4 Funções e transformações químicas
Todo mundo sabe que óleo e água não se misturam, ou que o álcool evapora bem mais rápido do que a água. Ou ainda, que alguns compostos conduzem eletricidade, mas outros não. Alguns mais ousados já observaram também que o vinagre misturado com bicarbonato forma espuma. Esses fenômenos parecem diferentes, mas todos obedecem às mesmas regras químicas. Eles envolvem interações entre partículas, reorganização de átomos, transferência de energia, e estrutura molecular. Esse é um domínio da Química comumente dividido entre “Orgânica” e “Inorgânica”, para melhor organização de conceitos. Mas o mundo não divide nada, apenas se apresenta.
Depois de explorar, você consegue:
- Relacionar função química com comportamento físico e químico;
- Comparar substâncias orgânicas e inorgânicas em diferentes contextos;
- Prever tendências de solubilidade, volatilidade e reatividade;
- Interpretar fenômenos do cotidiano com base em modelos químicos;
- Utilizar simulações interativas para explorar propriedades de substâncias. 
Antes de qualquer definição formal, explore o comportamento de diferentes substâncias no JSPlotly da Figura 4.2, modificando suas características.
O app mostra como a função química de uma substância pode influenciar propriedades como solubilidade, volatilidade (capacidade de evaporar), acidez e basicidade. O objetivo não é prever valores reais, mas demonstrar que substâncias distintas tendem a se comportar de maneiras particulares porque possuem estruturas e grupos funcionais variados.
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Altere principalmente estes três valores no início do código:
let funcao = "alcool";
let cadeia = 3;
let polaridade = 0.7;A variável funcao define o tipo químico principal. Você pode testar outras, também: “acido”, “base”, “sal”, “oxido”, “hidrocarboneto”, “alcool”, “acido_carboxilico”, e “amina”. A variável cadeia representa, de forma simplificada, o tamanho da cadeia carbônica. Já polaridade indica o quanto a substância tende a interagir com meios polares, como a água.
O gráfico resultante mostra quatro índices relativos para as propriedades acima, variando de 0 a 1. Quanto maior a barra, maior a tendência daquela propriedade no modelo. Por exemplo, um sal tende a apresentar alta solubilidade na água e baixa volatilidade (não evapora tão facilmente). Já um hidrocarboneto tende a ser menos solúvel em água e mais volátil, especialmente quando possui uma cadeia pequena. A solubilidade no app é estimada de forma simplificada e apenas pedagógica, combinando função química, polaridade e tamanho da cadeia nesse trecho do código:
return limitar(base + 0.50 * polaridade - 0.05 * cadeia, 0, 1);Isso significa que uma maior polaridade aumenta a solubilidade, enquanto que uma cadeia maior reduz a solubilidade. Quem define onde começar é a função química. A volatilidade é reduzida quando a cadeia cresce ou quando a polaridade aumenta, o que está neste trecho:
let base = 0.75 - 0.06 * cadeia - 0.20 * polaridade;Dessa forma, você pode explorar diversos cenários para esses conceitos.
- Álcool pequeno e polar. Álcoois pequenos tendem a interagir bem com água por causa do seu
grupo hidroxila.
let funcao = "alcool";
let cadeia = 2;
let polaridade = 0.8;- Hidrocarboneto longo. Cadeias apolares longas tendem a apresentar baixa solubilidade em água.
let funcao = "hidrocarboneto";
let cadeia = 8;
let polaridade = 0.1;3 .Ácido carboxílico. A presença do grupo carboxila aumenta a acidez e favorece interações polares.
let funcao = "acido_carboxilico";
let cadeia = 3;
let polaridade = 0.8;- Amina. Aminas ajudam a discutir basicidade em compostos orgânicos.
let funcao = "amina";
let cadeia = 4;
let polaridade = 0.6;- Sal. Sais costumam apresentar alta interação com solventes polares e baixa volatilidade.
let funcao = "sal";
let cadeia = 1;
let polaridade = 1.0;A função química funciona como uma pista sobre o comportamento da substância. Ela não explica tudo sozinha, mas ajuda a prever algumas tendências. Por exemplo, a de que grupos polares favorecem solubilidade em água, de que cadeias maiores reduzem solubilidade, que grupos ácidos aumentam acidez enquanto os básicos aumentam a alcalinidade, e de que substâncias muito iônicas ou muito polares tendem a ser menos voláteis. Isso liga a química Orgânica à química Inorgânica.
Ácidos, bases, sais e óxidos aparecem como funções clássicas da Química Inorgânica. Hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos e aminas levam a discussão para a Química Orgânica. Em ambas, o que vale é relacionar estrutura, função e comportamento.
As substâncias químicas podem ser classificadas por suas funções químicas. E essas funções químicas são distribuidas entre Química Inorgânica e Química Orgânica. A Inorgânica trata de ácidos que liberam prótons H \(^+\) em solução, bases (liberam ânions OH \(^⁻\) em solução), sais (compostos iônicos) e óxidos (combinação com oxigênio). Já a Orgânica trabalha com funções que envolvem o átomo de carbono, um dos principais elementos químicos nos seres vivos e o principal da litosfera, a camada de rochas sedimentares do planeta. Mas nem sempre é assim. Há os chamados compostos de transição, normalmente estudados na Inorgânica, mas que possuem carbono, como o CO\(_2\) (dióxido de carbono), carbonatos (CaCO\(_3\), de cálcio) ou cianetos (CN\(^-\)), por exemplo.
A Química Orgânica ocupa-se a estudar os hidrocarbonetos (cadeias de carbono) com hidrogênio, álcoois (grupo OH), ácidos carboxílicos (grupo COOH), aminas (grupo NH\(_2\)), bem como alguns derivados (éter e éster, por exemplo). Apesar das diferenças entre os diversos tipos de função, todas envolvem interações eletrônicas, obedecem às leis da termodinâmica, e seguem padrões de estabilidade.
Em compostos orgânicos, o tamanho da cadeia importa bastante. À medida que a cadeia carbônica cresce, algumas propriedades tendem a mudar de forma previsível, como a redução da solubilidade do composto em água ou o aumento de sua temperatura de ebulição. Essa é a proposta de estudo para o próximo JSPlotly.
O script da Figura 4.2 mostra que a função química ajuda a prever tendências de comportamento. Esse agora da Figura 4.3 avança um pouco na relação entre estrutura molecular e comportamento químico.
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O app compara duas tendências importantes, solubilidade e ebulição em função do tamanho da cadeia carbônica, e apresenta um gráfico para cadeias de tamanho 1 a 10. As variáveis pra você editar estão abaixo e, na sequência, algumas situações simuláveis.
const funcao = "alcool";
const cadeia = 3;
const polaridade = 0.7;O modelo trabalha com algumas equações simplificadas para estimar valores no gráfico (e “bota” simplificada nisso), como a de ebulição que segue:
\[ T_b = 50 + 20c \tag{4.1}\]
No modelo, \(c\) representa o tamanho da cadeia. Já a solubilidade é reduzida conforme a cadeia cresce:
\[ S = p \cdot \frac{11-c}{10} \tag{4.2}\]
No caso, \(p\) representa a polaridade. Essas equações são bastante facilitadas, mas ajudam a visualizar algumas tendências gerais. Por exemplo, a de que cadeias maiores apresentam menor solubilidade. Para isso, o trecho do código é:
sol.push(calcularSolubilidade(polaridade) * (11 - i) / 10);A ebulição, por sua vez, aumenta conforme a cadeia cresce, o que está calculado nesse trecho:
return 50 + 20 * c;Seguem alguns contextos para você experimentar.
- Molécula pequena e polar. A solubilidade começa alta, especialmente para cadeias pequenas, porque grupos polares favorecem interação com a água. Mas esse efeito também pode diminuir quando a cadeia carbônica cresce.
const funcao = "alcool";
const cadeia = 2;
const polaridade = 0.9;- Molécula pouco polar. A solubilidade fica baixa ao longo de quase toda a faixa, sugerindo que compostos apolares tendem a interagir pouco com água.
const funcao = "hidrocarboneto";
const cadeia = 5;
const polaridade = 0.1;- Aumentando a cadeia. Observe a queda da solubilidade ao longo do eixo x. A parte carbônica funciona como uma região apolar crescente, dificultando a interação com água.
const polaridade = 0.7;- Ebulição e cadeia longa. Observe a curva de ebulição para cadeias maiores. Elas apresentam mais interações intermoleculares, exigindo mais energia para passar ao estado gasoso.
Testando o código como acima, você pode observar que moléculas maiores geralmente interagem mais entre si, o que aumenta a ebulição. E também podem se tornar menos solúveis em água, especialmente quando a parte apolar da cadeia domina. Então, o comportamento químico depende da combinação entre função química e estrutura molecular. A função pode tornar a molécula mais polar, ácida, básica ou reativa. Mas o tamanho da cadeia também contribui para o equilíbrio entre suas regiões polares e apolares. Ou seja, apesar da função química apontar para uma tendência, é a cadeia molecular quem a ajusta.
Mas só relembrando: o modelo acima é bem simplificado, e não pretende substituir dados experimentais reais ou modelos matemáticos mais robustos, mas orientar-lhe a perceber tendências qualitativas na simulação dos compostos. No mundo real, contudo, a solubilidade e ebulição, bem como outras propriedades químicas, dependem também de diversos fatores em conjunto, como a geometria e a massa molecular do composto, forças intermoleculares, ionização, temperatura, e solvente, por exemplo.
Pensado dessa forma, a próxima vez que você observar a estrutura de uma molécula num livro ou na internet, reflita sobre como essa molécula está construída, que partes podem interagir com água (solubilidade), e/ou que propriedades essa molécula tem chance de possuir.
Até aqui você viu como a função química, a polaridade e o tamanho da cadeia influenciam nas propriedades individuais das substâncias. Mas no mundo real a química raramente acontece de forma isolada. Substâncias interagem continuamente umas com as outras. Às vezes dissolvem, às vezes misturam, separam e/ou reagem. Essas interações dependem da compatibilidade entre suas estruturas e polaridades. O próximo JSPlotly pretende explorar um pouco essa ideia.
O script agora compara duas substâncias e estima sua afinidade e tendência de mistura com base em polaridade e tamanho da cadeia. A ideia é simples: substâncias semelhantes tendem a se misturar melhor.
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Edite estes valores no código:
const polaridadeA = 0.9;
const polaridadeB = 0.2;
const cadeiaA = 2;
const cadeiaB = 8;As variáveis polaridadeA e polaridadeB representam o caráter polar das duas substâncias. Já cadeiaA e cadeiaB representam, de forma simplificada, o tamanho das cadeias moleculares. O gráfico apresenta dois índices, um para afinidade e outro para tendência de mistura. A afinidade aumenta quando as polaridades são semelhantes. Já a mistura depende tanto da afinidade quanto do tamanho médio das moléculas. A equação simplificada para afinidade no modelo está aqui:
\[ A = 1 - |p_A - p_B| \tag{4.3}\]
Nessa equação, \(p_A\) é a polaridade da substância A, e \(p_B\) a polaridade da substância B. Quanto mais próximas forem as polaridades, maior será a afinidade. A tendência de mistura é estimada aqui:
\[ M = \frac{A}{t_m} \tag{4.4}\]
Em que \(t_m\) representa o tamanho médio das cadeias. Então a a afinidade fica calculada assim:
return 1 - Math.abs(pA - pB);Já a mistura considera também o tamanho molecular:
return afinidade * (1 / tamanhoMedio);Apesar de confuso para alguém que está querendo “apenas” aprender um pouco sobre química, essas informações servem só para que você tenha uma ideia do que app está fazendo. Mas o que vale mesmo são os cenários diversos que você pode simular, tais como:
- Duas substâncias muito polares. A afinidade fica alta, pois substâncias polares tendem a interagir bem entre si.
const polaridadeA = 0.9;
const polaridadeB = 0.8;- Polaridades muito diferentes. A afinidade cai bastante, porque diferenças grandes de polaridade dificultam mistura.
const polaridadeA = 0.9;
const polaridadeB = 0.1;- Cadeias pequenas. A tendência de mistura aumenta, pois moléculas menores tendem a se dispersar mais facilmente.
const cadeiaA = 2;
const cadeiaB = 2;- Cadeias muito grandes. A mistura diminui, já que moléculas maiores apresentam maior dificuldade de dispersão.
const cadeiaA = 10;
const cadeiaB = 12;- Água e óleo. A afinidade fica baixa, porque a famosa separação entre água e óleo está ligada à diferença de polaridade.
const polaridadeA = 0.95;
const polaridadeB = 0.1;
const cadeiaA = 1;
const cadeiaB = 8;Veja, portanto, que mistura e compatibilidade química dependem da interação entre moléculas. Substâncias com características semelhantes tendem a apresentar maior afinidade. Já diferenças grandes de polaridade dificultam interação e mistura. Traduzindo na frase clássica da química de solubilidade: “semelhante dissolve semelhante !”. Além disso, polaridades parecidas favorecem a interação, a qual é também influenciada pelo tamanho da molécula.
Mais uma vez, é necessário frisar que o script é um modelo bastante simplificado do que se espera no mundo real. Mas ele ajuda a visualizar tendências gerais e importantes em química.
Essa é aquela boa e velha seção em que a gente pode “viajar na maionese”, como diriam os saudosos de décadas passadas. Mas antes de engatar o cérebro num ecrã existencial, que tal uma transformação química mais “animada”, na acepção estrita do termo ? Uma animação que mostra a transformação química acontecendo no tempo.
No mundo, a Química não termina na observação de propriedades isoladas, como função química, polaridade e afinidade vistas até aqui. Muitas vezes, quando elas se encontram em condições adequadas, ocorre transformação.
O próximo script simula a passagem de reagentes sendo consumidos para se tornarem produtos, mas na forma de uma animação ! Essa animação mostra, ao mesmo tempo, a variação das quantidades relativas num gráfico e a passagem visual das partículas da região dos reagentes para a região dos produtos.
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No app você pode testar as reações de neutralizacao, combustao, ou esterificacao (a grafia é intencional, pois algoritmos não entendem acentuações gramaticais). Ex:
const reacao = "neutralizacao";A velocidade da transformação pode ser alterada por:
const velocidade = 1.0;E o tempo total observado por:
const tmax = 20;A lógica desse modelo simplificado é:
\[ R(t) = e^{-kt} \tag{4.5}\]
Nessa equação, perceba que o expoente negativo fará com que o reagente reduza numa curva exponencial. E de forma complementar:
\[ P(t) = 1 - e^{-kt} \]
Ou seja, os reagentes diminuem com o tempo, enquanto os produtos aumentam.
No gráfico superior, as curvas dos reagentes caem e as curvas dos produtos sobem. No painel inferior, as partículas representam visualmente essa transição: à esquerda aparecem os reagentes e à direita, os produtos. Se achar que a área gráfica está um tanto “congetionada”, basta arrastar os elementos com o mouse ou o dedo.
O trecho que controla a transformação ao longo do tempo é dado abaixo. Em seguida, alguns cenários para você explorar:
const fator = Math.exp(-k * velocidade * t);
const r1 = fator;
const r2 = 0.95 * fator;
const p1 = 1 - fator;
const p2 = 0.92 * (1 - fator);Neutralização. Nessa reação, ácido e base diminuem enquanto sal e água aumentam, ilustrando a ideia de transformação entre funções inorgânicas.
Combustão. Combustível e oxigênio são consumidos, formando gás carbônico e água. Essa é uma reação que liga química orgânica, energia e transformações do cotidiano.
Esterificação. Ácido carboxílico e álcool formam éster e água, conectando funções orgânicas e transformações químicas.
Reação mais lenta. Agora altere a velocidade. A transformação ocorre mais devagar, facilitando a observação da transição entre reagentes e produtos.
const velocidade = 0.4;- Reação mais rápida. Os reagentes desaparecem rapidamente, enquanto que os produtos se acumulam em menos tempo.
const velocidade = 2.0;Agora sim, uma “saraivada” de situções hipotéticas, para que você divague e aprenda (sempre) um pouco mais sobre o tema do capítulo.
- E se duas substâncias tiverem polaridades muito diferentes ?
- E se uma molécula tiver cadeia longa demais para se misturar bem em água ?
- E se uma função química for ácida, mas tiver baixa solubilidade ?
- E se um composto for muito volátil, como isso afetaria seu uso no cotidiano ?
- E se aumentarmos a polaridade de uma substância orgânica ?
- E se compararmos um álcool curto com um álcool de cadeia longa ?
- E se um hidrocarboneto ganhar um grupo funcional polar ?
- E se água e óleo tivessem polaridades semelhantes ?
- E se a reação de neutralização fosse muito lenta ?
- E se uma combustão ocorresse sem oxigênio suficiente ?
- E se a esterificação fosse usada para produzir aromas artificiais ?
- E se uma pequena mudança estrutural alterasse completamente o comportamento de uma substância ?
O padrão que aparece nesse capítulo não vale apenas para os exemplos dos scripts. Ele aparece em muitos contextos da Química e da vida cotidiana. Na verdade, ele aparece mesmo em tudo quanto é lugar, já que os elementos químicos formam moléculas e essas reagem no nosso mundo…como também em outros mundos.
Sabão e detergente são moléculas com parte polar e parte apolar que ajudam mutuamente a misturar água e gordura. Quem “lava” de fato, é a água, mas são aqueles compostos que, reduzindo a tensão superficial da água, permitem que essa atue sobre as gorduras. Na preparação do álcool em gel, a polaridade e a volatilidade influenciam diretamente na evaporação e no seu uso. Gasolina e óleo não se misturam na água, porque são hidrocarbonetos pouco polares. O vinagre nada mais é do que ácido acético (veja no rótulo). Já os antiácidos, são compostos básicos, como o bicarbonato de sódio, e que tendem a neutralizar ácidos estomacais. Entre o mundo dos aromas, perfumes constituem compostos orgânicos voláteis, facilitando sua dispersão no ar, enquanto que outras substâncias voláteis, como o acetileno vegetal, sinalizam para o amadurecimento de um cacho de bananas. Plásticos possuem cadeias longas pouco reativas e com nenhuma solubilidade em água, o que faz desses materiais fortes poluentes de todo um ecossistema. Bebidas gaseificadas, por sua vez, promovem a dissolução de gases e equilíbrio químico. A ferrugem é uma transformação química que envolve oxidação, enquanto a fermentação, transformações orgânicas que geram energia celular e novas substâncias.
Os modelos computacionais desse capítulo permitem relacionar estrutura com propriedade (Script no. 1), função química com comportamento (Script no. 2), e condições de reação com resposta do sistema (Scripts no. 3 e 4). Todos eles simplificam enormemente as relações reais do formalismo matemático envolvido, muito embora aproximem comportamentos experimentais, permitindo testes rápidos sem abrir uma única torneira. *Esse é um dos poderes mágicos da simulação !*
Por outro lado, há que se tomar cuidado com generalizações e interpretações mais precisas, porque esses modelos trabalham com aproximações muito limitadas, não representando todas as interações, e muito menos substituindo a experimentação real.
Mas não por isso deixaremos de apresentar uma lógica de programação para um desses modelos, o mais “animadinho” da Figura 4.5 . A lógica do código é escolher uma reação, calcular uma evolução, gerar partículas, e animar.
INICIAR parâmetros principais
definir tipo de reação
neutralização
combustão
esterificação
definir velocidade da reação
definir tempo máximo da simulação
ESCOLHER parâmetros da reação
SE reação for neutralização
definir reagentes: ácido e base
definir produtos: sal e água
definir constante k
SENÃO SE reação for combustão
definir reagentes: combustível e oxigênio
definir produtos: gás carbônico e água
definir constante k
SENÃO
definir reagentes: ácido carboxílico e álcool
definir produtos: éster e água
definir constante k
CRIAR lista de tempos
dividir o tempo total em vários instantes
PARA cada instante de tempo
calcular fator de permanência dos reagentes:
fator = e^(-k × velocidade × tempo)
calcular quantidade relativa dos reagentes:
reagente 1 = fator
reagente 2 = valor próximo de fator
calcular quantidade relativa dos produtos:
produto 1 = 1 - fator
produto 2 = valor próximo de 1 - fator
FIM
CRIAR curvas do gráfico
curva do reagente 1
curva do reagente 2
curva do produto 1
curva do produto 2
CRIAR representação visual das partículas
PARA cada estado da reação
calcular quantas partículas de reagentes ainda existem
calcular quantas partículas de produtos já se formaram
posicionar reagentes no lado esquerdo
posicionar produtos no lado direito
FIM
CRIAR frames da animação
PARA cada instante de tempo
atualizar linha vertical do tempo no gráfico
atualizar partículas dos reagentes
atualizar partículas dos produtos
atualizar texto com o tempo atual
FIM
CRIAR controles interativos
botão Animar
botão Pausar
botão Reiniciar
slider de tempo
CONFIGURAR gráfico
painel superior:
curvas de reagentes e produtos ao longo do tempo
painel inferior:
partículas representando a transformação química
MOSTRAR resultado final