Explosivos !!!! BBBUUUUMMMM

A química dos explosivos!

Das clínicas para os campos de batalha. O explosivo preferido dos filmes de ação nasceu em um laboratório de química: a nitração de uma droga utilizada contra infecções urinárias trouxe duas substâncias que estão entre os explosivos mais potentes já preparados pelo homem.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a hexametilenetetramina (HA), um composto comumente empregado em casos de infecções urinárias, serviu como reagente de partida para a preparação de dois explosivos: o RDX e o HMX – ciclometilenotrinitramina e ciclotetrametilentetranitramina, respectivamente.

As siglas são uma apologia acrônima ao seu poder: Royal Demolition eXplosive, RDX, e Her Majesty’s eXplosive, HMX. O HMX é um dos explosivos com a maior velocidade de detonação conhecida: mais de 9 kilômtros por segundo, ou seja, quase 33 mil kilômetros por hora!

nitração do HA

Além de serem extremamente potentes, esta nova classe de explosivos possuem qualidades invejáveis aos demais: estabilidade, maleabilidade e resitência ao calor. Os explosivos podem ser moldados e aquecidos sem perigo de uma detonação indesejada. Mas basta um pulso elétrico para que tudo vá pelos ares: tanto o RDX como o HMX são capazes de derrubar paredes de concreto ou mesmo de aço. O dinamite militar é uma mistura de 75% RDX, 15% TNT e 10% de aditivos estabilizantes e plastificantes. A mistura plástica explosiva conhecido como C4 (o campeão de vendas entre os terroristas) é composta por 91% RDX e 9% de aditivos plastificantes. O poder de detonação do C4 é suficiente, por exemplo, para gerar ondas de compressão capazes de iniciar a fissão nuclear de uma bomba de urânio-235.

Em 1987, o laboratório do US Naval Air Warfare Center Weapons Division sintetizou uma outra nitroamina cíclica: a hexanitrohexaazaisowurtzitana, designada como CL-20. Assim como o HDX e RDX, o CL-20 é estável e maleável, mas cerca de 20% mais poderoso. Em um teste do exército americano, uma bala de 30mm foi detonada em um cartucho carregado com CL-20, e foi capaz de penetrar em 7 placas de 1 polegada de aço inox.

Alfred Nobel e a Nitroglicerina

A nitroglicerina é uma substância líquida, incolor e oleosa, mas também altamente instável e explosiva. Basta um simples toque para que ocorra uma detonação espontânea. Como a molécula contém átomos de oxigênio, hidrogênio e carbono, quando ela explode libera novas moléculas (como O2, N2, H2 e CO2), mais estáveis, e com uma grande energia cinética (há uma conversão entre a energia de ligação para energia cinética!). Esta substância também foi utilizada como vaso-dilatador, nos ataques cardíacos e anginas.

1,2,3-pentanotriol
glicerina
Nitroglicerina
nitroglicerina
TNT
trinitrotoluneno (TNT)

O nome nitroglicerina vem de sua estrutura: ela é derivada da molécula glicerina (uma molécula biológica comum. serve de base para os triglicerídeos) onde os grupos -OH são substituidos por -NO2. O poder dos explosivos deve-se ao fato de que o volume ocupado por um gás é muito maior do que o ocupado por um sólido ou por um líquido. Veja a água, por exemplo. Enquanto que 1 mol de água no estado líquido, a temperatura ambiente, ocupa um volume de apenas 0,018 litros, esta mesma quantidade de água, no estado gasoso, ocuparia um espaço de mais de 20 litros! E, quanto maior for a temperatura, maior será o volume do gás.

nitroglicerina explodindo!!!
                                        reação de decomposição da nitroglicerina sólida

É justamente a velocidade de sua reação de decomposição que faz com a nitroglicerina seja tão explosiva: a rápida expansão dos gases quentes produzidos provoca uma onda de choque supersônica. Pela estequeometria da reação acima, 4 moles de nitroglicerina (cerca de 900 gramas) são capazes de gerar 35 moles de gases quentes (quase 800 litros de gases, nas CNTP). Uma vantagem da nitroglicerina em relação aos outros explosivos, como o TNT (trinitrotolueno), é que, ao contrário deste, nenhuma forma sólida de carbono é formada, produzindo uma explosão sem fumaça – propriedade muito útil para a artilharia. Assim, após o disparo, o soldado não ficaria com a visão obscurecida por uma cortina de fumaça.

A nitroglicerina tem, entretanto, uma grande desvantagem: é muito, mas muito mesmo, instável. É praticamente impossível manusear ou transportar a substância. Muitas pessoas perderam a vida tentando, até o problema ter sido resolvido pelo químico suéco Alfred Nobel.
Alfred NobelNobel estivera trabalhando em Stockholm, por vários anos, com a nitroglicerina, que era preparada pela mistura de glicerol é os ácidos sulfúrico e nítrico. Foram vários os acidentes explosivos no laboratório, incluindo um em que seu irmão, Emil Nobel e outras pessoas morreram. As autoridades de Stockholm proibiram, então, experimentos com nitroglicerina nos limites da cidade. Nobel mudou o seu laboratório para Lake Malaren e, em 1864, encontrou a solução. Nobel experimentou misturar nitroglicerina com vários aditivos, numa tentativa de torná-la estável. Ele logo descobriu que a mistura da nitroglicerina com um certo tipo de argila, chamado kieselguhr, era muito eficaz: tornava o líquido instável em uma pasta sólida estável e maleável. No ano seguinte, em 1867, ele patenteou a mistura com o nome “Dynamite“. Atualmente, a dinamite é feita com nitroglicerina, nitrato de amônio e nitrato de sódio (2 outros explosivos), polpa de madeira e um pouco de carbonato de cálcio para neutralisar os excessos de ácidos que podem estar presentes.

Os propósito da dinamite era, segundo Nobel, auxiliar na construção civil. Mas na primeira guerra mundial, foi logo adotada como uma arma extremamente mortal. Logo após o fim da guerra, um jornal publicou, erroneamente, o obituário de Alfred Nobel, sem este ter realmente morrido. Nobel percebeu que seria lembrado como o homem que criou o explosivo e causou tantas mortes. Para limpar sua consciência e seu nome, criou um instituto, que anualmente distribui prêmios para trabalhos relevantes em medicina, ciência e paz.


                                                        cubano

Ainda mais explosivo !

Uma molécula intrigante é o cubano. Sua fórmula molecular é C8H8: um hidrocarboneto cúbico com ângulos de ligação de 90o, desviando consideravelmetne do ângulo para carbonos com hibridização sp3: 109,5o. Embora “surrealista“, a molécula é estável, e vendida por várias empresas (a um custuo bem alto!). Estas ligações “tensionadas” são extremamente energéticas. Por isto seria muito grande o poder explosivo de um octanitrocubano (um cubano completamente nitrado): possuindo as instáveis ligações nitro mais a energia torsional presente no cubano! Seria, provavelmente, o mais potente explosivo do mercado. Aguardem… tanto os penta– como os hexanitrocubanos já foram sintetizados!

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Revista eletrônica do Departamento de Química – UFSC







FLORIANÓPOLIS | QuímicaUFSC | QMCWEB: Ano 4

Feliz Aniversário, Elétron

A teoria do elétron de Lorentz, de 1892, une a física clássica à moderna

por Frank Wilczek

Os elétrons governam nosso mundo, mas há pouco tempo eram apenas uma ideia. Junho passado marcou o 120º aniversário de uma profunda e influente criação, a teoria do elétron do físico holandês Hendrik Antoon Lorentz. Seu elétron não era apenas uma partícula elementar hipotética, mas o cerne de uma ambiciosa teoria da Natureza. Hoje os físicos estão acostumados à noção de que uma descrição completa da Natureza pode surgir de equações simples e belas, mas antes de Lorentz essa era uma visão mística.
Para a maioria dos físicos o auge memorável da física do século 19 é a teoria dos campos elétricos e magnéticos, completada pela síntese matemática de James Clerk Maxwell, em 1864. Então a neblina se instalou e, até o século 20, pontas da relatividade e da teoria quântica começam a surgir. Essa nebulosa história popular obscurece a ligação – em si uma conquista brilhante, construída com trabalho heroico.
Para explicar o contexto é importante admitir uma blasfêmia: a exposição que Maxwell fez de suas equações é uma bagunça. Você não encontrará, nos escritos dele, a estrutura limpa, compacta e elegante que os estudantes aprendem como “Equações de Maxwell”. Em vez disso, descobrirá uma torrente de símbolos e um amontoado de palavras e equações. Maxwell, um homem profundamente humilde, não percebeu que produzia poesia para o futuro, digna de ser gravada. Ele simplesmente decidiu resumir, matematicamente, tudo o que era conhecido sobre eletricidade e magnetismo. Em sua apresentação, equações fundamentais se misturam a fenomenologia improvisada.
A conquista de Lorentz foi purificar a mensagem das equações de Maxwell – separar o sinal do ruído. O sinal: quatro equações que governam a maneira como os campos elétricos e magnéticos respondem à carga elétrica e seu movimento, além de uma equação que especifica a força que esses campos exercem sobre a carga. O ruído? todo o resto.
Com as equações definidas para o comportamento de pequenos corpos com massa e carga específicas seria possível usá-las para reconstruir a descrição da matéria sobre uma nova fundação, começando a partir dos idealizados “átomos” da carga? Esse foi o fardo da teoria do elétron de Lorentz. Começando com seu artigo de 1892 ele e seus seguidores usaram a teoria do elétron para explicar uma propriedade da matéria atrás da outra – condução de eletricidade e calor, comportamento dielétrico, reflexão e refração da luz, etc. Assim eles estabeleceram os fundamentos das matérias que hoje chamamos de eletrônica e ciência dos materiais. E em 1897, Joseph John Thomson mostrou experimentalmente que os elétrons realmente existem. (Pode-se dizer que o elétron foi concebido em 1892 e que veio à luz em 1897.)
Muito do artigo de Lorentz de 1892 trata da ideia sedutora, mas não simples, de que a massa dos elétrons pode ser consequência de sua carga elétrica. Cargas em movimento geram tanto campos elétricos quanto magnéticos, que resistem a mudanças e reagem sobre o movimento do elétron. Será essa reação (back-reaction) responsável pela inércia do elétron – e, portanto, por sua massa? Essas ideias têm uma história antiga: Aristóteles queria descobrir a inércia da matéria pela reação do ar. A visão de Lorentz sobre a massa eletromagnética foi imensamente influente. Ela inspirou trabalhos técnicos pesados, notavelmente do próprio Lorentz e de Henri Poincaré, que anteciparam partes importantes da teoria especial da relatividade de Einstein.
A mecânica quântica mudou as regras do jogo e a ideia de que apenas a reação fosse responsável pela massa do elétron não parecia mais viável. Mas eu e meus colegas explicamos a massa dos prótons, nêutrons e de outras partículas de interação forte usando uma ideia parecida. A inércia dessas partículas surge a partir da reação dos campos de glúon do irmão mais velho do eletromagnetismo: a cromodinâmica quântica. Ainda que a partícula de Higgs receba o crédito por dar massa à matéria, sua contribuição para a massa da matéria comum na verdade é bem pequena. A bela ideia de Lorentz, em sua forma moderna, é responsável por sua maior parte.
A teoria do elétron de Lorentz, ainda que superada em detalhes, foi fundamental. Ao reconhecer as respostas corretas e fazer as perguntas adequadas ele preparou o caminho para a relatividade, a teoria quântica e a física atual. Perto do fim de sua própria vida, Albert Einstein escreveu um memorável tributo a Lorentz: “Para mim, pessoalmente, ele significou mais do que todos que conheci em minha jornada pela vida”.

Frank Wilczek professor de física do Massachusetts Institute of Technology,dividiu o Prêmio Nobel de Física em 2004 por seu trabalho no desenvolvimento da cromodinâmica quântica, a teoria da interação nuclear forte. Seu livro de 2008, The lightness of being (Basic Books), aponta para uma teoria unificada de todas as forças fundamentais.

Pequeno resumo de Química Ambiental.

Química Ambiental

Substâncias Tóxicas

O termo produtos químicos sintéticos é utilizado para descrever substâncias que foram sintetizadas por químicos a partir de substâncias mais simples. São em sua maioria compostos orgânicos que usam como fonte original de carbono o petróleo ou o gás natural.

O carbono forma muitos compostos com cloro. Em virtude de sua toxicidade para algumas plantas e insetos, muitos desses compostos organoclorados, produzidos sinteticamente pela ação de cloro elementar sobre hidrocarbonetos, têm tido um amplo uso como pesticidas. Outrosorganoclorados são utilizados extensivamente nas indústrias de plásticos e eletrônicos. A ligação carbono-cloro caracteriza-se por ser difícil de romper, e a presença do cloro reduz também a reatividade de outras ligações das moléculas orgânicas. Para muitas aplicações, a falta de reatividade é uma vantagem importante. Porém, essa mesma propriedade significa que, uma vez que os organoclorados tenham entrado no ambiente, eles degradam-se muito lentamente, tendendo, portanto, a se acumular. Além disso, a maioria dos compostos organoclorados é hidrofóbica: eles não se dissolvem facilmente em água, mas são facilmente solúveis em meios semelhantes ao hidrocarboneto, tais como óleos ou tecidos adiposos. A falta de uma via eficiente para degradação dos compostos organoclorados, em combinação com sua hidrofobicidade, tem levado a seu acúmulo em organismos vivos, incluindo peixes, seres humanos e outros animais. As substâncias orgânicas tóxicas que serão discutidas neste capítulo são, na sua maioria, compostos organoclorados.

Pesticidas

Tipos de Pesticidas

Os pesticidas são substâncias que podem matar diretamente um organismo indesejável ou controlá-lo de alguma maneira (por exemplo, interferindo em seu processo reprodutivo). Todos os pesticidas químicos têm a propriedade comum de bloquear um processo metabólico vital dos organismos para os quais são tóxicos. Discutiremos primeiramente os inseticidas, e posteriormente consideraremos os herbicidas apenas para termos noção sobre a formação das dioxinas. As diferentes classes de pesticidas com seus organismos alvos estão na tabela 1.

Praticamente, desde sua introdução os pesticidas sintéticos constituem um problema, devido ao seu impacto potencial sobre a saúde humana em virtude da ingestão de alimentos contaminados com esses produtos químicos. Por essa razão, muitos deles foram banidos ou tiveram seu uso limitado.

Em compensação, alguns cientistas têm enfatizado recentemente que as próprias plantas produzem inseticidas, para combater os insetos e fungos que as consomem, e, conseqüentemente, estamos expostos a concentrações muito maiores desses pesticidas “naturais” que aos sintéticos em nossa dieta alimentar.

Pesticidas e seus alvos TABELA 1

Tipo de pesticida Organismo-alvo

acaricida ácaros

algicida algas

avicida pássaros

bactericida bactérias

desinfetante microorganismos

fungicida fungos

inseticida insetos

moluscicida caracóis, lesmas

nematicida nematóide

piscicida peixes

raticida roedores

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Inseticidas Tradicionais

Inicialmente, eram produzidos pesticidas inorgânicos e organometálicos que são geralmente muito tóxicos para os seres humanos e outros mamíferos. Além disso, metais e semimetais tóxicos como o arsênio usado comumente em tais pesticidas, não são biodegradáveis. Em vista dessa toxicidade, durante e após a Segunda Guerra Mundial, foram desenvolvidos muitos inseticidas orgânicos, que têm substituído essas substâncias inorgânicas e organometálicas.

Inseticidas Organoclorados

As indústrias químicas da América do Norte e da Europa Ocidental produziram grandes quantidades de novos pesticidas, especialmente inseticidas. Os ingredientes ativos da maioria desses pesticidas são organoclorados, muitos dos quais tinham em comum propriedades notáveis:

• Estabilidade contra a decomposição ou degradação ambiental.

• Solubilidade muito baixa em água, a não ser que oxigênio ou nitrogênio encontrem-se também presentes nas moléculas.

• Alta solubilidade em meios semelhantes a hidrocarboneto, tal como o material gorduroso de matéria viva.

• Toxicidade relativamente alta para insetos, mas baixa para seres humanos.

A seguir discutiremos os principais organoclorados usados como pesticidas.

HCB

O HCB, ou hexaclorobenzeno, C6Cl6 é um composto estável, de fácil preparo a partir de cloro e benzeno, sendo utilizado durante várias décadas após a Segunda Guerra Mundial como fungicida de uso agrícola nas colheitas de cereais. Sendo extremamente persistente e ainda emitido como subproduto pela indústria química e por processos de combustão, permanece como um agente causador de contaminação ambiental amplamente difundida. Ele é problemático, pois pode causar câncer de fígado em roedores de laboratório, e, portanto, talvez também em seres humanos.

Hexaclorobenzeno (HCB)

DDT

O DDT, ou para-diclorodifeniltricloroetano, foi muito efetivo contra os mosquitos transmissores da malária e febre amarela, contra os piolhos e contras as pragas de pulgas. A Organização Mundial da Saúde estimou que os programas de redução da malária, em que um dos componentes utilizados foi o DDT, salvou as vidas de mais de 5 milhões de pessoas. Infelizmente o DDT foi usado em excesso, particularmente na agricultura. Como resultado, sua concentração ambiental elevou-se rapidamente e começou a afetar a capacidade reprodutiva de aves que o incorporaram. Felizmente em seres humanos, a maioria do DDT ingerido é lenta, mais finalmente, eliminada.

Do ponto de vista estrutural, o DDT é um derivado do etano. Em um dos carbonos, os três hidrogênios estão substituídos por átomos de cloro, enquanto que, no outro, dois dos três hidrogênios estão substituídos por um anel fenila (benzeno); cada um dos anéis contém um átomo de cloro na posição para, isto é, diretamente oposto ao carbono do anel que está ligado à unidade etano.

DDT: para-diclorodifeniltricloroetano

A persistência do DDT o tornou um inseticida ideal: uma pulverização oferecia proteção contra os insetos que variava de semanas até anos. Sua persistência ocorre em virtude de sua baixa pressão de vapor e conseqüente baixa velocidade de evaporação, baixa reatividade com respeito à luz, produtos químicos e microorganismos do ambiente, e solubilidade bastante reduzida em água. Como outros inseticidas organoclorados, o DDT é solúvel em solventes orgânicos e, portanto no tecido adiposo animal.

Muitas espécies animais metabolizam o DDT por eliminação do HCl; um átomo de hidrogênio é removido de um dos carbonos do etano, e um átomo de cloro, do outro, criando um derivado do eteno chamado DDE, abreviatura para diclorodifenildicloroeteno:

DDE

As substâncias produzidas pelo metabolismo de um produto químico são chamadas metabólitos; assim, o DDE é um metabólito do DDT. O composto químico DDE é também produzido lentamente no ambiente pela degradação do DDT mediante tal transformação. Infelizmente, em algumas aves, o DDE interfere na enzima que regula a distribuição de cálcio, e por esse motivo os pássaros contaminados produzem ovos que não tem a casca (carbonato de cálcio) suficientemente grossa para suportar o peso dos seus pais durante a incubação.

O DDE praticamente não é biodegradável e é muito solúvel em gorduras, de maneira que permanece em nossos organismos durante um longo período de tempo.

Por razões ambientais, o uso do DDT está atualmente proibido na maioria dos países industrializados de qualquer modo, seu uso já vinha declinando devido às populações evoluídas de insetos resistentes, que podem metabolizar o DDT para o DDE, não-inseticida, e desse modo torná-lo inativo.

Atualmente, as principais fontes de DDT e DDE estão nos países em desenvolvimento onde o DDT está ainda em uso para controlar a malária e o tifo e para alguns fins agrícolas.

Acumulação e Destino dos Organoclorados

em Sistemas Biológicos

Muitos compostos organoclorados encontram-se nos tecidos de peixes em concentrações que são ordens de grandeza maiores que as encontradas nas águas em que vivem. As substâncias hidrofóbicas, como o DDT e o HCB, são particularmente propensas em exibir esse fenômeno.

Em primeiro lugar, muitos organoclorados são essencialmente muito mais solúveis em meios similares a hidrocarbonetos, como o tecido gorduroso de peixes, do que em água. Assim, quando a água passa através das brânquias do peixe, os compostos difundem de forma seletiva desde a água até a carne gordurosa, tornando-se aí mais concentrados: esse tipo de processo é chamado bioconcentração. A concentração média de muitos produtos químicos aumenta também de forma significativa à medida que se avança na cadeia alimentar, que consiste em uma seqüência de espécies nas quais cada uma alimenta-se de uma espécie precedente na cadeia. Por exemplo, durante sua vida, um peixe come muitas vezes seu peso em comida dos níveis inferiores da cadeia alimentar, mas retém em vez de eliminar a maioria dos produtos organoclorados procedentes desses alimentos. Um produto químico cuja concentração aumenta ao longo de uma cadeia alimentar chama-se de biomagnificado. Essencialmente, a biomagnificação resulta de uma seqüência de etapas de bioacumulação que ocorrem ao longo da cadeia.

Como exemplo de biomagnificação, considere que a concentração de DDT na água marinha de Hong Island Sound e nas águas protegidas de sua costa sul é de cerca de 0,000003ppm, mas que atinge 0,04ppm no plâncton, 0,5ppm na gordura de vairões, 2ppm nos peixes-agulha e 25ppm na gordura dos cormorões e águias-pescadoras que alimentam-se de peixe, perfazendo um fator de biomagnificação total de cerca de dez milhões. E por meio desses mecanismos que os níveis de DDE em algumas aves de rapina tornaram-se tão grandes que sua capacidade de se reproduzir com sucesso foi prejudicada.

Análogos do DDT

Outras moléculas com ação análoga à do DDT são o DDD, para-diclorodifenildicloroetano, que é um produto da degradação ambiental do DDT: ele diferencia-se apenas porque um cloro do grupo -CCL3 é substituído por um hidrogênio.

Como as estruturas e os tamanhos do DDT e do DDD são similares, sua toxicidade para os insetos é semelhante (já que a toxicidade do DDT é mais devido à sua estrutura molecular que a sua interação química com espécies específicas). Na verdade, o próprio DDD já foi comercializado como inseticida, mas seu uso também foi interrompido pelo fato de ser bioacumulável.

Os cientistas têm projetado análogos do DDT que têm seu tamanho e estrutura geral, e conseqüentemente possuem as mesmas propriedades inseticidas, mas que são razoavelmente biodegradáveis, não apresentando, assim, o problema de bioacumulação associado ao DDT. O mais conhecido desses análogos é o metoxicloro.

Metoxicloro

Os átomos de cloro posicionados em para do DDT estão neste composto substituídos por grupos metoxi, -OCH3, que são aproximadamente do mesmo tamanho que o cloro, mas reagem muito mais facilmente. Deste modo, tais reações produzem compostos solúveis em água, que não só se degradam no ambiente, mas também são excretados pelos organismos em vez de se acumularem. O metoxicloro é bastante usado em aplicações domésticas e agrícolas, para controlar moscas e mosquitos.

Outros Inseticidas Organoclorados

Depois que o DDT foi banido, o inseticida que o substituiu em muitas aplicações agrícolas, foi o toxafeno. Trata-se de uma mistura de centenas de substâncias similares, todas produzidas quando o hidrocarboneto de ocorrência natural chamado canfeno é parcialmente clorado. Ele tornou-se o inseticida mais amplamente usado nos Estados Unidos até sua proibição em 1982. O toxafeno é extremamente tóxico para os peixes e, de fato, foi usado na América do Norte para eliminar, de lagos, peixes indesejáveis; porém, constatou-se que era tão persistente que os lagos não conseguiram ser povoados com sucesso novamente nos anos posteriores. Além disso, o toxafeno bioacumula-se nos tecidos gordurosos e causa câncer em roedores-testes. Ele faz parte da lista de Poluentes Orgânicos Prioritários do Programa Ambiental das Nações Unidas, e é classificado como Poluente de Interesse Prioritário pela International Joint Commission (IJC) dos Grandes Lagos (Tabela 2).

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Poluentes Orgânicos Persistentes Focalizados pelo Programa Ambiental das Nações Unidas – Tabela 2

PCBs* Ciclodienos: aldrin

Dioxinas* dieldrin*

Furanos* endrin

DDT* clordano

Toxafeno* mirex*

Hexaclorobenzeno * heptaclor

O Programa Ambiental das Nações Unidas apelou para uma ação internacional no sentido de reduzir os ricos para a saúde humana e para o ambiente derivados de 12 compostos, todos eles organoclorados, os quais denominaram de poluentes orgânicos persistentes(POPs). A lista dos Nações Unidas inclui todos os organoclorados identificados pela IJC como Poluentes Prioritários marcados com * na tabela 2.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o derivado do cicloexano que tem um dos dois hidrogênios de cada carbono substituído por cloro, isto é, o 1,2,3,4,5,6 – hexaclorocicloexano, foi descoberto como inseticida efetivo contra uma ampla variedade de insetos.

1,2,3,4,5,6–hexaclorocicloexano

Após a Segunda Guerra Mundial, uma mistura comercial da maioria dos isômeros foi empregada para controlar mosquitos e em aplicações agrícolas. Seu uso tem sido restrito desde os anos 70 em virtude de sua toxicidade e de sua tendência à bioacumulação.

Ciclopentadienos Clorados

O ciclopentadieno é um subproduto abundante do refino do petróleo. Quando completamente clorado, pode ser combinado com outras moléculas orgânicas, uma ou várias, para produzir uma série completa de compostos inseticidas com propriedades, como persistência ambiental, que os tornam aparentemente atrativos.

ciclopentadieno perclorociclopentadieno

A maioria dos inseticidas do tipo ciclodieno que foram importantes do ponto de vista comercial, tem sido atualmente rotulados como Poluentes Orgânicos Persistentes pelo Plano Ambiental das Nações Unidas. Foram usados para controlar insetos terrestres, formigas, baratas, cupins, gafanhotos, besouros e outras pragas. Como a maioria dos compostos orgânicos clorados, essas substâncias têm uma solubilidade muito baixa em água, mas são solúveis em gordura.

Os pesticidas do tipo ciclodieno, começando por aldrin e dieldrin, chegaram ao mercado por volta de 1950. Dada sua persistência, sua potencial toxicidade, sua tendência a se acumular em tecidos gordurosos e a suspeita de que ao menos o dieldrin causa mortalidade excessiva das águias-calvas adultas, o uso de quase todos esses compostos está atualmente proibido ou rigorosamente restrito. Contudo, alguns dos compostos ainda estão disponíveis em outros lugares. O endossulfano encontra-se ainda em uso extensivo em todo o mundo como inseticida com aplicações tanto domésticas quanto agrícolas; sua bioconcentração e persistência ambiental são muito menores que a dos outros ciclodienos.

Endossulfano

Se duas moléculas de perclorociclopentadieno são combinadas quimicamente, a molécula resultante, conhecida como mirex, também atua como inseticida.

Mirex

O mirex também foi comercializado como aditivo retardante de chama para materiais sintéticos e naturais. Ele está atualmente classificado como Poluente Orgânico Persistente pelas Nações Unidas, e como Poluente Prioritário da IJC dos Grandes Lagos. Os cientistas estão preocupados com o potencial do mirex e seus produtos de decomposição para atuar como toxina que afetam o sistema reprodutivo de aves e animais que se alimentam dos peixes do Lago Ontário, cuja águas estão contaminadas com mirex. O consumo humano de alguns tipos de peixes desse lago também está restrito.

Em sua maior parte, os pesticidas do tipo ciclodienos clorados são produtos químicos do passado. Seu uso foi proibido ou, no mínimo, foi rigorosamente restrito por motivos ambientais e de saúde humana.

Outros Tipos de Inseticidas Modernos

Inseticidas à Base de Organofosforados

Os pesticidas baseados em Organofosforados são do tipo não-persistente; nesse aspecto, representam um avanço sobre os organoclorados. Contudo, eles apresentam geralmente um efeito tóxico mais agudo (causa danos a um organismo em uma exposição de curto prazo) para seres humanos e outros mamíferos do que os organoclorados. Muitos organofosforados representam um grave perigo para a saúde daqueles que os aplicam e para qualquer pessoa que possa entrar em contato com os mesmos. A exposição a esses produtos químicos, por inalação, ingestão oral ou absorção através da pele, pode levar a problemas imediatos de saúde.

Os pesticidas organofosforados contêm, sem exceção, um átomo central de fósforo pentavalente ao qual estão conectados. As três subclasses principais de organofosforados estão representadas a seguir:

Em resumo, os organofosforados resolvem o problema da persistência e acumulação ambiental associadas aos compostos organoclorados, mas, ás vezes, à custa de um aumento significativo da toxicidade aguda para os seres humanos e os animais. Eles são um problema particular em países em desenvolvimento, onde a ignorância geral sobre seus riscos e deficiência no uso de roupas protetoras tem resultado em muitas mortes entre os trabalhadores agrícolas.

Manejo Integrado de Pragas e Inseticidas Naturais

Como foi dito anteriormente, muitas plantas podem fabricar certas moléculas para sua própria auto-proteção, capaz de matar ou incapacitar insetos. Os químicos têm isolado alguns destes compostos para que possam ser usados no controle de insetos em outros contextos. São exemplos a nicotina, a rotenona, os feromônios e os hormônios juvenis. Certas espécies de crisântemos também produzem um grupo de pesticidas naturais que têm sido muito usados pelos seres humanos, chamados de piretrinas.

Deve-se destacar que os inseticidas naturais, como rotenona e as piretrinas, têm aproximadamente a mesma toxicidade que alguns dos sintéticos, como o malation (pesticida organofosforado, muito tóxico, responsável por mais mortes de trabalhadores agrícolas do que qualquer outro pesticida).

Nos últimos anos foram desenvolvidas estratégia de manejo integrado de pragas; nelas combinam-se as melhores partes dos vários métodos factíveis de controle de pragas, são:

  1. Controle químico – usando pesticidas químicos;

  2. Controle biológico – reduzindo as populações das pragas mediante a introdução de espécies predadoras, parasita ou patogênica;

  3. Controle cultural – introduzindo práticas agrícolas para prevenir o aparecimento de pragas;

  4. Plantas resistentes aos hospedeiros – usando plantas que sejam resistentes aos ataques, incluindo plantas adaptadas mediante engenharia genética;

  5. Controle físico – utilizando métodos não-químicos para reduzir as populações de pragas;

  6. Controle regulador – impedindo a invasão de uma área por novas espécies.

Herbicidas

Os herbicidas são compostos químicos que destroem plantas. Sua utilidade está parcialmente baseada no fato de serem muito mais tóxicos para certas espécies de plantas do que para outras, de maneira que podem ser utilizados para erradicar as primeiras, sem deixar prejudicas as últimas, por exemplo, eliminar fumo de folhas largas de gramados, sem matar o gramado.

Existem hoje, inúmeros tipos de herbicida, mas trataremos aqui, rapidamente, apenas dos herbicidas do tipo fenóxi, para entendermos o processo de formação das dioxinas, subproduto que do ponto de vista ambiental são de maior interesse que os próprios herbicidas. Por essa razão, começaremos por discutir a química do fenol, o componente fundamental desta classe de composto.

O clorobenzeno reage com NaOH a altas temperaturas para substituir o –Cl por um –OH, produzindo o composto chamado fenol:

+ NaOH → + NaOH

                                                                                  fenol

Os fenóis são levemente ácidos, em presença de soluções concentradas de uma base forte, como NaOH, o hidrogênio do grupo OH é perdido na forma de H+ e é produzido o ânion fenóxido, C6H5O‾, na forma de seu sal sódico:

C6H5OH + NaOH → C6H5O‾ Na+ + H2O

O grupo O‾ Na+ é um grupo reativo, e tal propriedade pode ser explorada para preparar moléculas que contenham a unidade C–O–C. Assim, se uma molécula R­­­­–Cl é aquecida em presença de um sal que contém o íon fenóxido, produz-se a eliminação de NaCl, e o oxigênio do grupo fenóxi liga-se ao anel benzênico mediante o grupo R:

C6H5O‾ Na+ + R–Cl → NaCl + C6H5–O–R

Tal reação é a rota comercial mais direta para a preparação em grande escala de herbicida, introduzido em 1944, cujo nome comercial bem-conhecido é 2,4,5–T. Nele (veja reação anterior), o grupo R é o ácido acético, CH3COOH, com exceção de um dos hidrogênios do grupo metila, de maneira que R= –CH2COOH, e o reagente CL–R é CL– CH2COOH. Assim, de acordo com o esquema de reação, obtém-se C6H5–O–CH2COOH, chamado ácido fenoxiacético, como intermediário na produção dos verdadeiros herbicidas.

2,4,5–T

Ácido 2,4,5 Triclorofenoxiacético

O 2,4,5–T é efetivo para eliminar mato, por exemplo, nas margens das estradas e nos caminhos de passagem de fio de alta tensão.

Contaminação por Dioxina Derivadas de Herbicidas e Preservante de Madeira

Tradicionalmente, a síntese industrial de 2,4,5–T começava com o triclorofenol, que era produzido pela reação do NaOH com o tetraclorobenzeno apropriado. Infelizmente, durante a reação na qual é produzido o composto fenólico, a partir de tetraclorobenzeno, ocorre uma reação secundária mediante a qual se converte uma porção muito pequena do composto triclorofenol em dioxina. Nesta reação secundária, dois ânions triclorofenóxi reagem entre si, o que resulta na eliminação de dois íons cloro:

                                                                                             “dioxina”

                                                                             (tetraclorodibenzeno-p-dioxina)

Nesse processo, forma-se um novo anel de seis membros, que conecta os dois anéis benzênicos clorados. Esse anel central tem dois átomos de oxigênio localizados em posição para com respeito um ao outro, como encontrado na molécula simples 1,4–dioxina ou para–dioxina.

1,4–dioxina

A taxa de produção de dioxina cresce significativamente à medida que aumenta a concentração inicial do íon clorofenóxido. Além disso, a velocidade dessa reação aumenta rapidamente com a elevação da temperatura de reação. Assim, a extensão na qual o triclorofenol e, conseqüentemente, os herbicidas tornam-se contaminados com o subproduto dioxina pode ser minimizado controlando-se a concentração e a temperatura na preparação do triclorofenol utilizado como insumo original. Atualmente, a contaminação de 2,4,5–T por dioxina pode ser mantido em cerca de 0,1ppm, conservando-se baixas tanto a concentração de fenóxido quanto a temperatura. Não obstante, sua fabricação e seu uso na América do Norte foram gradualmente proibidos em meados dos anos 80 devido ao seu teor em dioxina. O uso de pesticidas baseados em clorofenol foi responsável pela metade das emissões ambientais de dioxinas no início dos anos 70.

Existem 75 compostos clorados diferentes análogos à dibenzo–p–dioxina, nos quais estão incluídos todas as possibilidades entre um e oito cloros, e há um certo número de isômeros para a maioria desses oito tipos.

Outra fonte de dioxina, além dos herbicidas, são a queima de madeira tratada com preservantes a base de clorofenóis, quando essas madeiras são queimadas, uma fração dos clorofenóis podem reagir eliminando HCl e produzindo, em conseqüência, membros da família das dioxinas cloradas.

Como conseqüência de sua ocorrência generalizada no ambiente é sua lipofilicidade (tendência a se dissolver em gordura), as dioxinas bioacumulam-se na cadeia alimentar. Mas de 90% dos casos de pessoas expostas às dioxinas são atribuídos à ingestão através dos alimentos, principalmente carne, peixe e lacticínios.

O impacto potencial para a saúde humana da exposição às dioxinas será tratado posteriormente.

PCBs

Os compostos conhecidos pela abreviatura PCBs (bifenilas policloradas) constituem um grupo de produtos químicos industriais organoclorados que se tornaram objeto da maior preocupação dos anos 80 e 90. Embora não sendo pesticidas, esses compostos encontraram uma ampla variedade de aplicações na sociedade moderna, em função de apresentarem determinadas propriedades. Como muitos outros organoclorados, os PCBs são muito persistentes no ambiente e bioacumulam-se nos seres vivos. Em vista de sua toxicidade e a de seus contaminantes baseados em furanos (um grupo de compostos parecidos com as dioxinas em sua estrutura), os PCBs presentes no ambiente têm se tornado materiais de preocupação devido a seu impacto potencial sobre a saúde humana, particularmente no que se refere ao crescimento e desenvolvimento.

A Estrutura Química dos PCBs

Embora o benzeno seja um composto muito estável, seu aquecimento a temperaturas muito elevadas podem romper as ligações carbono-hidrogênio. Tal fato é explorado comercialmente quando o benzeno é aquecido até cerca de 750°C em presença de chumbo como catalisador para formar bifenila, uma molécula na qual dois anéis de benzeno encontram-se unidos por uma ligação simples formada entre dois carbonos que perderam seus átomos de hidrogênio:

                                                                                              bifenila

Como no caso do benzeno, se a bifenila reage com cloro em presença de cloreto férrico como catalisador, alguns de seus átomos de hidrogênio são substituídos por cloro. Quanto maior a quantidade de cloro inicialmente presente e quanto mais tempo for dado para o transcurso da reação, maior será a extensão (em média) da cloração da molécula de bifenila. Os produtos resultantes são bifenilas policloradas, ou, para abreviar, PCBs.

As Propriedades e os Usos dos PCBs

Todos os PCBs são praticamente insolúveis em água, mais são solúveis em meios hidrofóbicos, tais como substâncias gordurosas ou oleosas. Do ponto de vista comercial, eles tornaram-se atrativos porque são líquidos quimicamente inertes e difíceis de queimar, têm pressões de vapor baixa, sua produção não é cara e são excelentes isolantes elétricos. Por essa propriedade, foram extensivamente empregados como fluidos refrigerantes em transformadores e condensadores elétricos. Foram também utilizados como plastificantes, isto é, agentes usados para conseguir uma maior flexibilidade em outros materiais, como o PVC; em papel copiativo; como solvente sem coloração para reciclagem de papel de jornal; como fluidos de transferência de calor em maquinaria; como agente de impermeabilização, entre várias outras aplicações.

Os PCBs persistem durante anos no ambiente porque são extremamente resistentes à decomposição por agentes químicos ou biológicos. Devido à essa persistência e a elevada solubilidade em tecidos, os PCBs experimentam biomagnificação nas cadeias alimentares.

Bioacumulação e biomagnificação de PCBs na cadeia alimentar aquática dos Grandes Lagos.(Fonte: The State of Canada’s Environment.1991.Ottawa: Government of Canada)

Contaminação dos PCBs por Furano

O forte aquecimento dos PCBs em presença de uma fonte de oxigênio pode resultar na produção de pequenas quantidades de dibenzofuranos. Esses compostos têm estrutura similar às dioxinas, diferenciando-se por possuírem um oxigênio a menos no anel central. O anel básico de furano contém cinco átomos, um dos quais é oxigênio, sendo os outros quatro átomos de carbono que formam ligações duplas:

Furano

Os dibenzofuranos (DFs) têm em cada um dos lados opostos do anel de furano um anel de benzeno ligado de forma condensada:

Dibenzofurano

Os dibenzofuranos clorados são formados a partir dos PCBs mediante a eliminação dos átomos X e Y ligados aos dois carbonos que estão em posição orto em relação aquele que unem os dois anéis dos PCBs e que ficam do mesmo lado da ligação C–C entre os anéis:

Os átomos X e Y podem ser ambos cloro, ou um deles pode ser hidrogênio e o outro cloro. A maior parte dos cloros da molécula original de PCB continua ainda presente no dibenzofurano; os dibenzofuranos policlorados são usualmente conhecidos como PCDFs.

Outras Fontes de Dioxinas e Furanos

Além das fontes já focalizadas, os dibenzofuranos e as dibenzo-p-dioxinas policloradas são também produzidas como subprodutos de uma variedade de processos, entre os quais se inclui o branqueamento de polpa celulósica, a incineração de lixo, a reciclagem de metais e a produção de solventes comuns, tais como tricloroeteno e percloroeteno.

As principais fontes de dioxina e furano são as fábricas de polpa e papel que ainda usam cloro para branquear a polpa. Nesse processo são produzidos mais furanos que dioxinas.

Chamas de muitos tipos, incluindo as que ocorrem em incêndios florestais e em incineradores também emitem para o ambiente vários congêneres (membros diferentes de uma mesma família química que variam apenas no número e na posição do mesmo substituinte) da família das dioxinas; tais compostos químicos são produzidos como subprodutos minoritários a partir de cloro e matéria orgânica presente no material combustível. A produção de dioxina parece inevitável quando a combustão da matéria orgânica ocorre em presença de cloro, a não ser que as etapas sejam efetuadas de modo a garantir a combustão completa usando temperaturas de chama muito elevadas. Os incineradores são atualmente as maiores fontes antropogênicas de dioxina no ambiente.

Uma vez produzidos, as dioxinas e os furanos são transportados de um lugar para outro principalmente via atmosférica. Finalmente, são depositados e podem entrar na cadeia alimentar tornando-se bioacumulados em plantas e animais. Nossa exposição a eles procede quase inteiramente dos alimentos que comemos.

Toxicologia de PCBs, Dioxinas e Furanos

Existe um consenso de que a maioria dos PCBs não é agudamente tóxica para os seres humanos. Em doses elevadas os PCBs causam câncer em animais teste. A maior parte dos grupos de pessoas que for exposta a concentração relativamente alta de PCBs, como resultado de seu trabalho em plantas condensadoras elétricas, por exemplo, não tem sofrido uma taxa de mortalidade especialmente maior. A reação mais comum à exposição é a cloracne, uma resposta biológica de muitas pessoas à exposição a compostos organoclorados.

Os PCBs são preocupantes no que diz respeito à sua toxicidade reprodutiva em pessoas e animais, particularmente quando grandes quantidades de peixes foram consumidas, em cujo tecido gorduroso houve acumulação de PCBs. Como no documentário das crianças nascidas de mães que habitam nas redondezas do lago Michigan (veja quadro 1) e que têm altos níveis de PCBs sofreram algum retardo no crescimento e obtiveram uma pontuação significativamente menor em certos testes de memória; tais efeitos ocorrem em conseqüência de PCBs no útero materno, e sua persistência nas crianças até, no mínimo, a idade de dez anos.

Quadro 1

É encontrado nas margens do lago Michigan famílias que praticam regularmente a pesca em suas águas contaminadas como passatempo predileto. De fato, os pescadores de suas famílias, de duas a três vezes por semana, comem Salmão e Truta procedente do lago. Os cientistas não devem ter expectativa sobre obter informação em relação a efeitos perniciosos à saúde imediatos, pois a exposição crônica a baixos níveis de contaminantes em geral não culmina rapidamente em doenças evidentes; os danos potenciais incluem com maior probabilidade uma aceleração no desenvolvimento de câncer e de problemas reprodutivos.

A equipe de pesquisa de Sandra e Joseph Jacobson e seus colaboradores da Wayne State University de Detroit têm estudado há décadas a descendência da população desta área, incluindo também crianças cujas mães comem peixe do lago como aquelas cujas mães não comem. Eles têm descoberto diferenças estatisticamente significativas em crianças nascidas de mães que contêm em seu organismo alto níveis de determinados produtos químicos; essas diferenças estão presentes não apenas no nascimento, mas persistem no mínimo até a idade de onze anos. Dentre os vários grupos de produtos químicos encontrados no peixe, o grupo cuja concentração em crianças correlaciona-se mais significativamente com a ocorrência dos efeitos são os chamados PCBs. Esses produtos foram usados para muitos propósitos durante os últimos 50 anos e seu descarte inadequado tem dado lugar ao surgimento de áreas de grande contaminação, entre elas algumas das comunidades em torno do lago Michigan. Os Jacobson descobriram que, no momento do nascimento, os bebes nascidos de mães, que haviam transmitido quantidades maiores de PCBs antes do nascimento apresentavam em media peso e perímetro craniano ligeiramente menores, sendo também um pouco mais prematuros que aqueles nascidos de mulheres que transmitiram quantidades menores. A severidade dessas “deficiências” foi maior quanto maior à exposição pré-natal aos PCBs. Quando foram testados na idade de sete meses, apresentaram pequenas dificuldades de memória de reconhecimento visual. À idade de quatro anos ainda persistia o menor peso corporal observado ao nascer nas crianças submetidas a uma elevada exposição. Mais seria foi a observação de que, aos quatro anos, as crianças mostraram pontuação progressivamente mais baixas em vários testes da função mental. Aos onze anos de idade, os efeitos dos PCBs recebidos no período pré-natal eram ainda aparentes, sendo as funções mais afetadas a memória e o período de concentração. Assim, os PCBs parecem interferir no desenvolvimento pré-natal adequado do celebro e nos mecanismos que determinam o tamanho físico.

É importante constatar que os níveis mais elevados de PCBs aos quais as crianças foram expostas antes do nascimento não são muito maiores que aqueles aos quais a maioria das crianças em gestão na população em geral é submetida.

Obs: essa abordagem sobre o lago Michigan corresponde ao primeiro capitulo do livro resumido, logo após este capitulo vem uma entrevista com Joseph L. Jacobson, quem poder dá uma lida seria ótimo, mas para quem não puder, deixo aqui algumas frases que fazem parte de sua primeira resposta:

Em primeiro lugar, quero enfatizar que não temos nenhuma evidência dessa exposição ter levado ao retardamento mental de qualquer das crianças…todas elas estão dentro da media de QI “normal”. Se vocês conhecer uma dessas crianças grandemente expostas, para você não seria evidente a existência de qualquer problema…nem todas as crianças fortemente exposta caíram no extremo inferior da faixa normal…”(quando eles diz “extremo inferior da faixa normal”, ele esta se referindo as menores pontuação do teste de QI para que uma pessoa possa ser considerada “normal”).

Contudo, os efeitos mais significativos da exposição às misturas de PCBs para a saúde humana até o momento ocorreram quando dois grupos de pessoas, um no Japão, em 1968, e o outro em Taiwan, em 1979, consumiram PCBs que foram acidentalmente misturados ao óleo de cozinha.

Dado que os PCBs passaram por aquecimento, seus níveis de contaminação com PCDF eram muito maiores do que os ocorridos nos PCBs comerciais que não passam por aquecimento. Os milhares de japoneses e taiwaneses que consumiram o óleo contaminado sofreram efeitos em sua saúde muito piores que os dos trabalhadores das plantas de fabricação e manipulação de PCBs, muito embora os níveis resultantes de PCBs em seus organismos fossem aproximadamente os mesmos. Partindo desta diferença, concluiu-se que os principais agentes tóxicos do veneno foram os PCDFs, e que esses e algumas dioxinas foram os responsáveis por cerca de dois terços dos efeitos, sendo os próprios PCBs os responsáveis pelos efeitos remanescentes. De fato, estudos de animais em laboratórios indicam que os furanos envolvidos nestes incidentes apresentam uma toxicidade 500 vezes superior os PCBs puros quanto se toma como base um grama de cada composto. Como no caso do estudo sobre as crianças do Lago Michigan, o desenvolvimento cognitivo – refletido pelos índices de QI– de crianças nascidas de mães taiwanesas altamente expostas– mesmo tendo o nascimento ocorrido muito tempo após o consumo do óleo contaminado– foi significativamente inferior ao de crianças de mães não-expostas antes da ocorrência do acidente.

Efeitos Sobre a Saúde Humana

Em seres humanos, furanos, dioxinas e PCBs altamente clorados são armazenados no tecido adiposo, não sendo excretados nem metabolizados rapidamente. Tal persistência é conseqüência de sua estrutura.

Em 1994, a agência americana EPA publicou um relatório de 2000 páginas sobre riscos das dioxinas para a saúde. O relatório confirmou a conclusão de 1985 da EPA de que a dioxina é um provável carcinógeno humano, mas destaca que os efeitos não-cancerígenos de tais compostos (como efeitos na reprodução, no desenvolvimento sexual e sistema imunológico) podem representar um perigo ainda maior para a saúde humana.

Para o caso dos furanos, existem evidências diretas da susceptibilidade humana a esses compostos desde os incidentes derivados do uso de óleo de cozinha contaminado com PCBs, anteriormente mencionados. Os sintomas mais comuns observados foram cloracne e outros problemas de pele. Ocorreram pigmentações incomuns na pele de bebês nascidos de algumas das mães que tinham sido expostas. Freqüentemente, as crianças também tiveram baixo peso ao nascer e contatou-se uma taxa de mortalidade infantil elevada. As crianças que consumiam diretamente o óleo apresentaram retardamento no crescimento e desenvolvimento anormal dos dentes. Muitas vítimas também manifestaram dores e adormecimento em várias partes do corpo e, freqüentemente, problemas brônquicos.

Nas comunidades científica, industrial e médica, o debate sobre os perigos ambientais de dioxinas, furanos e PCBs continua sendo acirrado. De um lado, estão aqueles que pensam que os perigos desses produtos químicos têm sido amplamente exagerados pelos meios de comunicação e por grupos especialmente interessados. Salientam a presença de concentrações muito baixas dessas substâncias no meio ambiente, a falta de ocorrências fatais entre seres humanos expostos e o enorme custo econômico dos controles efetivos instituídos. No outro extremo, estão as pessoas que destacam a biomagnificação substancial e a alta toxicidade por molécula de tais substâncias, e sua presença em quase todos os ambientes. Consideram os efeitos prejudiciais, como câncer e deformações congênitas, causados por esses produtos em animais, como “chamadas de advertência”, que sinalizam os efeitos de possíveis enfermidades em seres humanos. A descoberta do lado em que se encontra a “verdade” entre esses pontos de vista opostos representa um desafio para os estudantes de ciência ambiental.

Hidrocarbonetos Aromáticos Polinucleares (PAHs)

A estrutura dos PAHs

Existe uma série de hidrocarbonetos de tipo benzênico que contêm vários anéis de seis membros conectados por meio do compartilhamento de um par de átomos de carbono adjacentes que unem anéis condensados. O exemplo mais simples é o naftaleno, C10H8:

Naftaleno

Como composto, o naftaleno é um sólido volátil cujo vapor é tóxico para alguns insetos. O naftaleno tem encontrado uso como um dos tipos de “bolinhas de naftalina”.

Do ponto de vista teórico, existem duas maneiras de condensar um terceiro anel benzênico a dois carbonos do naftaleno; uma delas resulta em um arranjo linear dos centros dos anéis (“núcleos”), enquanto que o outro é um arranjo “ramificado”:

                                                Antraceno                    Fenantreno

Em geral, os hidrocarbonetos que apresentam propriedades similares ao benzeno são chamados de aromáticos; aqueles que contêm anéis benzênicos condensados são chamados hidrocarbonetos aromáticos polinucleares (ou policíclicos), ou PAHs, para abreviar o nome em inglês.

Como o próprio benzeno, muitos PAHs possuem grande estabilidade e geometria planar. Com exceção do naftaleno, não são fabricados com finalidade comercial já que não apresentam aplicações. Contudo, os PAHs são introduzidos no ambiente a partir de numerosas fontes: os motores de exaustão à gasolina e especialmente os de combustão a diesel, o “alcatrão” da fumaça de cigarro, a superfície de alimentos chamuscados ou queimados, a fumaça da queima de madeira ou carvão, e outros processos de combustão nos quais o carbono ou o combustível não são completamente convertidos em CO ou CO2.

PAHs como Poluentes

Os PAHs são poluentes atmosféricos comuns e estão fortemente implicados na degradação da saúde humana em algumas cidades, devido às concentrações elevadas PAH no ar em atmosferas interiores que são tipicamente devidas à fumaça de cigarro e à queima de madeira e de carvão.

Os PAHs são gerados em quantidade substancial na produção de derivados do alcatrão de hulha, o creosoto, um preservante da madeira. Observou-se que os PAHs de maior tamanho acumulam-se no tecido adiposo de alguns animais marinhos; eles têm sido relacionados à produção de tumores e lesões hepáticas em alguns peixes, e há estudos sobre seu papel na devastação das populações de baleias beluga do rio São Lourenço.

O hidrocarboneto carcinógeno desse tipo mais conhecido e comum é o benzeno[a]pireno, BaP, que contém cinco anéis de benzeno condensados:

                                             Benzo[a]pireno                      Pireno

A molécula é designada como um derivado do Pireno. Teoricamente, se um anel benzênico adicional é acrescentado à ligação “a” do pireno, é obtida a molécula de benzo[a]pireno.

O benzo[a]pireno é um subproduto comum da combustão incompleta de combustíveis fosseis, matéria orgânica (incluindo lixo) e madeira. É carcinógeno para animais de laboratório e um provável carcinógeno humano. Sendo conseqüentemente um Poluente Prioritário para o IJC.

Um segundo exemplo de PAH conhecido como cancerígeno é o hidrocarboneto de quarto anéis benze[a]antraceno, que consiste em um antraceno com outro anel benzênico condensado à ligação “a”:

Benzeno[a]antraceno

Referêncial Bibliográfico

Colin Baird – Química Ambiental – 2 edição 2002

Energia Livre de Gibbs e entropia

A energia livre recebeu este nome em função de ter sido deduzida pelo cientista Josiah Willard Gibbs, nos Estados Unidos no século XIX, cientista este que foi responsável pelos fundamentos da termodinâmica e pela Físico-Química.

A energia livre de Gibbs (∆Gº), é uma grandeza termodinâmica definida como a diferença entre variação de entalpia (∆Hº) e a temperatura (T) vezes a variação de entropia (∆Sº) em uma reação. De acordo com a equação abaixo:

∆Gº=∆Hº – T∆Sº

onde:

∆Hº= é uma função de estado chamada de variação de entalpia que informa a variação de energia em pressão constante.

T= a temperatura é uma grandeza física intensiva que é influenciada ou sofre influência das variações energéticas durante a movimentação das partículas.

∆Sº= a variação de entropia é uma função de estado que informa a variação de energia em função do estado de liberdade das partículas.

A energia livre é simplesmente um método de medição do trabalho máximo realizado durante um processo. Essa função é uma das mais usadas na química e na bioquímica em virtude desta acompanhar a maioria dos processos reacionais, em virtude de a energia livre ser capaz de predizer se uma reação é espontânea, isto é, caso a temperatura e a pressão sejam constantes. Para que um processo ocorra espontaneamente ∆Gº deve ser negativa como, por exemplo, uma reação exotérmica que apresenta um alto valor negativo de entalpia, onde a entalpia é decisiva na determinação da energia livre, o que por sua vez é favorecido por um valor pequeno e positivo de T∆Sº. Se a ∆Gº=0 o sistema está em equilíbrio, tendência de toda reação química.

A variação de energia livre em Bioquímica

A ∆Gº negativa em bioquímica é rigorosamente seguida sob pena de uma reação não ocorrer caso o valor da grandeza seja positivo ou a liberação energética seja baixa. A vida nos organismos aeróbios existe simplesmente por que eles derivam a energia livre contida na glicose, por exemplo, através da oxidação onde a entalpia é negativa favorecendo um valor negativo de variação de energia livre, aumentando a entropia do ambiente quando estes liberam o CO2 e H2O de acordo com a reação:

Equilíbrio Químico e ΔG°

A variação de energia livre ΔG de um sistema representa a energia requerida para que seja realizado trabalho útil, em sua mudança de estado. No decorrer da reação observamos que a capacidade de realização de trabalho útil vai gradativamente diminuindo, com o consumo dos reagentes e formação de produto deste modo o sistema atinge o equilíbrio dinâmico, o que mostra que a ΔG tanto dos produtos quanto dos reagentes são iguais fornecendo ΔG=0. De acordo com o diagrama abaixo se conclui que:

ΔG= 0
Sistema atingiu equilíbrio dinâmico

ΔG= positiva
A reação ocorre em favor dos reagentes

ΔG= negativa
Segue para o estado de equilíbrio

Ou expressando por meio das equações:

Onde : R é a constante de Boltzman ou seja R= 0,082 L atm-1

T é temperatura em Kelvins(K) onde K= T em °C + 273,15

Eletroquímica e ΔG°

Quando ΔG° se aproxima de zero em uma célula eletroquímica, esta atingiu o equilíbrio. Onde, os reagentes e os produtos encontram-se na mesma quantidade e a bateria descarregou sua carga dizemos que este sistema encontra-se em equilíbrio. Diante disso um cientista chamado Nernest deduziu uma equação capaz de fornecer a força eletromotriz (fem) através da energia livre, “por que a energia livre é proporcional a fem que depende da concentração dos reagentes na célula.” Essa relação é mais bem expressa através das equações:

ΔG= ΔG° + RTlnK onde:

ΔG= -nFE e ΔG°=-nFEº substituindo,

-nfE=-nFEº+RT lnK dividindo os termos por –nF temos:

E=Eº- RT/nF lnK ( Equação de Nernest)

Calculando a energia livre de Gibbs

Calcule a variação de energia livre da formação da amônia a 25ºC e 1atm. Quando ∆Hº= -46,11KJ∙mol-1 e ∆Sº=-99,37 J∙K-1∙mol-1, de acordo com a reação:

Passo 1: Transformar a temperatura que está em Celsius para Kelvin e a variação de entropia de J∙K-1∙mol-1 para KJ∙K-1∙mol-1.

Passo 2: substituir na equação os dados:

Bibliografia:
MOORE, W.J. “Físico-Química, Trad. 4a. Ed. , Edgard Blücher, São Paulo, 1976.
RUSSEL, JOHN B. “Química Geral”. 2a. Ed., Makron Books, São Paulo, 1994.
P. W. Atkins, Físico-Química, Vol 1. LTC Editora, Rio de Janeiro 1999.

 

Entenda como os físicos procuram o Bóson de Higgs

Com informações do Berkeley Lab e Nature – 03/07/2012

Como os físicos procuram o Bóson de Higgs

Simulação do canal de dois fótons, um dos dois maiores candidatos para ter sido percorrido pela partícula que pode ser – mas pode não ser – o Bóson de Higgs.[Imagem: CERN]

Pode não ser o Bóson de Higgs?

Na madrugada desta quarta-feira, 04h00 no horário de Brasília, o CERN, a organização por trás do maior colisor de partículas do mundo, o LHC, anunciará seus tão esperados resultados sobre o tão esperado Bóson de Higgs.

Os dados foram coletados pelos dois maiores detectores do LHC, o (A Toroidal LHC Apparatus) e o CMS (Compact Muon Solenoid).

Tudo indica que serão anunciados “fortes indícios” da existência da Partícula de Deus.

Contudo, qualquer que seja o sigma alcançado pelos resultados – é necessário superar 5 para ser considerado uma descoberta – tudo o que os físicos poderão dizer será: “Há algo lá.”

Mas será mesmo o Bóson de Higgs? Pode ser. E pode não ser.

Mas por que, com tanto alvoroço, e depois de tantas pesquisas, eles não conseguirão ter certeza?

Para entender isso, é necessário ter ao menos uma vaga ideia do que seja o Bóson de Higgs, a Partícula de Deus, e como os físicos tentam encontrá-la.

Por que as partículas têm massa?

Um bóson de Higgs é uma excitação, uma ressonância – uma representação fugaz, elusiva – do campo de Higgs, que se acredita estender por todo o espaço e dar massa a todas as outras partículas.

No instante do Big Bang, era tudo uma coisa só, um estado de simetria, que durou praticamente tempo nenhum, tendo sido imediatamente quebrada.

Partículas de matéria, chamadas férmions, emergiram desse mar de energia (massa e energia sendo intercambiáveis), incluindo os quarks e os elétrons, que iriam, muito mais tarde, formar os átomos.

Juntamente com eles vieram partículas carreadoras de força, chamadas bósons, que iriam ditar as inter-relações entre todas as partículas. Todos os bósons tinham massas diferentes – em alguns casos, massas muito diferentes.

Usando os conceitos de campo de Higgs e Bóson de Higgs, o Modelo Padrão da Física explica porque os quarks, prótons, elétrons, fótons, e um enorme zoológico de outras partículas têm as massas específicas que eles apresentam hoje.

Como reconhecer o Bóson de Higgs

Estranhamente, no entanto, o Modelo Padrão não consegue prever a massa do próprio Bóson de Higgs – isso só pode ser feito experimentalmente.

E é isso que os cientistas do LHC e do finado colisor Tevatron, nos Estados Unidos, estão tentando fazer.

O problema é que está muito longe de ser simples saber quando o Bóson de Higgs terá sido realmente encontrado.

Qualquer partícula que contenha tanta energia quanto o Bóson de Higgs dura apenas uma fração minúscula de um segundo, antes de se desfazer em outras partículas – um processo chamado decaimento -, cada uma com energia menor.

E mesmo estas resultantes decaem em partículas com energia ainda menor, até finalmente deixarem um rastro que os detectores ATLAS ou CMS conseguem enxergar – ou inferir.

Como os físicos procuram o Bóson de Higgs

Esquema do detector interno do experimento ATLAS. [Imagem: CERN]

Canais de decaimento

De acordo com o Modelo Padrão, o Bóson de Higgs pode decair em pelo meia dúzia de diferentes padrões de trilhas, ou canais.

A probabilidade de cada caminho varia.

Por exemplo, há uma baixa probabilidade de que um Bóson de Higgs com massa equivalente a 100 bilhões de elétron-volts (100 GeV) de energia vá decair em um par de bósons W, portadores da interação fraca.

No entanto, se sua massa for de 170 GeV, a probabilidade de seu decaimento por este canal seria muito elevada.

Mas as medições anteriores, incluindo as feitas no ano passado pelo LHC, e as anunciadas ontem pelo Tevatron, já excluíram muitas massas possíveis para um Bóson de Higgs dentro do Modelo Padrão.

Com base nisso, espera-se detectar algum sinal por volta de 125 ou 126 GeV.

Esses dois canais envolvidos, chamados de canal de dois fótons e canal de quatro léptons, certamente não são as rotas de decaimento mais prováveis.

Segundo Beate Heinemann, dos Laboratórios Berkeley, “a probabilidade que um Bóson de Higgs de 125 GeV decaia em dois raios gama é de cerca de dois décimos de um por cento, e a probabilidade de que ele decaia em quatro múons ou elétrons é ainda menor.”

Ou seja, os físicos encontraram um sinal em um lugar muito improvável.

Encontrar a música no ruído

A chave de tudo – de todas as interpretações das todas as medições de todos os canais dos detectores ATLAS e CMS – é o ruído de fundo.

Mesmo que os canais de dois fótons e quatro léptons tenham uma probabilidade baixa, eles são relativamente livre de ruídos, sinais produzidos por detritos de outras partículas que obscurecem as evidências em outros canais.

As rotas mais prováveis para o decaimento de um Bóson de Higgs com massa próxima a 125 GeV seria o de um quark bottom e um antiquark bottom, ou um par de bósons W, ou um par de partículas tau – mas todos eles são muito mais difíceis de detectar.

“Pacotes de prótons cruzam na frente uns dos outros 20 milhões de vezes por segundo dentro do detector ATLAS, com uma média de 20 colisões em cada cruzamento,” explicou Heinemann.

Filtros eletrônicos selecionam automaticamente os eventos, reduzindo-os para cerca de 100.000 por segundo, apontados como de possível interesse.

Softwares sofisticados reduzem ainda mais a seleção, para algumas centenas de eventos por segundo, que são então gravados e armazenadas para estudos posteriores.

Vários físicos criticam essas técnicas, dizendo que o LHC está jogando fora dados demais, que poderiam conter alguma coisa interessante.

“Nós tentamos manter tudo o que alguém poderia pensar que poderia ser interessante,” defende Heinemann.

Ou seja, o problema não é só saber o que, mas também onde procurar – ainda que isso lembre a lenda na qual o herói perdeu a agulha dentro de casa, mas resolveu procurá-la lá fora por estar mais claro.

Há algo lá

É com base nessa seleção, de dois canais de baixa probabilidade, mas mais fáceis de entender, que os cientistas tiraram suas conclusões que serão anunciadas na madrugada desta quarta-feira.

Analistas consideram difícil que o fator sigma 5, necessário para estabelecer uma descoberta, tenha sido superado.

Mas ainda que seja, o que eles terão realmente observado, será o Bóson de Higgs?

Difícil responder, mas virtualmente impossível de responder com certeza.

A revista Nature publicou ontem uma reportagem cujo título é: “Físicos encontram nova partícula, mas será o Higgs?”

“Ok, há algo lá – uma ressonância,” disse Martinus Veltman, da Universidade de Michigan, ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1999. “Agora nós teremos que descobrir se ela tem todas as propriedades que se supõe que o Bóson de Higgs tenha.”

Cientistas fotografam a sombra de um único átomo

Com técnicas cada vez mais precisas, cientistas desta vez conseguiram a impressionante façanha de capturar a imagem da sombra de um átomo de itérbio.

Por Felipe Arruda em 5 de Julho de 2012

Esquema técnico (dir.) mostra como a sombra (esq.) foi capturada (Fonte da imagem: Reprodução/Griffith University)

Calma, a imagem acima não é um daqueles papéis de parede que acompanhavam sistemas operacionais de décadas passadas. Na verdade, por trás dela está uma façanha incrível: pesquisadores do Centro para Dinâmicas Quânticas da Universidade de Griffith, na Austrália, capturaram a imagem da sombra de um átomo.

De acordo com o coautor do artigo publicado na revista Nature, David Kielpinski, a sombra exibida na imagem revela exatamente o comportamento previsto de um átomo. Para a realização da imagem, os pesquisadores precisaram aprisionar o átomo de itérbio dentro de uma câmera de vácuo, segurado por campos magnéticos. Depois, o átomo foi exposto a uma frequência específica de luz que permitiu a captura de imagem por um microscópio de altíssima resolução.

De acordo com Kielpinski, se a frequência da luz fosse alterada em um bilionésimo de potência, a fotografia já não poderia ser realizada. Com esses experimentos, a ciência se beneficia de conhecimentos que poderão ser aplicados à computação quântica e, principalmente, a técnicas de microscopia voltadas para a biologia, atividade em que o excesso de luz acaba danificando amostras biológicas, como células e DNA.

Fonte: Cosmo Magazine

Bóson de Higgs: o que é, o que faz, e o que fazer com ele

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Por Cesar Grossmann em 5.07.2012 as 15:00

Nesta quarta-feira, 4 de julho de 2012, os cientistas do CERN, laboratório europeu de partículas de alta-energia, anunciaram que nos dados coletados em dois anos de colisões de prótons estão os rastros de uma estranha partícula, uma partícula que eles tem 99% de certeza de que é uma nova partícula, algo nunca visto antes em laboratório.

O bóson de Higgs é um dos componentes do chamado Modelo Padrão da Física. O que nos leva a outras perguntas…

Retrato de Família

A nossa história começa com a descoberta do elétron, em 1876, por J. J. Thompson. Em 1911 um outro inglês, Ernest Rutherford, propôs o primeiro modelo para o átomo, que seria composto por um núcleo e uma eletrosfera. Rutherford também foi o descobridor do próton, que ele achou que era uma partícula fundamental (ou seja, não composta de outras partículas).

A descoberta de outras partículas nos anos que se seguiram levaram à criação de um modelo que usava partículas fundamentais, os léptons e quarks, para formar outras partículas. O próton, por exemplo, foi modelado como sendo composto por dois quarks e um anti-quark.

Além dos léptons e quarks, seis de cada, conjuntamente chamados de férmions e que estão envolvidos na formação de partículas, foram propostos quatro bósons, que estariam envolvidos nas interações das forças – a força eletromagnética, que seria intermediada pelos fótons, e as forças nuclear forte, intermediada pelos glúons, e nuclear fraca, intermediada pelos bósons W e Z.

Para completar a família, haveria ainda uma partícula para intermediar a gravidade, o Gráviton (ainda não detectado), e o bóson de Higgs, que não participaria da constituição de nada, mas que seria responsável pela massa das outras partículas.

Bóson ou Campo? Os dois

Cabe aqui uma observação. O bóson de Higgs é o quantum de um campo, chamado campo de Higgs. Em outras palavras, o menor valor de um campo de Higgs é um bóson de Higgs, ou ainda, o campo de Higgs é feito de bósons de Higgs. E onde está este campo? Em todo o universo. Estamos todos mergulhados neste campo, que está em todos os lugares, sem faltar em lugar nenhum.

A interação das partículas com o campo de Higgs é que daria a massa a estas partículas, e não só a elas, mas também aos intermediadores das forças (menos a força eletromagnética, intermediada pelo fóton, que tem massa zero, ou seja, não interage com o campo de Higgs). Sem o campo de Higgs, não haveria massa, não haveriam átomos, não haveriam moléculas, não haveriam planetas, não haveriam estrelas, não haveriam reações químicas, não haveria vida, não haveria eu, nem haveria você.

Voltando ao Modelo Padrão, as partículas fundamentais, todas elas, foram sendo encontradas, uma a uma, nos laboratórios. Só o bóson de Higgs que não. E isto era um problema. Sem encontrar o bóson de Higgs, ninguém sabia exatamente quais as propriedades dele. Algumas propriedades podiam ser previstas, mas outras, não. Ironicamente, a massa do bóson de Higgs era uma das propriedades que não podia ser prevista.

Caçada ao bóson, ou fogos de artifício para Higgs

Os modelos também prediziam uma outra coisa, para que o bóson pudesse ser detectado, seria necessário acertá-lo com uma cacetada de energia. Mais precisamente, com uma martelada maior que 1,4 TeV (tera elétron-volts), ou 10¹² elétron-volts. Parece bastante energia, mas só no mundo microscópico. Você vai precisar 100.000.000 TeV para acender uma lâmpada de 100W por um segundo. Ou, dito de outra forma, um mosquito voando tem 1 TeV. Só que um mosquito tem muitos, mas muitos prótons. Se você der esta energia toda para um só próton, e fizer ele bater de frente com outro próton que tenha também 1 TeV, o impacto vai destruir os dois prótons em uma chuva de partículas menores.

Entra em cena o LHC (Grande Colisor de Hádrons). Ele foi feito para colidir prótons com 7 TeV, ou seja, 5 vezes o valor mínimo teórico. Só que ele estava operando em 4 TeV, que não é sua capacidade plena, mas ainda é o suficiente para criar colisões interessantes. Dois anos colidindo partículas, e hoje temos o anúncio feito por duas das equipes do LHC de que eles tem 99,9% de certeza que descobriram uma nova partícula que tem todo o jeito de ser o bóson de Higgs.

Rescaldo, perspectivas

E agora, o que vai acontecer? Para que será usado o bóson de Higgs? Muita coisa, começando pela física teórica. A descoberta desta partícula a deixa à disposição dos cientistas para análise de suas propriedades. Já sabemos, por exemplo, que o bóson de Higgs tem massa de aproximadamente 133 prótons, ou 125 GeV/c² (sim, a massa está sendo expressa em termos de energia dividida pela velocidade da luz ao quadrado, m = E/c²), e este é só o começo.

O que mais dá para fazer com o bóson de Higgs, além de entender a natureza e o universo em um nível realmente profundo? Nada mais. Talvez da tecnologia usada para encontrar o bóson saia alguma coisa para o cidadão comum, mas o objetivo nunca foi este: sempre foi responder a perguntas essencias, como “do que é feito o universo”. O conhecimento é, sem sombra de dúvida, a maior aventura humana, e a descoberta do bóson de Higgs é parte desta aventura.[Wired, Reuters, CERN, Terra Notícias, Ceticismo.net, Superinteressante]

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O que é o bóson de Higgs?

Por – Felipe Ventura 04 jul, 2012 – 03:36

Hoje o CERN sinalizou que finalmente pode ter encontrado o bóson de Higgs. Mas o que é isto, por que alguns o chamam de “partícula de Deus”, e qual sua importância? O Giz explica.

O bóson de Higgs é uma partícula subatômica…

O Modelo Padrão é uma das teorias mais proeminentes (mas não a única) que tenta descrever como o universo é organizado: as partículas que formam os átomos, a matéria que existe, e as forças que agem sobre ela.

O modelo padrão faz parte da física de partículas, dedicada a reduzir nosso universo tão complicado em seus componentes mais simples. Fazemos isso há séculos: começamos com os átomos; depois vieram prótons, nêutrons e elétrons; e finalmente os quarks e léptons.

O modelo padrão postula que a matéria é composta por 12 partículas: seis tipos de quarks, e seis tipos de léptons. Segundo o modelo, quarks e léptons são indivisíveis.

Além dessas partículas, o modelo padrão reconhece quatro forças fundamentais: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca. Cada uma delas tem uma partícula correspondente, que atua sobre a matéria – é o bóson.

…que explica porque existe massa no universo…

Só que essa teoria tem uma grande lacuna: por que algumas partículas têm massa, e outras não? O modelo não explica a existência de massa, só que ela é muito importante. Se não fosse pela massa, todas as partículas fundamentais estariam andando pelo universo à velocidade da luz, sem nunca formar átomos ou matéria.

O mecanismo de Higgs foi proposto em 1964 por seis físicos – entre eles Peter Higgs – para cobrir essa lacuna.

…através do campo de Higgs.

O modelo postula que as partículas não têm massa inerente: na verdade, elas ganham massa passando pelo chamado campo de Higgs. Algumas passam direto por esse campo, sem interagir com ele, e portanto continuam sem massa. Enquanto isso, outras partículas ganham massa: quanto mais elas interagem com o campo, mais pesadas se tornam.

E onde fica esse campo? No universo inteiro. Ele surgiu um trilionésimo de segundo após o Big Bang: todas as partículas criadas não possuíam massa e eram todas iguais. Quando o universo esfriou, criou-se o campo de Higgs, que dá massa às partículas.

Mas, assim como todos os campos de força, ele precisa de uma partícula correspondente. Essa partícula é o bóson de Higgs. Ele é fundamental para a física quântica que conhecemos hoje.

O bóson de Higgs é conhecido por “partícula de Deus”…

O físico Leon Lederman, ganhador do Prêmio Nobel, publicou em 1993 um livro sobre o bóson de Higgs, chamado “A Partícula de Deus: Se o Universo é a resposta, qual é a pergunta?”. No livro, Lederman diz que o bóson de Higgs pode resolver tantos problemas da física, que só poderia ser considerado uma partícula divina. Mas a alcunha “partícula de Deus” só veio porque o editor do livro não gostou da sugestão de Lederman, que queria chamá-la de Partícula do Diabo.

O físico tcheco Luboš Motl apoiou o nome “Partícula de Deus”, e traçou um paralelo entre o livro Gênesis, da Bíblia, à formação do espaço de Higgs. Motl é ateu, e descreve aqui a versão “cientificamente correta” da formação do universo.

A expressão “partícula de Deus” é bastante usada pela mídia, mas os cientistas criticam seu uso por diversos motivos – entre eles, por criar um debate religioso onde não há. O físico Henrique Xavier, do Instituto de Física da USP, deixa claro nesta página qual a relação entre a questão teológica e a descoberta do bóson de Higgs: “nada”.

…e pode ter sido descoberto pelo CERN…

Apesar de postulado há cinquenta anos, até hoje ninguém provou empiricamente a existência do bóson de Higgs. Há tempos, cientistas usam colisores de partículas para procurar evidências de que o bóson de Higgs existe. Na verdade, eles nem sabem qual a massa dessa partícula – e o modelo não responde isto.

O que fazer? Verificar, em várias faixas de massa, se existe o bóson de Higgs. Os cientistas conseguiram excluir sua existência em diversas faixas de massa, restringindo-o entre 115 e 141 GeV, ou gigaelétron-volts. (Cientistas medem a massa das partículas como se fosse energia, já que toda massa tem uma equivalência em energia.)

Hoje, o CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares) divulga que encontrou “sinais claros de uma nova partícula, ao nível 5 sigma, com massa ao redor de 126 GeV”. 5 sigma significa 99,9999% de certeza, ou seja, trata-se de algo realmente relevante. “Isto é de fato uma nova partícula. Sabemos que deve ser um bóson, e este é o bóson mais pesado já encontrado”, diz o físico Joe Incandela do CERN.

Quer dizer, eles descobriram um novo bóson na faixa de massa do bóson de Higgs, e que se comporta como ele. Então eles acharam a partícula sem sombra de dúvida? Calma. Eles estão bem empolgados, mas ao mesmo tempo cautelosos: “as implicações são bem significativas, e é precisamente por este motivo que precisamos ser extremamente diligentes em todos os nossos estudos”.

…usando o Grande Colisor de Hádrons, ou LHC.

O LHC é o acelerador de partículas do CERN. Ele tem formato de anel, com circunferência de 27km, e fica abaixo do solo na fronteira entre a França e a Suíça. O LHC colide prótons a uma velocidade próxima a da luz para simular as condições do Big Bang. Assim, é possível encontrar partículas e verificar se a teoria do Modelo Padrão está certa.

Mas o bóson de Higgs é difícil de se observar. Acredita-se que ele só apareça em níveis de energia tão altos que só poderíamos gerá-lo usando o LHC. Além disso, o bóson de Higgs decai muito rápido – ou seja, se transforma em outras partículas – e não pode ser visto diretamente. Mas o modelo padrão prevê como o bóson de Higgs decai: se for encontrado o mesmo padrão, a teoria se confirma. Foi isso o que aconteceu: o CERN descobriu um bóson que se comporta como no modelo padrão.

O LHC é usado por dois grupos de pesquisa independentes, o CMS e o ATLAS. Apesar de usarem o mesmo aparelho, os resultados são separados. Mesmo assim, ambos chegaram à mesma conclusão: há uma nova partícula que pode ser o bóson de Higgs.

Agora, os dois grupos vão continuar testando como a nova partícula decai. Se os resultados seguirem conforme o previsto pelo modelo padrão, estará confirmado: trata-se mesmo do bóson de Higgs. Os estudos ainda serão publicados em periódicos científicos.

Mas ele pode não existir…

Pode ser que, aprofundando os estudos, o bóson de Higgs na verdade não exista. Se for o caso, este ano os cientistas param de procurar por ele. “Se percebermos uma falta de eventos em toda a faixa de massa, então claramente nós vamos começar a desfavorecer a presença do modelo de Higgs padrão em dados do LHC”, diz um porta-voz do grupo CMS.

Mas, como lembra o físico Matt Strassler, da Rutgers University, não precisamos de um bóson de Higgs para explicar a massa. Segundo ele, físicos só procuram pela partícula porque é a forma mais fácil de acessar o campo de Higgs.

Se a partícula não existe, há outras possibilidades. Por exemplo, é possível que o campo de Higgs não esteja vinculado a nenhuma partícula. Pode ser que uma quinta força desconhecida dê massa à matéria. Ou pode ser que o segredo se esconda na quarta dimensão. Há diversas teorias alternativas que podem tomar o lugar do bóson de Higgs – basta provar que ele não existe.

…e por mais que exista, ele ainda deixa muitas perguntas em aberto.

Se a existência do bóson de Higgs for confirmada, ainda restam muitas dúvidas. Ele explica a matéria, objeto central do modelo padrão, mas e o restante? Acredita-se que apenas 4% do universo é matéria: o restante seriam matéria escura e energia escura, que podem ser ainda mais difíceis de se observar.

Como lembra o próprio CERN, a jornada continua.

[BBCHow Stuff WorksG1Info]

Cientistas descobrem ‘pistas’ do que pode ser a “partícula de Deus”, entenda…

Gráfico distribuído pela Cern que representa colisão de partículas

Cientistas do Cern (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) anunciaram nesta quarta-feira terem descoberto uma nova partícula subatômica que pode ser o tão procurado Bóson de Higgs, conhecido como a “partícula de Deus” e considerado crucial para entender a formação do Universo.
“Confirmo que uma partícula foi descoberta e é consistente com a teoria do Bóson de Higgs”, declarou John Womersley, executivo-chefe do Conselho de Ciência e Tecnologia em Londres, que está trabalhando com o Cern.
O resultado foi considerado preliminar, mas um indicativo “forte e sólido” da partícula. Ainda assim, são necessárias mais pesquisas para comprovar que o que eles viram é de fato a partícula de Higgs.
Os cientistas alegam ter encontrado uma “curva” nos dados sobre as variações de massa das partículas geradas no imenso acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons. Essa “curva” corresponde a uma partícula que pesa 125,3 gigaelectronvolts (Gev) – cerca de 133 vezes mais pesada do que o próton existente no âmago de cada átomo.
O que não se sabe é se a partícula descoberta é realmente o Bóson de Higgs, uma variante ou uma partícula subatômica completamente nova, que leve a reformulações das teorias sobre a formação da matéria.
“É de fato uma nova partícula. Sabemos que deve ser um bóson, e o bóson mais pesado já conhecido”, disse o porta-voz dos experimentos, Joe Incandela. “As implicações são significativas, e é justamente por isso que precisamos ser diligentes em nossos estudos e checagens.”
Entenda o que são as pesquisas e sua importância:

O que é o Bóson de Higgs?

Segundo teorias da Física que aguardam comprovação definitiva, Higgs é uma partícula subatômica considerada uma das matérias-primas básicas da criação do Universo.
Existe uma teoria quase completa sobre o funcionamento do Universo, com todas as partículas que formam os átomos e moléculas e toda a matéria que vemos, além de partículas mais exóticas. Esse é o chamado Modelo Padrão.
Mas há um “buraco” na teoria: ela não explica como todas essas partículas obtiveram massa. A partícula de Higgs, cuja teoria foi proposta inicialmente em 1964, é uma explicação para tentar preencher esse vácuo.
Segundo o Modelo Padrão, o Universo foi resfriado após o Big Bang, quando uma força invisível, conhecida como Campo de Higgs, formou-se junto de partículas associadas, os Bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.

Por que a massa é importante?

A massa é simplesmente uma medida de quanto qualquer objeto – uma partícula, uma molécula, um animal – contém em si mesmo. Se não fosse pela massa, todas as partículas fundamentais que compõem os átomos e os animais viajariam pelo cosmos na velocidade da luz, e o Universo como o conhecemos não seria agrupado em matéria.
A teoria em questão propõe que Campo de Higgs, permeando o Universo, permite que as partículas obtenham massa. Esse processo pode ser ilustrado com a resistência que um corpo encontra quando tenta nadar em uma piscina. O Campo de Higgs permeia o Universo como a água enche uma piscina.

Como se sabe que o Higgs existe?

A caça ao Higgs é uma das razões que levaram à construção do imenso acelerador de partículas Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), do Cern (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear), na Suíça. A primeira vez que se falou da partícula foi em 1964, quando seis físicos, incluindo o escocês Peter Higgs, apresentaram uma explicação teórica à propriedade da massa.
O Modelo Padrão é um manual de instruções para saber como funciona o cosmos, que explica como as diferentes partículas e forças interagem. Mas a teoria sempre deixou uma lacuna – ao contrário de outras partículas fundamentais, o Higgs nunca foi observado por experimentos.
Agora, os pesquisadores do Cern dizem que descobriram uma partícula que pode ser o Bosón de Higgs, mas destacam que mais pesquisas são necessárias para confirmar a descoberta.

Como os cientistas buscam o Bóson de Higgs?

Ironicamente, o Modelo Padrão não prevê a existência de uma massa exata para o Higgs. Aceleradores de partículas como o LHC são utilizados para pesquisar a partícula em um intervalo de massas onde ela possa estar.
O LHC esmaga dois feixes de prótons próximos à velocidade da luz, gerando uma série de outras partículas. É possível que o Higgs nunca seja observado diretamente, mas os cientistas esperam que ele exista momentaneamente nessa “sopa” de partículas. Se ele se comportar como os pesquisadores esperam que ele se comporte, pode se decompor em novas partículas, deixando um rastro de provas de sua existência.

Quais evidências os cientistas podem encontrar?

O Bóson de Higgs é instável. Caso seja produzido a partir das bilhões de colisões no LHC, o bóson rapidamente se transformará em partículas de massa menor e mais estáveis. Serão essas partículas os indícios que os físicos poderão usar para comprovar a existência do bóson, que aparecerão como ligeiras variações – como a anunciada nesta quarta – em gráficos usados pelos cientistas. Portanto, a confirmação se dará a partir de uma certeza estatística.

E se o Bóson de Higgs não for encontrado?

Caso se comprove que o Bóson de Higgs não existe, a teoria do Modelo Padrão teria de ser reescrita. Isso poderia abrir caminho para novas linhas de pesquisa, que podem se tornar revolucionárias na compreensão do Universo, da mesma forma que uma lacuna nas teorias da Física acabou levando ao desenvolvimento das teses da mecânica quântica, há um século.

Como o Bóson de Higgs pode mudar a Física como a conhecemos


Físicos podem ter comprovado experimentalmente a existência da partícula que deu origem ao universo.

Por Maria Luciana Rincon Y Tamanini em 3 de Julho de 2012

(Fonte da imagem: Reprodução/CERN)

De acordo com o pessoal do site Dvice, a CERN — Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear — deve anunciar nesta quarta-feira, com 99,99% de certeza, que foram encontradas evidências sobre a existência do Bóson de Higgs.

A teoria sobre a existência do Bóson de Higgs — partícula elementar que surgiu logo após o Big Bang e que teria dado origem a toda a matéria existente no universo — apareceu ainda na década de 60, mas, até agora, os cientistas não haviam conseguido provar a sua existência com nenhum tipo de experimento. Até agora, aparentemente.

Modelo padrão da física de partículas

Todas as partículas fundamentais que constituem a matéria, assim como suas forças, foram descritas pelo modelo padrão. Assim, é através dele que os físicos conseguem desenvolver os equipamentos necessários para comprovar a existência dessas partículas teóricas.

Até o momento, a existência de todas elas — de quarks a neutrinos — já foram detectadas experimentalmente, confirmando que o modelo padrão estava correto. A última delas seria o Bóson de Higgs, que demorou tanto tempo para ser detectado devido à energia necessária para reproduzir um em laboratório.

 

Fonte da imagem: Reprodução/CERN)

O modelo padrão explica quase tudo

O modelo padrão também serve para predizer como essas partículas devem se comportar. Contudo, é somente através dos experimentos que os físicos podem comprovar se o modelo realmente tem razão.

E, embora esteja absolutamente correto sobre a existência de muitas coisas, existem algumas questões superimportantes que não conseguiram ser explicadas ainda. Entre algumas delas estão a força da gravidade, o tempo, a matéria escura e a antimatéria.

Portanto, caso realmente seja confirmada a existência do Bóson de Higs amanhã, os físicos poderão se preocupar em conseguir explicar algumas das questões que mencionamos acima. Por outro lado, caso a sua existência não seja confirmada, isso significaria uma falha na base da física padrão, e quem sabe os cientistas não tenham que partir para uma nova e revolucionária teoria?

Fontes: Dvice e CERN

Leia mais em: http://www.tecmundo.com.br/mega-curioso/26100-como-o-boson-de-higgs-pode-mudar-a-fisica-como-a-conhecemos.htm#ixzz1zasAzz8S

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