Physical Review Letters de agosto de 2005, em que cientistas da Coréia demonstraram com um experimento ser possível fabricar gelo a temperatura ambiente. Um campo elétrico fortíssimo, de 1 bilhão de volts/metro, foi aplicado em uma gota de água com dimensões nanométircas (1 bilhão de vezes menor que o metro) a temperatura ambiente, em um equipamento chamado microscópio de tunelamento. Essa 'gota' se solidificou em gelo! Uma explicação aceitável é que o forte campo elétrico consegue 'orientar' as moléculas de água em uma estrutura sólida, que chamamos de gelo. Embora não seja uma pesquisa completa, o experimento sugere que a precipitação de algumas chuvas de granizo (gelo) mesmo em dias muito quentes pode ser explicada pela formação de descargas elétricas entre as nuvens, gerando fortes campos elétricos em regiões de baixa pressão, onde as gotinhas de água têm dimensões nanométricas. O crescimento das partículas de gelo se segue a uma etapa de aglomeração até a formação de grandes pedras que se precipitam sobre a terra. De qualquer forma, a manutenção de campos elétricos da ordem de bilhões de volts/metro é tecnológica e economicamente inviável para manter o gelo da nossa caipirinha estável à temperatura ambiente.

Alexandre Mello de Paulo Silva

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (RJ)

 Ciência Hoje, Março de 2006

Os biocombustíveis são mais corrosivos que os biocombustíveis fósseis?

Sim, mas não de modo significativo. Em minha dissertação de mestrado, realizado no Departamento de Engenharia Metalúrgica da UFMG, estudei o processo de corrosão do aço carbono em contato com biodiesel de soja e de macaúba e comparei os resultados com aqueles encontrados para o diesel. O biodiesel de soja foi escolhido por ser o tipo mais produzido em escala comercial; o de macaúba pelo fato de a planta ser uma das mais estudadas hoje como matéria-prima destinada à produção de bicombustível.

Empregamos condições extremas para acelerar a corrosão do aço em contato com os biocombustíveis: ambiente com temperatura e pressão elevadas, e alta concentração de oxigênio. Nessas circunstâncias, os ácidos e a água formados com o envelhecimento do biodiesel tornam os metais mais suscetíveis à corrosão. Nos testes, usamos um aço pobre (que corrói facilmente em contato com o ar, por não conter elementos de liga), como o empregado na fabricação de tanques de combustíveis.

Verificamos, uma semana depois, que não houve perda de massa do aço nem formação de buracos (pites), que seriam prejudiciais aos tanques. Ao avaliar a alteração da rugosidade da superfície do material, observamos que o aço em contato com o biodiesel de macaúba sofreu maior alteração que aquele em contato com o de soja. E que os dois combustíveis foram mais agressivos que o diesel.

Mas é preciso ressalvar que essa alteração se deu em escala micrométrica. Portanto, embora os dois tipos de biodiesel estudados sejam mais corrosivos que o diesel, seu emprego como combustível alternativo não compromete a integridade do aço de modo significativo.

Milene Adriane Luciano

Programa de Pós-Graduação em Engenharia (Doutoranda), Universidade Federal de Minas Gerais e Centro Universitário UNA/UNATEC (Belo Horizonte)

Ciência Hoje, Agosto de 2011.

Se os carros elétricos fossem viáveis no Brasil, hoje, haveria disponibilidade energética suficiente para mantê-los em circulação?

Sim, os carros elétricos vão se disseminar pelo planeta a partir da produção de carros novos para a renovação das frotas. No Brasil, onde são produzidos cerca de 3 milhões de veículos novos por ano, o brasileiro anda em média 60 km por dia de carro. Considerando que com a tecnologia atual um veículo elétrico percorre até 120 km com bateria que consome 20 kWh (quilowatts-hora), o consumo para percorrer 60 km seria de aproximadamente 10 kWh. Portanto, se 100% dos veículos novos produzidos no Brasil fossem elétricos, haveria um aumento de 12,37 tWh (terawatts-hora) no consumo de energia. Esse valor pode ser calculado da seguinte maneira: 3 milhões x 10 kWh x 365 (número de dias de um ano) x 13% (perda no carregamento das baterias) = 12,37 TWh (1 terawatt = 1 trilhão de watts).

Em 2008, o consumo total de energia no Brasil foi de 384,46 TWh. Desse modo, diante da hipótese de que no Brasil toda a frota de veículos novos fosse de carros elétricos, o aumento do consumo de energia seria de 3,22%. As previsões otimistas acreditam que as frotas de veículos elétricos vão crescer na razão máxima de 10% ao ano, o que implicaria, no Brasil, o aumento no consumo de eletricidade da ordem de 0,32%. Assim, para o Brasil, mesmo a troca (impossível) de 100% da frota de carros por veículos elétricos não causaria impacto significativo na produção de energia.

Celso Ribeiro Barbosa Navais

Coordenador geral brasileiro do projeto Veículo Elétrico e chefe da assessoria de mobilidade elétrica sustentável de Itaipu Binacional

 Revista Ciência Hoje, Agosto de 2011.