boletimSPQ-094-031-15 bolhas de sabao

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(Parte 1 de 2)

31Química e Ensino

I.Preparação: no rescaldo do Euro 2004,receitas para as claques

“I would remind you then that when we want to find out anything that we do not know, there are two ways of proceeding. We may either ask somebody else who does know, or read what the most learned men have written about it, which is a very good plan if anybody happens to be able to answer our question; or else we may adopt the other plan, and by arranging an experiment, try for ourselves.”

C. V. Boys, Soap Bubbles: Their Colors and Forces Which Mould Them.

1. Breve historial a.E. (antes do Euro)

A primeira vez que me deparei com bolas de sabão gigantes, a sério!, foi aqui há uns anos largos, após a queda do muro de Berlim: a televisão transmitia um programa de variedades, onde a estrela, creio que um malabarista vindo de um dos países de Leste, dominava de forma impressionante a técnica de as produzir. Metia bolas dentro de bolas, saía e entrava paulatinamente de dentro e para dentro delas, enchia-as de fumo de cigarro e dava-lhes todas as formas possíveis e imaginárias. E ele não era nenhum anão, até era avantajado. Também não creio que se tratassem de efeitos especiais – por cá os tugas ainda não eram especialistas nisso.

Da segunda vez, deparei-me com outras bolas no Encontro da SPQem Guimarães/Braga, dedicado ao tema “A Cor”: à laia de recepção dos participantes e de forma muito bem humorada, mostrando uma das facetas do Professor Hernâni Maia, seu promotor, os estudantes produziam-nas, ao mesmo tempo que distribuíam um papelinho verde com a cobiçada receita. Este papelinho guardei-o religiosamente em parte incerta, para reler em altura mais oportuna.

Da terceira vez as bolas perseguiam-me de novo, vindas do Norte, atrás do Excelentíssimo Ministro Mariano Gago, durante um Forum Ciência Viva no Parque da Nações.

Decididamente as bolas andavam atrás de mim.

doAlém do mais, o Técnico começou

Na altura do Carnaval, resolvi animar o pagode tristonho que sofria pelas garras da recessão. Viviam-se então tempos de triste calmaria, sem vento para soprar as velas, ou seja, sem massa para os projectos. De facto, uma curta visita à contabilidade do IST, confirmou as piores suspeitas: as pessoas pareciam mais calmas, tinham menos olheiras pois o ritmo das noitadas necessárias à entrega de relatórios de contas e novas propostas tinha indiscutivelmente abrandaentão a cobrar dívidas antigas, o que me levou a pensar que finalmente tinha conseguido pôr as contas em dia. Por detrás deste panorama de organização burocrática falsamente positivo, escon-

Bolas de Sabão: preparação,estrutura e propriedades

MÁRIO NUNO BERBERAN E SANTOS,CLEMENTINA TEIXEIRACentro de Química-Física Molecular, Instituto Superior Técnico, 1049-001 LisboaCentro de Química Estrutural, Instituto Superior Técnico, 1049-001 Lisboapor Clementina Teixeira

Bola de sabão, memória indelével da infância.

Efémera esfera furta-cores feita de coisa nenhuma.

Soprada para o ar, abandona-se à brisa e às correntes. Ao menor toque, ou por puro capricho, desfaz-se silenciosa em ínfimos salpicos.

32 QUÍMICA diam-se os sinais da crise e a quebra no financiamento externo (e interno!)...

Temporariamente livre da burocracia inerente a quem se arma em free lancer no campo de projectos da ciência e quejandos, parei para reflectir e imaginar como poderia combater experimentalmente esse marasmo. Contagiada pelas festas Carnavalescas da tão menosprezada zona do interior do País (Penamacor) andei à procura do papel verde e achei:

Paper verde Autores incógnitos, Universidade do Minho, Guimarães/Braga Receita para fazer bolas de sabão gigantes: 10 partes de água, de preferência destilada 1 parte de detergente concentrado Fairy (não temos comissão nas vendas) 0,25 partes de glicerina

Comprovei que funcionava, rodeada por familiares que rapidamente se integraram na brincadeira e fizemos furor. Aprimorei então a mistura e bisbilhotei nos livros. Afinal existem muitas mais receitas o que comprova a impossibilidade de controlar de forma sistemática todos os factores que afectam a formação destes curiosos fenómenos, nomeadamente:

1. A qualidade da água, em especial a sua dureza.

2. O tipo de detergente, sabão ou champô. Dado o grande número de aditivos presentes, deve ser sempre indicada a sua marca.

3. As condições atmosféricas: temperatura, humidade e existência de vento.

4. O tipo de dispositivo usado para fazer as bolas e as formações tubulares.

5. A destreza do operador.

Passemos a analisar cada um destes factores:

–Verifiquei que a água destilada da drogaria pode ser perfeitamente substituída por água da torneira, a não ser que esta seja especialmente dura, o que se mani- festa pela dificuldade em fazer espuma nas nossas utilizações diárias.

– O detergente para louça foi imediatamente chumbado e substituído por champô, gel de banho ou sabão líquido não irritantee este, preferencialmente, de glicerina. De facto, os rótulos do Fairy e detergentes similares são bem específicos quanto ao facto de serem irritantes para a pele, com recomendações de que sejam mantidos fora do alcance das crianças. São também conhecidas as dermatoses e alergias provocadas por estes produtos de limpeza. Ora, ao rebentarem, as bolas projectam a mistura para a cara, olhos e esta pode até ser aspirada pelas crianças que acabam sempre soprando e tornando a soprar (ginástica respiratória recomendada pelos pediatras?). Nesses casos o champô de bebé, mais inócuo, impõe-se. Além disso a glicerina também não é inócua e para brincadeiras de soprar com palhinhas basta fazê-lo apenas com mistura de champô e água. Como alguns autores aconselham a substituição de glicerina por açúcar, ou xaropes de açúcar, testei também algumas receitas com essa composição e acabei, para tornar a mistura ainda mais inócua por utilizar uma mistura de água, champô de bebé e mel!

As receitas são mais eficazes no exterior com o tempo húmido e pouco ventoso, o que é óbvio, dado que a evaporação da água é a morte da bolha. Convém também ter em conta a sujeira que a actividade provoca caso seja feita dentro de casa: piso muito escorregadio, manchas de glicerina difíceis de tirar (da

ficam manchadosProibida também é

roupa dos estendais dos vizinhos) dos revestimentos de granito da cozinha que a utilização de lixívias para a limpeza do local do crime, dada a sua incompatibilidade com os detergentes e a redutora glicerina (ver Tabela 1).

Quanto ao material para fazer as bolhas e graças à minha tendência para aproveitar e reciclar tudo, penso que são úteis os seguintes objectos, muitas vezes deitados ao lixo:

Para soprar e fazer bolas pequenas e médias:

• palhinhas de refresco

• carrinhos de linhas

• argolas metálicas ou plásticas para fazer queijos frescos

• rolos de cartão das embalagens de papel aderente e de alumínio da cozinha

• batedor de claras de arame enrolado

• anéis de plástico de utensílios diversos

• chaminés de vidro de candeeiros (cuidado)

Para fazer tubos e bolas gigantes:

• argolas de ferro com pega vertical para segurar,

• suspensores de vasos de jardim

• formas de tartes com buraco circular

• Até jantes de pneus!

Além da forma também interessa a qualidade do material usado para suporte

Tabela 1Propriedades da glicerina do filme. O vidro e o ferro são mais eficazes do que o plástico. No entanto, o vidro pode partir e tornar-se perigoso se levado à boca e o ferro, se apresentar ferrugem, acaba por contaminar as soluções.

Garrafões de plástico, frascos de compota e outras embalagens de produtos caseiros são óptimos para o armazenamento das saponárias por longos períodos (meses). Se forem utilizados materiais plásticos de cozinha para armazenamento não podem ser usados de novo para preparar alimentospois alguns componentes da mistura ficam adsorvidos. A saponária resulta melhor no dia seguinte, após um período de repouso.

Quanto à minha destreza, estimulada pela euforia do rock e do EURO, foi suficiente para contagiar a Zé Afonso (FCUL), o Mário Nuno, e também os meninos do infantário da APIST, com quem passei uma tarde bem divertida.

Deitar a saponária numa tina grande. Mergulhar a argola na mistura e retirá-la com cuidado, de forma a que nela se forme um filme aderente. Deixar escor- rer o excesso de saponária, mas sempre mantendo o filme. Executar movimentos lentos erguendo a argola e deslocando-a contra o vento. Com um movimento rápido da argola, como quem faz efeitos de bola com a raquete do ténis, soltar a bolha gigante que imediatamente sobe no ar mostrando as cores do arco-íris. Para os tubos gigantes mergulha-se a argola e retira-se rapidamente puxando para cima logo após se ter formado o filme aderente.

2. Breve historial d.E. (depois do Euro)

Durante o Euro, o que restava da minha receita I ainda funcionava e foi excelente para acalmar as minhas claques familiares. Teria feito sucesso nos estádios se o suporte de vasos conseguisse furar a barreira dos pistácios. Mas mesmo cá fora, na vizinhança dos estádios, talvez tivesse conquistado novos adeptos para a Química – e que grande audência então teríamos! Como a temperatura subiu e a humidade desceu, foi preciso fazer alguns pequenos ajustes, mesmo no chutómetro, como diria Scolari. De facto, fazer bolas de sabão comprova a necessidade que existe em ultrapassar a teoria e experimentar mesmo, dada a dificuldade em controlar todos os parâmetros em jogo.

Fiz também com sucesso bolas brancas, cheias de vapor de água, produzidas pelo meu vaporizador Projetpara a asma. O caudal de vapor é óptimo, as bolas são bem brancas e opacas, alimentam de moléculas de água a fina membrana elástica retardando a sua evaporação e evitam a tradicional utilização do fumo de cigarro, para não ensinar as crianças a fumar! Só que, em vez de subirem, como seria de esperar, devido à menor densidade do vapor de água em relação ao ar, descem: na realidade a nuvem branca a que chamamos vapor é constituída por minúsculas gotículas de água líquida suspensas na mistura ar/vapor. Assim a bolha aumenta de peso e desce mais rapidamente.

As formulações que melhor permitem fazer bolas de sabão gigantes e duráveis não são em geral divulgadas, mantendo-se esotericamente ligadas à empresa ou ao artista que as produz. Por isso mesmo a optimização daquelas que aqui são apresentadas e de outras referenciadas na literatura, ou na Internet, pode constituir um projecto facilmente exequível em casa, com a participação da família. E por que não tentar filmá-las ou fotografá-las à laia de Walter Wick [2]?

3. Interpretação dos fenómenos

Para interpretar convenientemente a formação das bolas de sabão torna-se necessário recordar os seguintes conceitos [3,4]:

– quais as forças intermoleculares existentes na água (forças de van der Waals e pontes de hidrogénio) responsáveis pela sua elevada tensão superficial (Tabela 1).

– o que é a tensão superficial de um líquido e de que forma se manifesta. Salientar algumas das suas consequências: a elasticidade da superfície livre da água líquida; a esfericidade das gotas de água; o rápido colapso das bolhas de água, formando gotas, na ausência de um agente tensioactivo.

Caixa 1 Receitas Finais recomendadas

I) Champô ou sabão líquido, de glicerina ou não: 5 medidas (cerca de 200 g) Glicerina: 2 medidas (100 g) Água (destilada se necessário): 40 medidas (1400 g) Argolas metálicas de preferência em ferro. Misturar bem e armazenar. Mantém-se por longos períodos (meses).

I) Champô de bébé, mel em substituição da glicerina, em tudo o mais igual a I). A mistura não é tão eficaz e não foi testada para longos períodos de armazenamento.

I) Receita adaptada do J.Chem. Educ. [1] Solução A: 200 ml de sabonete líquido em vez do detergente 40 ml de glicerina 1260 ml de água

Solução B 40 g de açúcar branco 460 ml de água Misturar bem cada solução em separado e só no fim misturar as duas.

– caracterizar químicamente os agentes tensioactivos mais comuns: sabões e detergentes, tipos de detergentes e de que forma baixam a tensão superficial da água.

– explicar a auto-organização destas substâncias na água, dando origem a micelas, bicamadas e outros agregados.

– explicar o que é o efeito hidrofóbico e caracterizá-lo do ponto de vista estrutural e termodinâmico.

– quais as forças intermoleculares da glicerina e de que modo se comparam com as da água, referindo nomeadamente a sua temperatura de ebulição muito superior.

– explicar o que é a viscosidade de um líquido.

– o que é quimicamente um açúcar.

– discutir as propriedades redutoras da glicerina (segurança!) e dos açúcares.

I.Estrutura e propriedades: de Newton à modernidade

As obras científicas que tratam de bolas de sabão, e.g. [5-7], começam geralmente por uma introdução defensiva, em que se declara que o assunto não é (apenas) pueril, e que cientistas eminentes como Newton, Rayleigh, Gibbs, e Langmuir (grupo a que devemos acrescentar Perrin e de Gennes) não desdenharam de o investigar em pro- fundidade. Por outro lado, vários grandes pintores foram sensíveis à sua beleza, e dignificaram as bolas de sabão, retratando-as em quadros famosos, de Mignard (1674, Château de Versailles) a Manet (1867, Museu Gulbenkian). É ainda quase desnecessário acrescentar que as bolas de sabão podem e têm sido usadas na motivação dos jovens para a Ciência.

Os filmes transparentes de que são feitas as bolas de sabão observam-se em vários fenómenos do dia-a-dia onde estão presentes espumas aquosas: abluções com detergentes e champôs, libações com cerveja, etc.

Estas espumas e esferas ocas formamse com soluções aquosas de um tensioactivo, de que é exemplo o sabão clássico, constituído por uma mistura de sais de ácidos gordos, e.g. palmitato e estearato de sódio. Os tensioactivos são moléculas constituídas por duas partes distintas, uma “cabeça” polar (iónica ou não) e uma “cauda” apolar (uma cadeia alifática). A interacção da parte apolar com a água não é favorável termodinamicamente (sobretudo devido à diminuição da entropia da água), pelo que esta tende a ser segregada pela água, quer pela formação de agregados de tensioactivo (e.g. micelas), quer pela formação de uma (mono)camada superficial em que a parte polar fica orientada para o interior da solução, e a parte apolar fica orientada para o ar. Em ambos os casos, a parte apolar fica isolada do contacto com a água.

É a existência das monocamadas superficiais que explica a relativa estabilidade das bolas de sabão e das espumas. São constituídas por um filme aquoso, essencialmente uma camada fina de água (e algum tensioactivo) delimitada por

34 QUÍMICA figura 1Esquema de uma bola de sabão. A espessura está muito exagerada,quando comparada com o raio.A seta (à direita) indica a vertical.A espessura do filme é mínima no topo,e máxima na base.Na ampliação do filme (à esquerda),representam-se as duas monocamadas de tensioactivo, separadas por um meio aquoso. O tensioactivo representado é a base conjugada do ácido esteárico,componente típico de um sabão clássico (mas não de um detergente ou champô).

figura 2Fotografias de um filme de tensioactivo (detergente da louça diluído) colocado verticalmente,intervaladas de alguns segundos.Para suportar o filme usou-se uma tampa de biberão.Observam-se as franjas de interferência resultantes de iluminação com luz branca (lâmpada de incandescência) e o filme negro,que aumenta com o tempo.Na primeira imagem (A),observam-se faixas coloridas até à 6.ª ordem,e na segunda (B) até à 3.ª (ver caixa 2).por Mário Nuno Berberan e Santos duas monocamadas superficiais de tensioactivo, figura 1. Inicialmente, o filme tem uma espessura considerável, da ordem de vários µm. No entanto, essa espessura diminui depressa, quer por evaporação, quer por efeito da gravidade, que faz a água do interior do filme concentrar-se nas partes mais baixas, figura 1. Num filme disposto verticalmente, observa-se ao fim de pouco tempo a formação de bonitas faixas coloridas, figura 2, devidas a fenómenos de interferência construtiva e destrutiva da luz reflectida (ver caixa 2). A espessura é agora de algumas centenas de nm, isto é, da ordem de grandeza do comprimento de onda da luz visível. Pouco tempo depois, a parte superior perde a cor e parece negra por contraste. Na realidade é transparente, mas sem irisado, e ainda reflecte um pouco a luz. Essa zona tem uma espessura de uma centena de nm, ou menos. Na obra clássica Les Atomes [8], Jean Perrin discute estes filmes negros, aliás já descritos por

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