Molecular Workbench - Simulador Químico

Com o advento da computação gráfica, demonstrar conceitos físicos e químicos para alunos ficou mais fácil. Isso aumenta a taxa de aprendizagem tornando o ensino algo atrativo. O Molecular Workbench é um programa livre, feito em Java, que permite executar animações para fins didáticos. O programa não se restringe somente à interações químicas, mas também físicas, bioquímicas e matemáticas.

Esse programa é um navegador (browser) para o banco de dados das animações e bibliotecas disponíveis no site do projeto que são baixados quando um modelo ou uma animação é solicitada. O navegador pode ser executado diretamente do site ou pode ser baixado e executado diretamente do seu computador. O processo de instalação pode ser feito usando o recurso Java Web Start ou sem esse recurso bastando baixar o arquivo jar. Detalhes da instalação são encontrado no link download do projeto.

Com é feito em Java, pode-se executá-lo nas principais plataformas: Windows, MacOSX e Linux. Há também uma versão off-line caso você não tenha uma conexão com a internet (veja fim da página principal do programa em execução). Para ter uma idéia da interface e dos modelos, visite o link screenshots.

O que torna esse programa interessante é o seu motor de interação física, que permite animações de partículas, fluídos e dispositivos mecânicos. Ele também possui um motor de renderizações 3D que torna atrativa a visualização das moléculas. O browser possui uma interface agradável e intuitiva baseada em navegação por links.

Uma coisa que impressiona é o número de exemplos disponíveis. A lista é extensa e recomendo a visita ao site, baixar e experimentar o programa. A interface principal do programa está separada em dois. Do lado esquerdo há uma lista de alguns modelos em destaque, mas eles se encontram em Library of Models. Do lado direito há três opções de acesso: Library of Models, Activity Center e Support. Em Library of Models, podemos encontrar uma lista de opções separadas por áreas:

Física

• Mecânica clássica

• Mecânica quântica

• Mecânica

• Ondas

• Fluidos

• Eletromagnetismo

• Lei dos Gases

• Transferência de calor

• Interações luz e matéria

Química

• Interações e movimento

• Moléculas orgânicas

• Molécula da água e solução

• Cinética de reação química

• Eletroquímica

• Química quântica

Biologia

• Modelos moleculares

• Proteína e código do DNA

Micelânea

• Visualização de moléculas usando o Jmol

• Técnicas de laboratório

• Matemática interativa

Nanotecnologia

• Nanofabricação e máquinas

• Ciência dos materiais

Tecnologia avançada

• Viajante molecular

• Jogos de dinâmica molecular

Cada opção dessas é um link e se ramifica em várias opções. Não seria possível falar de todas elas devido ao elevado número. Sempre é possível tirar uma foto (snapshot) de um determinado momento da animação.

No link Activity Center podemos encontrar pequenas aulas sobre alguns conceitos usando as animações dos modelos. Já no link Support, encontramos uma documentação dando detalhes do programa incluindo uma apresentação sobre o que é o Molecular Workbench. Tudo isso pode ser visto de dentro do programa.

Atenção!

Sobre a utilidade do programa, claramente ela é inegável. No entanto, o programa não é a solução exclusiva. Não se deve tirar do aluno a experiência prática. Colocar o aluno em um mundo exclusivamente virtual faz com que ele perca a noção da realidade. Os modelos virtuais são ideais e funcionam sem problemas sob várias limitações. Modelos reais estão cheios de detalhes e problemas que só a prática mostra. O aluno precisa ter contato com a dificuldade e a frustração. Ele precisa entender a teoria e aplicar na prática. É o que ele irá enfrentar quando ele desligar o computador. Portanto, cuidado com cursos totalmente virtuais. Talvez serial melhor chamá-los cursos teóricos. Não estou dizendo que todo curso virtual é ruim. Quero dizer que há cursos que precisam de atividades práticas e esses sim precisam de um espaço para atividades práticas, caso contrário seriam cursos teóricos. Um curso de química não deve ser um curso virtual. Imagine, ensinar um aluno a pipetar uma solução ou até mesmo titular uma solução. Um laboratório ou uma indústria não quer um pipetador e titulador teórico. Certa vez, assistindo uma aula do saudoso prof. Dr. José Atílio Vanin, divulgador da Química no Brasil, nos mostrou uma tabela com as taxas de aprendizagem para diferentes técnicas de ensino. A de maior resultado foi a de atividades práticas com resolução de problemas e a menor foi a de exposição oral em sala de aula usando quadro negro. Infelizmente, eu não tenho a fonte desses dados. Certamente, a combinação delas seria o ideal.

Molecular Workbench
http://mw.concord.org/modeler/

Balanceador de equações químicas

As vezes nos deparamos com um balanceamento não simples de uma equação química que envolve um processo de oxi-redução. Por sorte, há uma forma de se fazer isso usando uma calculadora on-line de balanceamento de reações químicas. Essa dica foi enviada por Denis T. R. Vidal, químico e atual pós-graduando do Instituto de Química da Universidade de São Paulo.

A Chemical Equation Balancer é um programa que analisa lexicalmente a equação química a ser balanceada. Entrando com a equação no formato correto, ela gera a equação já balanceada e a adiciona na lista das equações já processadas do próprio site.

Calculadoras tem o seu valor, simplificam a vida e economizando tempo. Não vou colocar que economiza neurônios porque o cérebro que não pensa atrofia mais rápido. A calculadora, sim, tem o seu valor. O problema é se tornar um escravo da máquina e não entender o que está sendo feito.

Esse post me faz lembrar de um conto chamado "A Sensação de Poder" (The Feeling of Power) de um dos grandes escritores de ficção científica: Issac Asimov. O conto pode ser lido diretamente desse link (em inglês). Ele foi publicado no livro de contos de diferentes autores chamado "Robot Dreams", em 1986, e aqui no Brasil como "Sonhos de Robô", pela editora Record, em 1991. O conto em português Brasileiro encontra-se nesse link.

"Nove vezes sete, pensou Shuman com orgulho, sessenta e três. Não precisava mais que um computador lhe dissesse isso. Sua própria cabeça era um computador. E isso lhe dava uma fantástica sensação de poder."

O conto fala de um técnico de nível inferior que tinha uma habilidade estranha: ele sabia fazer contas sem o auxílio de um computador, usando apenas um pedaço de papel e um lápis. Isso era difícil de acreditar porque os computadores faziam todos os cálculos. Esse é ainda um texto atual.

Chemical Equation Balancer
http://www.gregthatcher.org/Chemistry/BalanceChemicalEquations.aspx

The Feeling of Power
http://en.wikipedia.org/wiki/The_Feeling_of_Power

A Sensação de Poder
http://sobral.tripod.com/poder/poder.html

Bateria usando lata de aluminio e Ar

Esse post traz alguns links que descrevem a construção de uma bateria usando alumínio metálico e oxigênio do Ar como pares redox para a geração de energia elétrica. Esse é um experimento didático, usando reagentes seguros, ou uma forma de geração de energia alternativa.

Experimento didático

Esse é um exemplo de uma célula eletroquímica primária não recarregável. O experimento está descrito na atividade de sala número 93 do Journal of Chemical Education. No entanto, somente poderão ter acesso ao documento aqueles que tiverem a assinatura da revista (normalmente universidades). Felizmente, nesse outro link há uma descrição detalhada da montagem do experimento com fotos.

Materiais e reagentes:

• Folha de alumínio de uso doméstico
  
• Carvão ativo em pó
• Papel toalha de uso doméstico
  
• Água de torneira
• Sal de cozinha (cloreto de sódio)
  
• Fio metálico de cobre ou clips de papel para os contatos elétricos
  
• Multímetro para medir potencial elétrico
• Uma diodo emissor de luz (LED) ou um pequeno motor elétrico de baixa voltagem
  

O papel toalha serve como membrana separadora das duas semi-celas. O carvão ativo promove a adsorção do oxigênio por possuir elevada área superficial. Um dos contatos elétricos é obtido diretamente da folha de alumínio e o outro usando um fio de cobre em contato com o carvão encharcado do eletrólito aquoso de cloreto de sódio. O papel toalha embebido com o eletrólito faz a função da ponte salina.

Na Wikipédia podemos encontrar o texto Aluminium Battery dando mais informações e aplicações já feitas dessa bateria. Os potenciais de oxi-redução foram extraídos da lista das séries eletroquímicas contra o eletrodo padrão de hidrogênio.

Anodo: Al⁰_(s) + 3OH⁻_(aq) → Al(OH)_3(aq) + 3e⁻ (E_oxi=+2,33V)
Cátodo: O_2(g) + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻_(aq) (E_red=+0,40V)
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Total: 4Al⁰_(s) + 3O_2(g) + 6H₂O → 4Al(OH)_3(aq) (E=+2,71V)

Para testar pode-se usar o LED ou o motor elétrico. Atenção pois o LED possui polaridade. O multímetro, operando no modo de voltímetro, serve para medir o quanto a bateria pode fornecer de potencial elétrico. Tendo somente o multímetro já é suficiente.

Como podemos ver, a reação é favorecida em meio básico. Na prática, pode-se alcançar algo perto de 1,2V usando hidróxido de potássio como eletrólito. Usando cloreto de sódio o potencial fica em torno de 0,7V.

A eficiência ficará em função do carvão (área superficial) e seu contato com o Ar, da membrana separadora, da área superficial do eletrodo metálico que faz contato com a superfície do carvão, pH do eletrólito, temperatura, força iônica, impurezas, etc.

Há este vídeo mostrando como fazer dentro de um laboratório.

Implementação usando latas de alumínio

Uma implementação mais interessante é usando latas de alumínio com descrito nesse Instructable. Essa é a implementação que irá chamar mais a atenção dos alunos. Para aumentar o potencial basta colocar as baterias em série. Caso queria aumentar a corrente, coloque-as em paralelo. Cuidado para não efetuar um curto-circuito entre o fio e a borda da lata.

Há este outro vídeo de um rapaz que fez uma bateria em sua casa. Apesar de ter uma linguagem informal ele mostra bem que qualquer um pode fazer em casa.

Eficiência

Alguns dizem que essa bateria pode alcançar 1V e fornecer até 100mA. Um melhor aproveitamento da carga da bateria pode ser alcançado usando um circuito eletrônico chamado de joule-thief. Ele drena corrente de uma bateria para manter a tensão na saída constante. No nosso caso, podemos fazer um Joule-Thief com componentes eletrônicos baratos como descrito nesse link. O mais simples de montar, que já montei, encontra-se nesse link. O transistor equivalente ao PN2222, que é usado nesse projeto, é o 2N2222.

Questão energética

Então, a solução para as latas de alumínio seria a construção de baterias para geração de energia elétrica? Na verdade, não. Há a questão do balanço energético. O óxido de alumínio é o produto mais estável e encontrado na natureza. Para a geração de alumínio metálico gasta-se muita energia na forma de calor e eletricidade para converter Al³⁺ em Al⁰.

Dependendo do local da instalação, o custo com energia elétrica fica entre 20 e 40% do custo total da produção. Gasta-se, aproximadamente, 14.000kWh por tonelada de alumínio. Já na reciclagem gasta-se 700kWh por tonelada de alumínio reciclado. Tipicamente, 5% da energia usada na produção é usada na reciclagem. No entanto, 15% do material é perdido na forma de metal impuro que bóia durante a fundição. Portanto, para grandes produções é um disperdício gerar energia elétrica usando baterias de alumínio-Ar.

Referências

Journal Chemical Education, Classroom activity #93, Aluminum–Air Battery
http://jchemed.chem.wisc.edu/journal/Issues/2007/Dec/abs1936A.html

Aluminum Air Battery – Foiled again
http://www.exo.net/~pauld/activities/AlAirBattery/alairbattery.html

Aluminium battery
http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_battery

Standard electrode potential (data page)
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_series

Eco Gadgets: DIY battery made from recycled aluminum can
http://www.ecofriend.org/entry/eco-gadgets-diy-battery-made-from-recycled-aluminum-can/

Instructables – Aluminum Can, Saltwater and Charcoal Battery
http://www.instructables.com/id/Aluminum-Can-Saltwater-and-Charcoal-Battery/

Bateria de Alumínio-Ar de 2 elementos / Al-air battery, 2 cells
http://www.youtube.com/watch?v=sfgN-arBlu4

How to build a MacGyver Air-Aluminium battery with soda can
http://www.youtube.com/watch?v=yA6Jde77UNc

Aluminium/air Batteries
http://www.ectechnic.co.uk/ALUMAIR.HTML

Alumínio – Al
http://www.mspc.eng.br/quim1/quim1_013.shtml

Joule Thief - Boost circuit kit
http://www.joulethief.com/kit.php

Make a Joule Thief
http://blog.makezine.com/archive/2007/11/make_a_joule_thief_weeken_1.html

Geber - o pai da Química

A química, essa ciência que conhecemos hoje, veio de uma evolução da Alquimia. Para efeitos históricos, precisamos de um marco, algo que defina um ponto de transição. Para alguns, a Química surge com Boyler. Para outros, Lavoisier. Para outros ainda, a Química nasce com Geber.

Abu Musa Jābir ibn Hayyān ou Jabir ou Geber (nome latinizado) nasceu em 721 D.C. (Tus, Iran) e morreu em 821 D.C. (Kufa). Algumas fontes dizem que ele era persa e outras, árabe. Foi químico e alquimista, astrólogo e astrônomo, geólogo, farmacêutico, físico e fisiologista. Essas duas últimas áreas correspondem ao período do Islã medieval. Foi um alquimista prático e sistemático e deu muitas contribuições que ainda são usada até hoje pelos químicos.

O método sistemático

Graças ao seu experimentalismo sistemático, ele ajudou os alquimistas a se livrarem do misticismo e superstições envolvidos nos processos alquímicos. São de Geber as seguintes palavras:

"A coisa primordial na alquimia é que se pode realizar trabalhos prático e conduzir experiências. Quem não faz trabalhos práticos nem faz experiências nunca dominará a alquimia."

É importante lembrar que ele fazia parte de uma escola, isto é, de uma linha de pensamento da época. A partir desse ponto a Química surge como ciência e a Alquimia toma o posto de protociência.

Nota 1: Protociência é a ciência que tem experimentação e reprodutibilidade mas sem um método científico. No caso, a Química (ciência) derivou da Alquimia (protociência). Pseudociência é a ciência que tem experimentação e não há reprodutibilidade mas possui um método científico. Um exemplo é a Astronomia (ciência) que derivou da Astrologia (pseudociência).

Nota 2: Alquimia vem do francês arcaico alquemie, que vem do árabe al-kimie que significa "A arte da transformação". Assim, Química vem de kimie que significa "transformação".

A respeito do título de pai da química, outros dizem que foi o irlandês Robert Boyle (25 de janeiro de 1627 - 30 de janeiro de 1691) com a publicação do livro The Ceptical chymist (obra disponibilizada aqui pelo projeto Gutenber) publicado em Londres em 1661 que entre outros assuntos fala da teoria da colisão atômica e defende o rigor na experimentação científica. Outros ainda dizem que foi o francês Antonie Lavoisier (26 de agosto de 1743 - 8 de maio de 1794) com a publicação do livro Traité Élémentaire de Chimie (Elementary Treatise on Chemistry), 1789. Esse é considerado o primeiro livro moderno de química. Nele Lavoisier apresenta a teoria da conservação das massas e abandona a idéia do flogisto.

Geber também acreditava na idéia das proporções entre os reagentes.

Os instrumentos

À ele é dado o crédito de alguns instrumentos usados até hoje pelos químicos. Entre eles o alambique, do árabe al-inbiq, que veio do grego ambix e que significa copo. Foi o instrumento de destilação dos alquimistas e de químicos. Basicamente, são dois retortos (condensador primitivo visto em muitas ilustrações) conectados. Tecnicamente, alambique é somente a parte superior mas é comumente usado para designar todo o aparto de destilação. A versão moderna é chamada de Still usado nas destilarias.

Com o alambique, Geber extraiu o espírito do vinho e chamou-o de al-kohl que passou a se chamar álcool. Al-khol era o termo usado para obter algo por sublimação. Também era um pó fino a base de antimônio que era usado no Egito antigo com finalidades estéticas pelas mulheres. O termo foi usado posteriormente também para o processo de destilação.

Nota: Usarei a palavra espírito no texto por questão histórica mas tendo bem claro que se refere a algo que está na forma de vapor, gás e etc.

Nota: O al que aparece na frente de muitas palavras árabes é um tipo de artigo como o The no inglês. Na verdade é a letra a. A letra l é usada para harmonizar a fonética.

Substâncias e elementos descobertas

A importância dele cresce com a lista de substâncias químicas que ele isolou. Ele descobriu o vitriol (ácido sulfúrico) pela destilação seca do sulfato de ferro II heptahidratado ou do sulfato de cobre pentahidratado. Na decomposição térmica gerava-se os óxidos dos metais, vapor d'água e o tróxido de enxofre. Os dois últimos eram recolhidos e formam o ácido sulfúrico. Na Europa medieval o vitriol era conhecido entre os alquimistas como óleo de vitriol, espírito do vitriol ou simplesmente vitriol. Existiam diferentes tipos de vitriol dependendo do tipo de cristal de sulfato: vitriol azul ou romano (de cobre II), vitriol branco (de zinco), vitriol verde (de ferro II), vitriol de Marte (ferro III) e vitriol vermelho (de cobalto).

Ele descobriu o ácido clorídrico destilando o vitriol (ácido sulfúrico) com sal comum (cloreto de sódio). Descobriu o ácido nítrico destilando ácido sulfúrico com sal a base de nitrato de sódio ou potássio (fontes: niter ou nitre, saltpetre, saltpeter). Da mistura de ácido clorídrico e ácido nítrico criou a água régia que tinha o poder de dissolver o ouro. Essa última teve grande importância na purificação de minerais.

Também foi dado a ele o crédito de ter descoberto o ácido cítrico (extraído do sumo das frutas cítricas), ácido acético (do vinagre) e ácido tartárico (do vinho) usando sua aparelhagem como o alambique.

Alguns elementos químicos também foram descoberto por ele como o Arsênio, Antimônio e Bismuto. Ele também foi o primeiro a isolar, purificar e classificar o de enxofre e o mercúrio líquido com elementos puros.

Ele propôs uma classificação em três categorias: espíritos, metais e não maleáveis (corpo ou mineral).

• Espíritos: arsênio, cânfora, mercúrio, enxofre, sal amoniacal e cloreto de amônio.
• Metais: ouro, prata, chumbo, estanho, cobre, ferro e khar-sini (mercúrio na forma de espírito ou vapor).
• Não Maleáveis: Qualquer coisa que possa ser transformada em pó: alguns espíritos extraídos de algumas pedras, rochas ou minérios como malaquita, lápis azúlis, turquesa, mica, etc. Outras com pouco espírito como conchas, pérolas e vitriol e outras ainda sem espírito como onix, poeira e vitriol envelhecido.
  

Conclusões

Com certeza, a química que conhecemos hoje deve muito a esse alquimista/químico. Pouco ou nada de fala dele nos cursos de química e nos livros didáticos. Muitos termos são usado hoje que vem de suas contribuições e origem. Para os dias de hoje, saber a origem das coisas é mais cultural do que prático. No entanto, acredito, história é tão importante quanto a prática. As coisas não surgiram do nada e tem uma origem. Conhecendo suas origem compreenderemos melhor o que estamos fazendo.

Estou certo que esse texto será útil para os leitores como foi para mim durante o seu desenvolvimento. Estou aprendendo muito nessa minha investigação história descompromissada. Com certeza aparecerão ponto duvidosos e outros discordantes. No entanto, o texto tem seu valor por trazer à luz pontos antes esquecidos ou colocados em um plano de menor importância.

Referências

O segredo da boa pinga
http://www.fundep.br/homepage/cases/435.asp
Foto de dois alambiques.

Benefícios da utilização do cobre
http://www.copper-alembic.com/manufacturing/cobre.php?lang=pt
Fala das propriedades antibactericidas, boa condutividade térmica e benefícios na produção de bebidas fermentadas.

Al-Kimia
http://dererummundi.blogspot.com/2007/05/al-kimya.html

Árabe se escreve com "a"
http://www.sualingua.com.br/02/02_arabe.htm
http://mundoestranho.abril.com.br/cultura/pergunta_285881.shtml

Development of the Periodic Chart

http://homepage.mac.com/dtrapp/periodic.f/alchemy.html

International Space Station Tour

Fico imaginando como é trabalhar na ISS (Estação Espacial Internacional) e realizar um trabalho científico no espaço. Seria como no filme 2001: uma odisseia no espaço?

Trabalho com instrumentação voltada para a química e tenho particular interesse em instrumentos diversos e como eles foram desenvolvidos. Estudando as implementações já feitas adquiro novas idéias para as minhas implementações.

Os links dos vídeos que apresento aqui são de uma visita por dentro da ISS feita pelo astronauta Mike Fincke em 21 de janeiro de 2009 para a NASA TV. Esse vídeo é muito interessante pois mostra os laboratórios dentro da ISS e a rotina dos astronautas. Podemos ver detalhes dos compartimentos segmentados para os instrumentos, sistemas de refrigeração dos equipamentos, questão do espaço físico usado, área de estocagem, fixação dos computadores e etc.

Quem é químico verá química nesse documentário: estocagem de água potável, detritos líquidos e orgânicos, reciclagem, qualidade do ar, etc.

Boa diversão.

Part I (9:52min)
http://www.youtube.com/watch?v=JgBgmw-2U8c
Part II (9:57min)
http://www.youtube.com/watch?v=F-yIqxoMBVU
Part III (9:52min)
http://www.youtube.com/watch?v=srQdr6kGii4
Part IV (6:45min)
http://www.youtube.com/watch?v=lswCuvcA7YQ