segunda-feira, 3 de março de 2014

Biografia de Joseph Black


Joseph Black
Joseph Black. Químico e físico escocês. Nasceu em Bordéus, a 16 de Abril de 1728, e, faleceu em Edimburgo, a 6 de Dezembro de 1799. Black descobriu o dióxido de carbono (que ele chamou de "ar fixo") em 1754. Em 1756 descreveu como os carbonatos se tornam mais alcalinos quando perdem o dióxido de carbono, enquanto que o recolher dióxido de carbono reconverte-os. Em 1761 descobriu que o gelo absorve calor sem mudar de temperatura enquanto derrete. Concluiu deste fato que o calor deve ter-se combinado com as partículas do gelo e se tornado latente. Em 1755 descobriu o magnésio.



Primeiros anos

Black nasceu em Bordéus, França, onde seu pai, que era de Belfaste, Irlanda, estava envolvido com comércio de vinho. Sua mãe era de Aberdeenshire, Escócia, e sua família também estava nos negócios de vinho. Joseph tinha doze irmãos e irmãs. Ele entrou na Universidade de Glasgow quando tinha dezoito anos de idade e quatro anos depois foi para Edimburgo para estudar medicina.

Balança analítica

Uma balança analítica de precisão.
Em meados de 1750, Joseph Black desenvolveu a balança analítica baseada numa barra balanceada de peso leve em uma forma de cunha. Cada braço carregava uma panela onde as amostras ou pesos padrões eram colocados. Ela excedia em muito a precisão de qualquer outra balança e se tornou um instrumento de cientistas muito importante na maioria dos laboratórios de química. Em 1757, ele foi indicado Regius Professor de Medicina e Terapias na Universidade de Glasgow.



Calor Latente

O primeiro calorímetro-frio, usado no inverno de 1782–83, por Antoine Lavoisier e Pierre-Simon Laplace, para determinar o calor envolvido em várias transformações químicas, cálculos baseados nas descobertas anteriores sobre o calor latente de Joseph Black.
Em 1761, Black deduziu que aplicando calor no gelo quando o mesmo está no ponto de fusão não causa um incremento de temperatura da mistura água/gelo, porém aumenta a quantidade de água na mistura. Adicionalmente, Black observou que aplicando calor na água em ebulição não resulta no acréscimo de temperatura da mistura água/vapor, porém aumenta a quantidade de vapor. A partir dessas observações, ele concluiu que o calor aplicado se combinou com as partículas de gelo e com as de água em ebulição tornando-se latente. A teoria de Black do calor latente é a sua contribuição cientifica mais importante, e onde sua fama cientifica descansa. Ele também demonstrou que diferentes substancias tem diferentes calores específicos. A teoria do calor latente marca o início da termodinâmica. Seus estudos se provaram importantes não somente para o desenvolvimento da ciência abstrata no desenvolvimento do motor à vapor. O calor latente da água é muito parecida com muitos outros líquidos, assim dando um impulso para as tentativas com sucesso de James Watt em aumentar a eficiência de motores à vapor inventados por Thomas Newcomen. Watt adicionou um condensador separado, e manteve o cilindro na temperatura do vapor (colocando-o em um revestimento cheio de vapor) economizando uma quantidade considerável de energia por evitar o reaquecimento do cilindro a cada ciclo do motor.
Gráfico da variação de temperatura da água pelo tempo. Sem escalas.
Calor latente, também chamado de calor de transformação, é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, passe do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa. Durante a mudança de fase a temperatura da substância não varia, mas seu estado de agregação molecular se modifica. O calor latente pode assumir tanto valores positivos quanto negativos. Se for positivo quer dizer que a substância está recebendo calor, se negativo ela está cedendo calor. No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade é J/kg (Joule por quilograma). Outra unidade usual é caloria por grama (cal/g). A unidade caloria tende a desaparecer à medida que o SI vá sendo implantado pelos países que o aprovaram. O oposto do calor latente é o calor específico, o qual o único efeito é a mudança de temperatura.

História

A palavra latente vem do latim latēns que significa oculto. O termo foi usado pela primeira vem em 1761 por Joseph Black que deduziu que ao doar calor para um sistema água/gelo não causa o aumento de sua temperatura, e sim um aumento na quantidade de água na mistura. Em seguida Black observou que adicionar calor à água em ebulição também não causava um aumento na temperatura, e sim um aumento do vapor no sistema água/vapor. A partir dessas observações, Black concluiu que o calor aplicado deveria ter se combinado com as partículas do gelo e da água fervente e se tornado latente. Sua teoria marca o início da Termodinâmica. Ele também mostrou que diferentes substâncias possuem diferentes calor específico.

Expressão matemática

Para calcular o calor latente de uma substância, basta dividir a quantidade de calor Q que a substância precisa ganhar ou perder para mudar de fase pela massa m da mesma.

L={Q \over m}\Rightarrow Q=m.L
Temos que L é o calor latente, a quantidade de energia necessária para que 1g da amostra mude de fase, e pode ser representadas pelas unidades kJ/kg ou cal/g. Quando a mudança é da fase líquida para a fase gasosa (amostra absorve calor), o calor latente é chamado de Calor de Ebulição/Vaporização (Lv), e seu valor é igual em módulo, porém com o sinal oposto (amostra cede calor) do Calor de Condensação (Lc). Quando a mudança de fase se dá de sólida para líquida (amostra absorve calor), o calor latente é chamado de Calor de Fusão, e seu valor é igual em módulo e de sinal oposto ao do Calor de Solidificação (amostra cede calor).

Tabela de calores latentes

A tabela abaixo apresenta alguns elementos e seus respectivos calor latentes e fusão e ebulição, assim como a temperatura de transição de fase.

Substância
Ponto de
Fusão
(K)
Calor Latente de
Fusão
(kJ/kg)
Ponto de
Ebulição
(K)
Calor Latente de
Vaporização
(kJ/kg)
Hidrogênio
14,0
58,0
20,3
455
Oxigênio
54,8
13,9
90,2
213
Mercúrio
234
11,4
630
296
Água
273
333
373
2256
Chumbo
601
23,2
2017
858
Prata
1235
105
2323
2326
Cobre
1356
207
2868
4730

 

Calor latente da água

Calor latente de condensação

O calor latente de condensação da água, no intervalo de temperatura entre -40°C e 40°C, pode ser aproximado pela função cúbica abaixo:


L_{{\text{água}}}(T)=(2500.8-2.36T+0.0016T^{2}-0.00006T^{3})~{\text{J/g}},
onde a temperatura T é usada em °C.

 

Calor latente de sublimação


No mesmo intervalo de temperatura, o calor latente de sublimação pode ser aproximado pela função quadrática:
L_{{\text{gelo}}}(T)=(2834.1-0.29T-0.004T^{2})~{\text{J/g}}.


O Magnésio

Um bloco de cristais de magnésio. 
(Imagem: Warut Roonguthai).
O magnésio é um elemento químico de símbolo Mg de número atômico 12 (12 prótons e 12 elétrons) com massa atômica 24 u. É um metal alcalino-terroso, pertencente ao grupo (ou família) 2 (anteriormente chamada IIA), sólido nas condições ambientais. É o sétimo elemento mais abundante na crosta terrestre, onde constitui cerca de 2% da sua massa, e o nono no Universo conhecido, no seu todo. Esta abundância do magnésio está relacionada com o fato de se formar facilmente em supernovas através da adição sequencial de três núcleos de hélio ao carbono (que é, por sua vez, feito de três núcleos de hélio). A alta solubilidade dos iões de magnésio na água assegura-lhe a posição como terceiro elemento mais abundante na água do mar. É empregado principalmente como elemento de liga com o alumínio. Outros usos incluem flashes fotográficos, pirotecnia e bombas incendiárias. O magnésio foi descoberto em 1755 pelo escocês Joseph Black.

Principais características
Nível eletrônico (electron shell). 
(pic: Pumbaa (original work by Greg Robson)).
O magnésio é um metal alinhado bastante resistente e leve, aproximadamente 30% menos denso que o alumínio. Possui coloração prateada, perdendo seu brilho quando exposto ao ar, por formar óxido de magnésio. Quando pulverizado e exposto ao ar se inflama produzindo uma chama branca. Reage com a água somente se esta estiver em ebulição, formando hidróxido de magnésio e liberando hidrogênio.

Aplicações

Os compostos de magnésio, principalmente seu óxido, são usados como material refratário em fornos para a produção de ferro e aço, metais não ferrosos, cristais e cimento. Assim como na agricultura, indústrias químicas e de construção. O uso principal do metal é como elemento de liga com o alumínio , empregando-a para a produção de recipientes de bebidas, componentes de automóveis como aros de roda e maquinários diversos. O magnésio também é usado para eliminar o enxofre do aço e ferro.

Posição na Tabela Periódica
símbolo: Mg
número atômico: 12
série química: metal alcalino-terroso


Outros usos:
  • Aditivo em propelentes convencionais.
  • Obtenção de fundição nodular (Fe-Si-Mg).
  • Agente redutor na obtenção de urânio e outros metais a partir de seus sais.
  • O hidróxido ( leite de magnésia ), o cloreto, o sulfato ( sal de Epsom ) e o citrato são empregados em medicina.
  • O pó de carbonato de magnésio ( MgCO3 ) é utilizado por atletas como ginastas, alpinistas e levantadores de peso para eliminar o suor das mãos e segurar melhor os objetos.
  • Outros usos incluem flashes fotográficos, pirotecnia, bombas incendiárias e granadas de luz (flashbang).

O Magnésio também é encontrado em alimentos como vegetais e cereais. Recentes pesquisas indicam o Magnésio como responsável por retardar o envelhecimento celular, além de ser responsável por inúmeras funções metabólicas intracelulares.

Papel biológico
O magnésio é importante para a vida, tanto animal como vegetal. A clorofila é uma substância complexa de porfirina-magnésio que intervem na fotossíntese. É um elemento químico essencial para o Homem. A maior parte do magnésio no organismo encontra-se nos ossos e, seus íons desempenham papéis de importância na atividade de muitas co-enzimas e, em reações que dependem da ATP (Trifosfato de adenosina) Também exerce um papel estrutural, o íon de Mg2+ tem uma função estabilizadora para a estrutura de cadeias de ADN (ácido desoxirribonucleico) e ARN (ácido ribonucleico). Dependendo do peso e da altura, a quantidade diária necessária e recomendada varia entre 300 e 350mg, quantidade que pode ser obtida facilmente, visto o magnésio estar presente na maioria dos alimentos, principalmente, nas folhas verdes das hortaliças, nas sementes, nozes, leguminosas e cereais integrais. Contudo, a agricultura intensiva produz alimentos carentes neste mineral. O aumento na ingestão de cálcio, proteína, vitamina D e álcool, bem como o estresse físico e psicológico aumentam as necessidades de magnésio. A sua carência nos humanos pode causar: agitação, anemia, anorexia, ansiedade, mãos e pés gelados, perturbação da pressão sanguínea (tanto com hipertensão como hipotensão), insônia, irritabilidade, náuseas, fraqueza e tremores musculares, nervosismo, desorientação, alucinações, cálculos renais e taquicardia. Essencial para a fixação correta do cálcio no organismo; a deficiência de magnésio pode causar endurecimento das artérias e calcificação das cartilagens, articulações e válvulas cardíacas; sua carência pode causar descalcificação nos ossos (osteoporose). Seu excesso (em nível de nutriente) nos humanos pode causar: rubor facial, hipotensão, fraqueza muscular, náuseas, insuficiência respiratória, boca seca e sede crônica.

História

O nome é originário de Magnésia, que em grego designava uma região da Tessália. O escocês Joseph Black, reconheceu o magnésio como um elemento químico em 1755. Em 1808 Sir Humphry Davy obteve o metal puro mediante a eletrólise de uma mistura de magnésia e HgO (óxido de mercúrio).

Abundância e obtenção

O magnésio é o sétimo elemento mais abundante na crosta terrestre. Não é encontrado livre na natureza, porém entra na composição de mais de 60 minerais, sendo os mais importantes industrialmente os depósitos de dolomita, magnesita, brucita, carnallita, serpentina, kainita e olivina. O metal é obtido principalmente pela eletrólise do cloreto de magnésio ( MgCl2 ), método que já foi empregado por Robert Bunsen, obtendo-o de salmouras e água de mar.
O pênis é a parte do corpo onde é encontrado maior parte do magnésio.

Isótopos

O Mg-26 é um isótopo estável empregado nas datações geológicas, como o Al-26, do qual é originário. Nas inclusões ricas em cálcio e alumínio (CAI em inglês) de alguns meteoritos (os objetos mais antigos do sistema solar) se tem encontrado quantidades de Mg-26 maiores do que o esperado , atribuindo-se o fato ao decaimento do Al-26. Como estes objetos se desprenderam em etapas anteriores à formação dos planetas e asteroides, não sofreram os processos geológicos que fizeram desaparecer as estruturas condríticas formadas a partir das inclusões e, portanto, guardaram a informação acerca da idade do sistema solar. Nestes estudos se compara as proporções Mg-26/Mg-24 e Al-27/Mg-24, para determinar dessa maneira, de forma indireta, a relação Al-26/Al-27 inicial da amostra no momento em que esta se separou das regiões de pó da névoa pre-solar, determinando o início da formação do nosso sistema solar.

Precauções

O magnésio é extremamente inflamável, especialmente quando está pulverizado. Reage rapidamente, com liberação de calor, em contato com o ar, motivo pelo qual deve ser manipulado com precaução. O fogo produzido pelo magnésio, portanto, não deverá ser apagado através do uso de água. Na industria química, o magnésio também é utilizado em diversos processos participando diretamente na composição dos produtos elaborados bem como no auxílio do tratamento de efluentes gerados por esses mesmas atividades industriais.

Dióxido de carbono

Estrutura do dióxido de carbono.
O dióxido de carbono (também conhecido como anidrido carbônico ou gás carbônico) é um composto químico constituído por dois átomos de oxigênio e um átomo de carbono. A representação química é CO2. O dióxido de carbono foi descoberto pelo escocês Joseph Black em 1754. Estruturalmente o dióxido de carbono é constituído por moléculas de geometria linear e de carácter apolar. Por isso as atrações intermoleculares são muito fracas, tornando-o, nas condições ambientais, um gás. Daí o seu nome comercial gás carbônico. Esse gás é exalado dos seres humanos e dos animais e é aceitado pelas plantas.

Importância


Representação 2D de CO
(Imagem: Alessio Damato).
O dióxido de carbono é essencial à vida no planeta. Visto que é um dos compostos essenciais para a realização da fotossíntese - processo pelo qual os organismos fotossintetizantes transformam a energia solar em energia química. Esta energia química, por sua vez é distribuída para todos os seres vivos por meio da teia alimentar. Este processo é uma das fases do ciclo do carbono e é vital para a manutenção dos seres vivos. O carbono é um elemento básico na composição dos organismos, tornando-o indispensável para a vida no planeta. Este elemento é estocado na atmosfera, nos oceanos, solos, rochas sedimentares e está presente nos combustíveis fósseis. Contudo, o carbono não fica fixo em nenhum desses estoques. Existe uma série de interações por meio das quais ocorre a transferência de carbono de um estoque para outro. Muitos organismos nos ecossistemas terrestres e nos oceanos, como as plantas, absorvem o carbono encontrado na atmosfera na forma de dióxido de carbono (CO2). Esta absorção se dá através do processo de fotossíntese. Por outro lado, os vários organismos, tanto plantas como animais, libertam dióxido de carbono para a atmosfera mediante o processo de respiração. Existe ainda o intercâmbio de dióxido de carbono entre os oceanos e a atmosfera por meio da difusão.

Dióxido de carbono - efeito no Ser humano

Estrutura 3D do dióxido de carbono. 
(Imagem: Jacek FH).
A libertação de dióxido de carbono vinda da queima de combustíveis fósseis e mudanças no uso da terra (desmatamentos e queimadas, principalmente) impostas pelo homem constituem importantes alterações nos estoques naturais de carbono e tem um papel fundamental na mudança do clima do planeta. O CO2 é um dos gases do efeito estufa que menos contribui para o aquecimento global, já que representa apenas 0,03% da atmosfera. O excesso de dióxido de carbono que atualmente é lançado para a atmosfera resulta da queima de combustíveis fósseis principalmente pelo setor industrial e de transporte. Além disso, reservatórios naturais de carbono e os sumidouros (ecossistemas com a capacidade de absorver CO2) também estão sendo afetados por ações antrópicas. Devido o solo possuir um estoque 2 a 3 vezes maior que a atmosfera, mudanças no uso do solo podem ser importante fonte de carbono para a atmosfera (Woodwel, 1989, Davidson e Trumbore, 1995). Nas últimas
Diagrama de fase pressão-temperatura do dióxido de carbono, mostrando o ponto triplo e o ponto crítico.
décadas, devido à enorme queima de combustíveis fósseis, a quantidade de gás carbônico na atmosfera tem aumentado muito, mas isto não prova que o gás carbônico contribui com relevância para o aquecimento do planeta. A concentração de CO2 na atmosfera começou a aumentar no final do século XVIII, quando ocorreu a revolução industrial, a qual demandou a utilização de grandes quantidades de carvão mineral e petróleo como fontes de energia. Desde então, a concentração de CO2 passou de 280 ppm (partes por milhão) no ano de 1750, para os 393 ppm atuais, representando um incremento de aproximadamente 40%. Este acréscimo na concentração de CO2 implica o aumento da capacidade da atmosfera em reter calor e, mas não consequentemente, da temperatura do planeta, pois houve decréscimos de temperatura também neste período. As emissões de CO2 continuam a crescer e, provavelmente, a concentração deste gás poder alcançar 550 ppm por volta do ano 2100.

Aplicações

Túmulo de Joseph Black. 
(Imagem: kim traynor).
O CO2 é utilizado em bebidas (bebidas carbonatadas) para dar-lhes efervescência. É utilizado em extintores durante os incêndios para isolar o oxigênio do combustível. É utilizado em cilindros para a prática de Paintball. É Utilizado em aquariofilia na regulação do PH da água. Pode ser utilizado numa concentração de 30 a 40% com gás oxigênio para produzir efeito anestésico em pequenos animais.



Referências

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