“Aula de química básica – O que acontece com a borracha quando ela é super-resfriada?”

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Aula de química básica – O que acontece com a borracha quando ela é super-resfriada?

Essa frase foi falada pelo vilão Victor von Doom, o Dr. Destino, para o Reed Richard, o Sr. Fantástico, no filme O Quarteto Fantástico, de 2005. Quem conhece o filme deve-se lembrar desta cena. O Dr. Destino captura o Richard e o coloca numa espécie de cadeira super-resfriada. Reed Richard, que na verdade é um “homem-borracha”, está congelado e enrijecido devido à baixa temperatura.  É neste momento que o vilão, ironicamente, faz a pergunta que é o tema do artigo (não perdendo a oportunidade de torturar o herói torcendo seu dedo, nada flexível nestas condições).

Bom … mas o que acontece com a borracha quando ela é super-resfriada? A resposta é bem simples, ela perde sua flexibilidade e fica rígida, e até mesmo quebradiça. O Dr. Destino falou que isso faz parte dos conhecimentos de química básica, mas infelizmente isso não corresponde muito à realidade de nossas escolas.  Por isso, vou tentar mostrar um pouco como, e porque, esse processo ocorre, olhando do ponto de vista químico, e além disto, dar alguns exemplos de como isso ocorre no nosso dia-a-dia.

Antes de tudo devemos entender um pouco sobre o estado sólido. É de consenso geral que a borracha é um sólido diferente, por exemplo, de uma pedra de sal, ou de uma barra de ferro. Além de suas propriedades como flexibilidade, e maciez, estes sólido apresentam profundas diferenças em sua estrutura química. Mas antes de continuarmos, recomendo uma leitura rápida no artigo sobre a borracha vulcanizada, onde eu mostro como as propriedades moleculares da borracha se refletem em suas propriedades macroscópicas.

Bom … de uma maneira simples (e põe simples nisso!), podemos classificar os sólidos em dois tipos – os cristalino e os amorfos. Um sólido cristalino é aquele que possui sua estrutura molecular bem organizada, onde as unidades fundamentais do sólido se repetem ao longo de todas as direções do espaço, de maneira periódica. Dentre esses sólidos cristalinos temos o açúcar, o sal de cozinha, e muitos outros sais, como o bicarbonato de sódio, por exemplo. Quanto maior for o nível de organização desses sólidos, maior e mais bonito será o cristal formado. Com isso, podemos dizer que o nível de organização iônico-molecular do sal grosso, ou do açúcar cristal, é maior, respectivamente, do que o do sal e do açúcar refinados. Quando aquecemos esses sais eles passam diretamente para a fase líquida, que é uma condição em que os íons e/ou as moléculas estão muito mais livres para a mobilidade, e portanto não estão nada rígidos. Além disto, esses sólidos cristalinos, principalmente os iônicos, como o cloreto de sódio, ou o bicarbonato de sódio, costumam ser bem quebradiços, apesar de sua rigidez.

No outro extremo temos os sólidos amorfos, onde podemos incluir, as borrachas e os plásticos, ou melhor, os polímeros em geral. Nesses sólidos, suas macro-moléculas interagem fortemente umas com as outras, porém o arranjo das moléculas não é organizado (periódico). Por exemplo, temos a borracha, que ao aplicar uma força ela se comprime, ou se estende, com facilidade. Isso ocorre porque suas moléculas não estão em uma arranjo rígido, e por isso apresentam certo grau de mobilidade, mesmo no estado sólido. Caso eu consiga deixar as moléculas mais organizadas, a borracha perde a elasticidade, e ganha rigidez. Porém, diferentemente dos sólidos cristalinos, quando aquecemos um sólido amorfo, eles não passam imediatamente para o estado líquido. Ainda no estado sólido, esses compostos podem existir de duas maneiras, dependendo da temperatura – o estado vítreo, e o estado viscoelástico.

Para entendermos melhor podemos aplicar o seguinte raciocínio – se eu conseguir aumentar a organização das moléculas, não é possível aumentar a rigidez do polímero? E como eu consigo aumentar a organização de qualquer sistema iônico-molecular? Acertou quem pensou que é diminuindo a temperatura. De modo que, se eu baixo a temperatura de um sólido amorfo, ele se organiza, ao ponto de adquirir rigidez e ser quebradiço,  neste caso temos o estado vítreo. Quando o aquecemos, antes de passar para o estado líquido, o sólido amorfo fica mais macio, podendo ser deformado ou moldado, em função da maior mobilidade das moléculas em sua estrutura. Este é o estado viscoelástico. Esse nome é porque ele pode apresentar características de elasticidade e viscosidade. A elasticidade está associada a esse sólido voltar a sua forma inicial mesmo após sofrer uma deformação. É isto que permite uma bola voltar a sua forma esférica mesmo após receber um chute muito forte (apenas a bola dos Super Campeões não possui essa propriedade, rsrsrsrrs). Por outro lado, ele pode apresentar viscosidade, pois pode escoar como um líquido, se a força aplicada for contínua. Vale ressaltar que neste estado o sólido não é 100% elástico, pois dependendo do grau da força aplicada, e da deformação causada, ele pode não voltar a seu estado original.

A temperatura em que um sólido amorfo vai mudar sua fase para vítrea ou viscoelástica é chamada temperatura de transição vítrea (Tg), e ela é característica de cada material. Caso eu crie um polímero em que o grau de organização molecular seja facilitado, como por exemplo, adicionando grupos fortemente eletronegativos para facilitar as interações intermoleculares, ou adicionando grupos que permitam ligações covalentes cruzadas entre as cadeias dos polímeros, como é o caso da vulcanização da borracha, teremos uma Tg mais elevada. Isto significa que , mesmo a uma temperatura relativamente alta, este sólido amorfo apresentará certa rigidez. Mas se a interação entre as cadeias do polímero for dificultada, ele só apresentará organização molecular, e portanto o estado vítreo, em temperaturas muito baixas. A figura abaixo tenta mostrar o grau da organização molecular das cadeias tanto no estado viscoelástico quanto no estado vítreo.

polimeros_organização

Entenderam até aqui? Se eu quiser um sólido amorfo (plástico, borracha), mais rígido, eu aumento a organização molecular, baixando a temperatura. Se eu quiser um sólido mais “mole”, eu aumento a temperatura. Nós vemos essas dois extremos ocorrendo com o Sr. Fantástico no filme. Num primeiro momento o Dr. Destino pergunta a ele o que acontece com a borracha quando ela é aquecida, e manda um feixe de raios sobre ele. O pobre herói fica todo molengo e viscoso. Por quê? Porque devido a alta temperatura estava em uma estado altamente viscoelástico. No segundo momento, na cena descrita no início do artigo, quando ele foi resfriado, estava duro e quebradiço. Neste caso ele estava abaixo da Tg, e portanto em seu estado vítreo.

Saindo do universo Marvel, e indo para o dia-a-dia, temos vários outros exemplos. Por exemplo, um pedreiro precisa que um cano de PVC faça uma pequena curva. O que ele faz? “Foge do mico” e usa a conexão Tigre apropriada? Não! “Dá um calor” como eles mesmo falam. Eles aquecem o cano, este passa para o estado viscoelástico, é remodelado, e quando resfria volta para o estado mais rígido (é óbvio que nesse processo o caso perdeu parte de suas propriedades). Quando o chiclete gruda na calça, o que fazermos para tirá-lo? Usamos gelo. Ao baixar a temperatura até a baixo da Tg, a goma de mascar fica rígida e quebradiça, e podemos tirá-la com facilidade. E acreditem, funciona! (Minha vozinha já sabia disso, sem nem saber o que é molécula, e muito menos temperatura de transição vítrea!). Os pneus de caminhões de regiões muito frias, como a Sibéria, tem de ser feitos com borracha especial, porque as borrachas comuns simplesmente racham, e se quebram, nessas temperaturas muito baixas, pois ficam extremamente vitrificadas.

E ai,viram mais um exemplo de como a química está no nosso dia-a-dia, inclusive em Hollywood? Então se gostaram não deixem de compartilhar, e principalmente de deixar seu comentário, e até o próximo artigo.

  • Camille Cerqueira

    Olá, professor fui sua aluna no primeiro período, agora estou no segundo e descobri o site através do Fórum do Cart Ifrj. Gostei bastante do artigo, e ah, rs minha avó faz a mesma coisa com meus tios, essa do chiclete eu não sabia.