Âmbar: Uma introdução à química orgânica Teach article

Traduzido por António Daniel Barbosa. Sabia que o electrão e a electricidade foram baptizados devido ao âmbar, o ‘ouro’ do mar Báltico? A unidade curricular de Bernhard Sturm baseada nesta resina fossilizada introduz não apenas a condutividade mas também muitas outras características…

Introdução

Uma inclusão de âmbar
Imagem cortesia de Steev
Selby; fonte da imagem:
Wikimedia Commons

O âmbar tem sido usado como jóia, como um ingrediente de perfumes e na medicina popular ao longo de milhares de anos – mas também possui o seu lugar na ciência. Foi a primeira substância na qual o fenómeno electrostático foi observado pelo filósofo grego Tales de Mileto, 600 a.C., e deu à electricidade o seu nome: em 1601, o físico inglês William Gilbert, o primeiro a distinguir entre atracção magnética e eléctrica, criou o termo ‘electricus’ para a propriedade de atracção de pequenos objectos após terem sido friccionados, derivado de elektron (que significa brilhante), o nome grego do âmbar.

Fontes de âmbar na Europa.
Locais de descoberta de
âmbar a vermelho, rotas
históricas de âmbar a preto e
vermelho, rios a azul. Clique
na imagem para ampliar

Imagem cortesia de Johannes
Richter; Fonte da Imagem:
Wikimedia Commons

O âmbar consiste numa resina vegetal que fossilizou dentro da planta ou após ter escorrido desta. Peças de âmbar podem ter 20 a 320 milhões de anos, embora seja difícil ter a certeza: a datação por carbono-14 pode apenas ser usada em espécimes com até 50 000 anos. Assim, é necessário determinar a idade os sedimentos circundantes, que podem ser enganadores uma vez que o âmbar pode ter sido formado longe do local onde foi encontrado. Apesar de ser encontrado por todo o mundo, incluindo na República Dominicana onde âmbar azul raro é extraído, provavelmente os seus depósitos mais famosos na Europa estão no Mar Báltico, onde foram encontradas grandes quantidades. No entanto, o âmbar é também encontrado na Europa de leste, no Mar do Norte, nos Alpes, no norte de Espanha e na Sicília. Pedaços de âmbar rasgados do fundo do mar são lançados pelas ondas e recolhidos à mão, por dragagem ou mergulho. Noutros locais, o âmbar é extraído de minas, tanto em explorações a céu aberto como em galerias subterrâneas.

A macromolécula orgânica heterogenia amarela a vermelha fossiliza a partir de dois tipos de resinas vegetais macias e pegajosas: resinas terpenóides ou resinas fenólicas. As resinas terpenóides, produzidas por coníferas e angiospérmicas (plantas com flor), consistem em estruturas em anel formadas a partir de unidades de isopreno (C5H8). As resinas fenólicas são encontradas apenas nas angiospérmicas, e incluem lenhina, flavonoides e alguns pigmentos.

Âmbar Dominicano azul, com
25-40 milhões de anos

Imagem do domínio público;
fonte da imagem: Wikimedia
Commons

As resinas protegem plantas com lesões de danos posteriores, escorrendo para o exterior e endurecendo para formar uma defesa contra fungos invasores e insectos. As fracções voláteis da resina são perfumadas (pense no odor típico da resina do pinheiro), mas são as fracções pegajosas, não-voláteis, di-(C20) e tri-terpenóides (C30) que fossilizam em âmbar através de polimerização por radicais livres. Durante este processo de maturação, que ocorre ao longo de milhões de anos, pode ocorrer polimerização, isomerização, cross-linking e ciclização, formando uma mistura de substâncias com a fórmula geral C10H16O. Uma pequena quantidade de enxofre (até 1%) pode também estar presente.

Uma vez que o âmbar possui muitas propriedades clássicas dos compostos orgânicos, tais como ser combustível, não conduzir a electricidade e ser electrostaticamente carregável, é uma boa substância modelo para introduzir estes compostos em geral, apesar da sua composição variada e complexa. Ainda oferece a mais-valia de apresentar a química num contexto mais amplo, desta forma mais apelativa aos alunos que normalmente não estão interessados nestes assuntos, porque existem ligações às artes, biologia, ciências da terra e física.

Esta unidade curricular em cinco aulas é adequada para alunos com mais de 16 anos que já estejam familiarizados com a densidade, condutividade e circuito eléctrico. Poderá também fornecer livros de texto de anos anteriores para os alunos recordarem estes assuntos. A unidade curricular consiste em seis actividades centrais: ao longo de aulas de 45 minutos cada, grupos de alunos rodam através de postos, para que todos os grupos executem cada uma das actividades. Cada actividade demorará cerca de 20 minutos. Numa turma maior, poderá ser útil fornecer dois postos adicionais de cada actividade. Na aula final, os alunos apresentam os seus resultados à turma.

Correntes de âmbar para
bebés como esta são muito
úteis para as experiências

Imagem cortesia de Bernhard
Sturm

É possível aumentar a unidade curricular com actividades opcionais extra (ver abaixo), que podem envolver colegas de outras disciplinas. Alternativamente, o professor ou a turma poderão realizar todas ou parte das actividades como experiências de demonstração. Os métodos usados nas diferentes actividades são bastante variadas e os resultados tendem a ser facilmente recordados pelos alunos.

O âmbar requerido para estas actividades pode ser facilmente obtido através de lojas na internet. Uma corrente para bebés de 30 a 35 cm para a dentição, disponível por cerca de 8-20€, será suficiente para realizar as actividades principais com cerca de 30 alunos. Muitas vezes, os alunos também demonstram interesse em utilizar jóias de família. A única experiência que irá consumir ou danificar o âmbar é a combustão.

Actividades centrais

Para os alunos que são especialmente rápidos, poderá fornecer outros compostos orgânicos com os quais eles podem realizar as mesmas experiências e comparar com o âmbar. Estes podem ser: na Experiência 2, outros compostos orgânicos saturados como alcanos, por exemplo na forma de um bico de gás (com uma chama amarela) e um isqueiro; nas Experiências 3 a 6, plásticos de policloreto de vinilo e polietileno, bem como diferentes tipos de madeira (por exemplo pinheiro e carvalho, de um conjunto de cubos de densidade) e colofônia (resina para violino, usada para esfregar os fios do arco).

1) Origem geológica

Os alunos devem comparar a data e processo de formação de depósitos naturais de âmbar, petróleo e carvão, através de pesquisas na literatura e Internet. Devem avaliar criticamente a credibilidade das diferentes fontes de informação e anotar as datas e processos apresentados nas diferentes fontes. Para websites, devem anotar a data na qual foram consultados. Ver Tabela 1 para um exemplo do que podem encontrar.

  Fonte da informação
Tabela 1: Origem geologica do petróleo, carvão e âmbar
    dtv-Lexikon, Munich, 1966 http://en.wikipedia.org consultado a 31/03/2011
Petróleo Época Cretáceo, há 145-65 milhões de anos Há milhões de anos
Formação Pequenos organismos mergulharam até ao fundo do oceano, formando sapropel (lodo orgânico); foram digeridos no sedimento em condições anaeróbicas e de alta pressão. Grandes quantidades de zooplâncton pré-histórico e algas depositaram-se no fundo de um volume de água em condições anóxicas; a matéria orgânica misturada com lama foi soterrada debaixo dos sedimentos; o calor e a pressão levaram à formação do petróleo.
Carvão Época Carbonífero, 360-300 milhões de anos Carbonífero (359-299 milhões de anos)
Formação Plantas tropicais mortas mergulharam na lama onde foram cobertas por areia e argila; altas pressões e condições anaeróbias levaram à carbonização. Camadas de matéria vegetal acumuladas no fundo de um volume de água; a lama ou água ácida protegeram-nas da biodegradação e oxidação; foram cobertas por sedimentos e metamorfoseadas em carvão.
Âmbar Época Devoniano até ao Terciário, 400-40 milhões de anos Carbonífero superior (320 milhões de anos) e posterior
Formação Resinas que escorreram de árvores até ao solo, mergulharam para o fundo do mar após alterações climáticas e polimerizaram em condições anaeróbias. Resinas que se encontravam ainda na planta ou que escorreram e caíram no solo, muitas vezes adquirindo impurezas; altas temperaturas e pressões devido a sedimentos sobrejacentes conduziram inicialmente à formação de copal (um estado intermediário de polimerização e endurecimento, entre resinas mais pegajosas e âmbar); calor e pressão sustentados expeliram os terpenos, resultando na formação de âmbar.

2) Combustão

Recorde aos seus alunos que níveis elevados de carbono numa substância orgânica em combustão irão conduzir a uma chama fuliginosa. Os alunos devem por isso segurar uma peça de âmbar (em alemão Bernstein = Börnsteen = pedra que arde) com uma pinça de cadinho debaixo de um tubo de ensaio de vidro, e depois queimar o âmbar com um fósforo e observar a deposição de fuligem no tubo de ensaio.

Para relacionar a actividade com o tópico de poluição por partículas provenientes dos motores de combustão, os alunos podem variar as condições de combustão de um bico de Bunsen, abrindo e fechando o regulador e discutindo como evitar a produção de fuligem.

Nota de segurança

Usar óculos de segurança e não sobreaquecer o vidro, uma vez que este pode explodir. Não queime policloreto de vinilo (disponível como material opcional nas Experiência 3 a 6), o qual levaria à produção de dioxinas perigosas. Ver também as notas gerais de segurança da Science in School.


 

Comparação das chamas de compostos orgânicos a arder: metano, butano, petróleo, parafina, âmbar
Imagens cortesia de Bernhard Sturm
Âmbar (na frente) e sílex (na
balança) podem ser
distinguidos através da
determinação da sua
densidade. Clique na imagem
para ampliar

Imagem cortesia de Bernhard
Sturm

3) Densidade

Os alunos devem determinar a densidade do âmbar (1,050–1,096 g/ml), que é apenas ligeiramente superior à da água (cerca de 0,998 g/ml à temperatura ambiente). Nesta experiência, resultados mais precisos serão obtidos usando um pedaço de âmbar maior sem buracos. Eu tenho um pedaço de âmbar largo e um pedaço de sílex de tamanho semelhante e costumo dar ambos aos alunos, pedindo-lhes que determinem qual é qual através da medição das suas densidades.

Irá precisar de um pedaço de âmbar, de uma proveta, água (contendo uma pequena gota de detergente líquido para reduzir a tensão superficial e melhorar a precisão das medições) e uma balança.

Pese o pedaço de âmbar. Encha parcialmente a proveta com água e anote o volume. Adicione o âmbar e anote a diferença de volume. Calcule a densidade do âmbar da seguinte forma:

Densidade do âmbar [g/ml] = massa de âmbar [g] / (volume com o âmbar [ml] – volume sem o âmbar [ml])

Muitos compostos orgânicos possuem densidades semelhantes à da água (0,8 – 1.2 g/ml). O policloreto de vinilo é atípico, com uma densidade de 1,4 g/ml, devido aos seus átomos de cloro mais pesados.

4) Separação de âmbar de uma mistura de compostos orgânicos e inorgânicos

Os alunos vão aprender como separar âmbar a partir de rochas e areia, uma experiência com relevância prática para a mineração do âmbar.

  1. Pese um matraz vazio.
     
  2. Adicione um volume de água definido e pese o matraz novamente para determinar a massa da água.
     
  3. De seguida adicione uma mistura de areia, rochas e âmbar e pese o matraz novamente. Anote também o volume que contem.
     
  4. Gradualmente adicione sal e misture até o âmbar flutuar. Peso o matraz cheio novamente e anote o volume que contem.

Qual é a densidade da água salgada? Calcule da seguinte forma:

Densidade da água salgada [g/l] = [(massa do matraz no final (passo 4) – massa do matraz antes da adição do sal (passo 3)) + (massa do matraz com água (passo 2) – massa do matraz vazio (passo 1))] / [volume de água + (volume do matraz no final (passo 4) – volume do matraz sem o sal (passo 3))]

Esta deve ser naturalmente superior (>1,1 g/ml) à densidade do âmbar determinada na Experiência 3, caso contrário o âmbar não flutuaria.

Os alunos devem demonstrar as suas ideias de como esta técnica poderia ser desenvolvida numa tecnologia para a mineração contínua do âmbar (ver imagem abaixo).

Uma possível solução para separar âmbar de uma mistura de compostos orgânicos e inorgânicos
Imagem cortesia de Bernhard Sturm and Nicola Graf

5) Condutividade

Imagem cortesia de Bernhard
Sturm

Os alunos vão aprender que compostos orgânicos sólidos não conduzem a electricidade através da montagem de um circuito eléctrico usando uma fonte de energia, três cabos e uma lâmpada para testar a condutividade do âmbar. Se eles não estiverem familiarizados com a montagem experimental, poderá fornecer um livro de texto de física para eles consultarem.

6) Separação de cargas

Os alunos vão aprender sobre indução electrostática e separação de cargas, realizando a experiência electrostática de Gilbert: friccionar um pedaço de âmbar em lã e observar que atrai pequenos pedaços de papel ou, por exemplo, a medula seca do centro de um ramo de sabugueiro (Sambucus spp.). Também funcionará bem com pequenos pedaços de âmbar de uma corrente de bebé.

A experiência não irá funcionar adequadamente se o ar estiver húmido, uma vez que a água no ar conduzirá a electricidade e reduzirá a carga electrostática no âmbar. Dedos húmidos produzirão o mesmo efeito; para melhores resultados, os alunos podem usar pinças isoladas (plástico) para segurar o âmbar.

Actividades opcionais

Âmbar opaco
Imagem cortesia de V Girard /
D Néraudeau, UMR CNRS 6118

Manufactura de jóias

Para ligar a arte à química e promover as competências técnicas dos seus alunos, poderá desafia-los a produzir as suas próprias jóias de âmbar. Irá precisar de peças de âmbar bruto de pelo menos 15 mm de diâmetro. Lixar o pedaço de âmbar com lixa fina molhada (granulação 120–1000 de acordo com Coated Abrasive Manufacturers Institute), depois polir com pasta dos dentes. Passar por água e secar com papel de cozinha, depois esfregar com algum óleo de cozinha usando um pano. Furar o âmbar com uma agulha quente (este procedimento deve ser executado pelo professor) ou fazer um pequeno furo de 1-2 mm com uma broca. Passar o âmbar por um fio de nylon ou couro para fazer um colar ou pulseira.

Ligações à biologia

Para uma ligação à biologia, os alunos podem olhar para inclusões no âmbar e discutir em detalhe as resinas vegetais – qual a sua composição, onde estão presentes, qual a sua função e qual a estrutura da madeira?

Classificação do âmbar

As resinas de plantas são tão diversas que a composição química distinta é usada para identificar de que espécie de planta um pedaço de âmbar foi formado. Tal não significa que resinas semelhantes têm de ser provenientes de plantas semelhantes, no entanto: investigação recente revelou que resinas de composição molecular muito semelhante podem ser produzidas por plantas totalmente independentes (Bray & Anderson, 2009) – as diferenças podem ser muito pequenas. Com base nos seus constituintes químicos, cinco classes de âmbar são grosseiramente definidos:

  • Classe I: de longe a mais abundante, incluindo ácidos carboxílicos de labdatrieno; três subclasses
8(17),12,14-Labdatriene-19-oico, também conhecido como ácido comúnico
  • Classe II: formado a partir de resinas com uma base sesquiterpenoide, tal como o cadineno
Cadinenos, tais como -(α)- cadineno, são encontrados numa variedade de plantas produtoras de óleos essenciais incluindo zimbro-bravo (Juniperus oxycedrus)
  • Classe III: poliestirenos naturais
O poliestireno é formado pela polimerização de unidades de estireno
  • Classe IV: um conjunto de âmbares não polimerizados que consistem principalmente em sesquiterpenoides à base de cedrano
Cedrol, um cedrano comum encontrado no óleo de cedro
  • Classe V: considera-se ser produzido por um pinheiro ou por uma variedade de pinheiro; uma mistura de resinas diterpenoides e compostos n-alquil (R-NH-CH3)
Ládano, um diterpeno obtido originalmente do láudano, uma resina derivada das estevas (Cistaceae)
Imagens de domínio público; fonte das imagens: Wikimedia Commons; adaptados por Nicola Graf


Investigação dobre âmbar no ESRF

As peças de âmbar são abundantes fontes de fósseis. No European Synchrotron Radiation Faciliy (ESRF)w1 em Grenoble, França, são usados raios-X potentes para estudar inclusões em âmbar. Esta técnica é especialmente útil em peças de âmbar opacas, que são inacessíveis para os paleontólogos com técnicas clássicas de microscopia. Foram identificadas centenas de inclusões de animais do Cretáceo médio, de há 100 milhões de anos.

Noutro estudo no ERSF, os investigadores utilizaram a mesma técnica para obter imagens tridimensionais detalhadas de penas inclusas em âmbar translúcido, que podem ter pertencido a um dinossauro com penas – intermédio na evolução para as aves actuais.

Para mais informações, leia o relatório onlinew2 do ESRF, um dos membros do EIROforum, o editor da Science in School.

Reconstrução 3D de um insecto hymenoptera da família Falciformicidae, incorporados em âmbar ocupaco com 100 milhões de anos. Clique na imagem para ampliar
Imagem cortesia de M Lak, P Tafforeau, D Néraudeau (ESRF Grenoble and UMR CNRS 6188 Rennes)

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References

Web References

Resources

Institution

ESRF

Author(s)

Bernhard Sturm obteve o seu doutoramento em química no GKSS Research Centre Geesthacht, Alemanha. Ensina química e física na Neues Gymnasium, uma escola secundária em Oldenburg, Alemanha. O seu interesse principal consiste no trabalho interdisciplinar ligando as ciências e humanidades. Os seus alunos ganharam diversos concursos científicos sobre temas geocientíficos e climáticos. Estes resultados levaram Bernhard a ganhar o prémio Lower Saxony para professores em assuntos STEM em 2010.


Review

Bernhard Sturm, que já publicou outros agradáveis artigos na Science in School (Sturm, 2009), é um modelo de criatividade no campo do ensino da ciência.

Aqueles que consideram a química e a física assuntos aborrecidos deveriam tentar as actividades baseadas no âmbar propostas pelo autor. A partir deste material ancestral e seguindo as ligações sugeridas, um professor de ciência pode explorar muitos tópicos diferentes relacionados com o âmbar e descobrir relações inesperadas com a arte e as humanidades.

De facto, as diferentes actividades centrais oferecem a oportunidade para abordar a química orgânica (polímeros naturais e produzidos pelo homem), ciências da Terra (rochas sedimentares, fósseis, combustíveis fósseis), física (densidade, métodos de separação, condutividade e separação de cargas), ciências ambientais (combustão, poluição) e biologia (resinas de plantas, inclusões de âmbar).

Para os que se interessam por ligações interdisciplinares, a escolha é igualmente abrangente: arte e artesanato (fabricação de jóias), história (a Rota do Âmbar, Câmara de Âmbar) ou economia (mineração do âmbar e comercio), para nomear apenas algumas.

Finalmente, um professor necessita apenas de obter alguns pedaços do “ouro do Mar Báltico” (que é – felizmente – muito mais barato do que o ouro verdadeiro) para seguir Bernhard Sturm nas pegadas de Tales de Mileto, William Gilbert e outros.

O artigo pode fornecer uma leitura de background valiosa para a visita a um museu de História natural ou de ciência e pode ser também usado como exercício de compreensão. Perguntas possíveis incluem:

  1. Para determinar a idade de um pedaço de âmbar:
    1. o carbono radioactivo pode ser normalmente usado
    2. é necessário datar os sedimentos circundantes
    3. métodos diferentes são usados dependendo das circunstâncias.
  2. Qual dos materiais seguintes tem a densidade mais diferente da do âmbar?
    1. polietileno
    2. policloreto de vinilo
    3. madeira de carvalho
    4. colofônia

Giulia Realdon, Itália




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CC-BY-NC-SA