Moléculas que fazem Buuuummm! A química dos explosivos

Tempo de leitura: 11 minutos

Acho que se existisse um ranking dentre as principais perguntas que os alunos fazem aos professores de química, com certeza “como faço uma bomba?”, ou similares, ocuparia os primeiros lugares. Isso tem a ver um pouco com o estereótipo dos professores de química, com seus jalecos brancos misturando alguns líquidos coloridos no laboratório, até a hora que uma dessas misturas explodem. Na verdade química e explosivos tem tudo a ver, mas não é por isso que os professores de química vão ficar por ai misturando uma coisa na outra querendo que façam “bum”! A química por trás dos explosivos muito interessante, dentre outras coisas, porque ela mostra o poder escondido dentro das pequenas moléculas. Embora uma grande parte dos explosivos seja usado na indústria bélica, e por isso, traz sofrimento a inúmeras pessoas e famílias, boa parte da “aparência” do nosso mundo moderno se deve a essas moléculas. Afinal, muitos túneis e estradas foram construídos com a fundamental ajuda dos explosivos. Como explicar o processo de explosão é uma verdadeira aula de química, resolvi escrever esse post. Mas por favor, não fiquem decepcionados, mas eu não vou ensinar a fazer uma bomba … apenas o porquê delas funcionarem como bombas.

Com toda a certeza a primeira substância explosiva que se tem registro é a pólvora. A pólvora, antes de chegar à Europa, já era conhecida a milênios no Oriente, onde era chamada de  a “substância do fogo”. Na verdade a pólvora não é uma substância química, mas uma mistura de substâncias, que neste caso envolve o nitrato de potássio (KNO3), também conhecido como salitre, carbono, na form ade carvão, e enxofre. Quando misturados na proporção correta, e próximos a uma fonte de calor, essa mistura explode.  Foi usada inicialmente na fabricação de fogos de artifício, mas ao longo do tempo foi descoberto seu potencial bélico. A equação que descreve a explosão da pólvora é mostrada abaixo:

4KNO3(s) + 7C(s) + S(s) → 3CO2(g) + 3CO(g) + 2N2(g) + K2CO3(s) + K2S(s)

Não se sabe como descobriram a mistura que formava a pólvora, mas ela contém todos os ingrediente necessários para que tenhamos um explosão. Quer saber quais ingredientes são esses? Vamos lá então.

Primeiro de tudo, para que um sistema exploda ele deve produzir gases. Quando um sistema libera gases de maneira muito rápida, e principalmente com aquecimento, esses gases se expandem rapidamente, exercendo uma enorme pressão ao redor do ponto da explosão. É essa expansão rápida dos gases que confere o poder destruidor às bomba. Creio que todos os leitores já tenham visto, quando criança, alguém colocar uma bombinha dentro de uma lata de leite. Após a explosão, a lata atinge uma altura considerável e cai toda estilhaçada. Quem fez esse estrago? Foram os gases liberados no momento da explosão. No caso da explosão da pólvora os gases liberados são o gás carbônico (CO2), o monóxido de carbono (CO), e o nitrogênio molecular (N2).

Para que os gases se expandam, ou seja, aumentem o seu volume, é necessário que eles sejam aquecidos. Esse aquecimento tem de ocorrer no momento da reação, e para que isso aconteça a reação tem de liberar calor (ou no jargão químico, tem de ser exotérmica). Quanto mais calor uma reação liberar, mais os gases terão seu volume expandido, e maior será seu raio de alcance. Mas como uma reação é capaz de liberar calor? Simples … é só formar produtos estáveis! Toda vez que os produtos são mais estáveis que os reagente temos uma reação de liberação de calor. No caso da queima da pólvora, temos a liberação de uma molécula bem peculiar, o nitrogênio molecular. Essa molécula, que é formada por uma ligação tripla nitrogênio – nitrogênio, possui uma estabilidade bem elevada. Dificilmente uma reação que forma nitrogênio molecular não irá liberar calor. Por isso compostos nitrados são bem cotados como explosivos, como veremos a seguir.

O último ingrediente para fazer os gases expandirem rapidamente é velocidade da reação. Não adianta a reação liberar gases, ser exotérmica, mas levar horas reagindo. O calor usado para expandir os gases tem de estar disponível quase que instantaneamente. E como podemos fazer isso? Bom … toda reação de queima (e no caso uma explosão é uma queima), precisa de oxigênio. Mas para que uma reação seja explosiva esse oxigênio não pode ser o do ar, pois não permitiria a reação não a velocidade necessária. O oxigênio, para participar na explosão, tem de ser fornecido pela própria molécula (ou mistura). Isso garante um fornecimento de oxigênio mais rápido e uma reação mais rápida. No caso da reação da pólvora, o oxigênio é fornecido pelo nitrato (NO3-). Compostos com grupo -NO2, -NO3, são comuns em explosivos. Isso porque, além de terem átomos de nitrogênio que garantem o calor necessário, pela formação do nitrogênio molecular, possui átomos de oxigênio mais facilmente disponíveis, que garantem a velocidade da reação.

Tendo em mente esses ingrediente básicos para que ocorra uma explosão, vou apresentar agora, algumas moléculas que fazem Buuuummmmmmmmm!

Uma molécula muito famosa é o trinitrotolueno. Talvez esse nome não seja muito familiar, mas ela é mais conhecida por sua sigla TNT (nessas horas lembro-me dos barris explosivos do saudoso Donkey Kong Country, do SNES). A molécula de TNT está mostrada abaixo. É uma molécula aromática que possui três grupos nitro (-NO2) ligados diretamente ao anel. É a presença desses grupo que conferem o poder explosivo dessa molécula. O fato de serem três grupos nitro potencializam esse poder explosivo, quando comparado com as moléculas de nitrotolueno e dinitrotolueno, que possuem apenas um e dois grupos nitro, respectivamente.

tn

O TNT é muito mais destrutivo que a pólvora. Só para termos uma ideia. A onda de choque produzida pela pólvora é muito rápida, chegando a algumas centenas de metros por segundo, no entanto a produzida pelo TNT pode chegar a 6 Km/s. A produção e o uso do TNT  teve fundamental importância na Primeira Guerra Mundial. No início da Guerra apenas a Alemanha usava essa molécula como explosivo, e isto lhe conferiu uma grande vantagem sobre a Inglaterra e a França, que usavam uma outra molécula, o ácido pícrico (molécula ao lado do TNT, na figura). O ácido pícrico, embora muito parecido com o TNT, possui sérias desvantagens. Dentre elas o fato de ser muito ácido, e por isso corroía os tonéis metálicos em que eram armazenados. Além disso, era mais instável, e às vezes explodia simplesmente com o choque, e perdia muito de seu poder detonador quando molhado. Quando a Inglaterra percebeu que estava perdendo vantagem simplesmente por conta de uma molécula (ou mais especificamente por causo de um grupo -OH), começou a substituir o ácido pícrico pelo TNT em seus armamentos.

Mas com certeza a molécula explosiva mais conhecida é a nitroglicerina. Todo mundo que já jogou um game de corrida como Top Gear (para os mais veteranos), já teve a oportunidade de “queimar a nitro”. A nitroglicerina é um composto nitrado proveniente da glicerina, ou glicerol. A reação de formação da nitroglicerina, e a de “explosão” da mesma, é mostrada abaixo. Podem notar que a nitroglicerina possui todas as características de uma molécula explosiva – apresenta três grupos nitro, que fornecem velocidade à reação, libera gases, e um deles é o nitrogênio, indicando que libera considerável calor para a expansão dos gases.

nitroglicerina

4C3H3N3O9(l) → 6N2(g) + 12CO2(g) + 10H2O(l) + O2(g)

A produção da nitroglicerina é relativamente simples, pois não é nada mais que a nitração (usando a mistura de ácido nítrico e sulfúrico) do glicerol (reação que qualquer aluno de química orgânica é capaz de fazer). O problema é que essa molécula é extremamente explosiva, e fazer isso no laboratório “só para ver” pode ter resultados nada agradáveis, principalmente para o curioso. O interessante é que a nitroglicerina, além de explosiva, já foi receitada como remédio no tratamento de angina de peito.

Como assim? Tomava uma dose, explodia dentro do corpo e acabava de uma vez com todos os problemas?

Não é bem assim … na verdade no nosso corpo a nitroglicerina se decompõe e libera óxido nítrico (NO). Este, por sua vez, é um poderoso vaso dilatador, e por isso ajuda o sangue a fluir pelo corpo, auxiliando no tratamento da doença. Esse mesmo princípio podia ser explorado para combater a disfunção erétil, uma vez que esse problema também está relacionado com um mau fluxo sanguíneo na região. E na verdade já foi explorado! O famoso Viagra tem seu efeito baseado na liberação de óxido nítrico no corpo, permitindo que o sangue flua adequadamente (o princípio é o mesmo, mas o Viagra não usa nitroglicerina para estimular a produção de óxido nítrico).

Mas estamos falando da nitroglicerina como explosivo e não como remédio. Como explosivo, apenas para termos uma ideia do seu poder, ela é capaz de produzir uma pressão de 270 milhões de atmosferas em um único milésimo de segundo, enquanto a pólvora produz apenas 6 mil atmosferas (que já é um bom número) no mesmo tempo e para a mesma quantidade de amostra. A nitroglicerina era uma molécula realmente poderosa, e quem conseguisse colocar “cabresto” nessa molécula conseguiria ter um imenso mercado aos seus pés. O homem que conseguiu fazer isso foi Alfred Nobel. A família Nobel tinha uma fábrica de explosivos e teve, por isso, muito problemas.  Após muito trabalho e testes Alfred Nobel chegou a conclusão que conseguiria estabilizar a nitroglicerina se a misturasse (na forma líquida) à diatomita (uma mistura de restos de minúsculos crustáceos altamente porosa). Essa mistura nitroglicerina/diatomita, nas devidas proporções formava uma massa estável, que era capaz de ser moldada em qualquer forma, como a massa do Deidara (:-)). Essa mistura, se detonada com um pouco de pólvora, era capaz de provocar uma imensa explosão. Por intrinsecamente ter todo esse poder, Nobel decidiu chamar essa mistura de Dinamite (que vem de dynamis, poder). A ideia de superar o poder da dinamite só ocorreu na metade do século XX com o surgimento da bomba atômica. Por ter sido capaz de estabilizar o tamanho poder da nitroglicerina em uma massa moldável, Nobel ficou muito rico. Antes de morrer decidiu doar sua fortuna na forma de prêmios anuais a profissionais que se destacavam nas áreas de química, física, medicina, literatura e paz (e posteriormente economia). Esse prêmio, hoje cedido pela Academia Real de Ciências da Suécia, sob o nome de Prêmio Nobel, é o maior status almejado por qualquer pesquisador (das áreas em que é concedido).

Bom pessoal, é isso … espero que tenham gostado do post, e visto como pequenas moléculas são poderosas. Como sempre não posso deixar de dar o crédito a fonte desse post. Esse artigo foi baseado em mais um capítulo do fantástico livro Os Botões de Napoleão – 17 Moléculas que Mudaram o Mundo. Vale muito à pena adquirir esse livro. E como sempre peço, quem gostou do artigo, por favor, o compartilhe em suas redes sociais, que ajuda muito para o crescimento do Ensinando & Aprendendo.

  • Cristina Oliveira

    Excelente explicação!!!!