O despejo acidental de óleo nos oceanos tem ocasionado incontáveis prejuízos à vida marinha e à economia de regiões costeiras. Métodos tradicionais de tratamento do despejo geram resíduos de difícil descarte e nem sempre são eficazes. Por isso, pesquisadores desenvolveram um filtro capaz de separar óleo e água. O dispositivo é montado sobre uma malha de aço com uma sequência de camadas. A primeira camada é formada por um polímero de carga positiva, a segunda é composta por nanopartículas de sílica (SiO2) , a terceira é formada pelo mesmo polímero e a última é um surfactante, conforme apresentado na figura.
Representação esquemática do dispositivo
BROWN, P. S.; BHUSHAN, B. Mechanically durable, superoleophobic coatings prepared by layer-by-layer technique for anti-smudge and oil-water separation. Scientific Reports, v. 5, mar. 2015 (adaptado).
Na utilização desse dispositivo, a retenção do óleo ocorre
A) no surfactante.
B) na camada superior de polímero.
C) nas nanopartículas de sílica.
D) na camada inferior de polímero.
E) na malha de aço.
Resolução Em Texto
- Matérias Necessárias para a Solução da Questão:
- Química (Polaridade de Moléculas, “Semelhante dissolve Semelhante”)
- Química de Materiais (Surfactantes, Polímeros)
- Interpretação de Esquemas Moleculares
- Tema/Objetivo Geral: Identificar a camada de um filtro multifásico responsável pela retenção de óleo, com base na análise da polaridade de suas moléculas.
- Nível da Questão: Médio.
- A questão exige que o candidato infira a polaridade das camadas a partir de sua representação esquemática. É preciso saber que cadeias de carbono e flúor (como no surfactante) são apolares e que grupos com cargas explícitas (como no polímero) são polares. Além disso, é necessário aplicar o princípio “semelhante dissolve semelhante” para conectar o óleo (apolar) à camada correta.
- Gabarito: A
- A alternativa está correta porque o óleo é um composto apolar. O surfactante, com suas longas cadeias de carbono e flúor, é a única camada predominantemente apolar no dispositivo. Pelo princípio de “semelhante dissolve semelhante” (ou “semelhante retém semelhante”), o óleo irá interagir e ficar retido nesta camada.
PASSO 1 – O QUE A QUESTÃO QUER? (O MAPA DA MINA)
Decodificação do Objetivo: Em bom português, a missão é: “Este filtro tem várias camadas, como um sanduíche. Ele foi feito para separar água e óleo. Se o óleo é o ‘vilão’ que queremos capturar, qual das camadas do ‘sanduíche’ funciona como a ‘armadilha’ que o prende?”
Simplificação Radical (A Analogia Central): Pense na mistura de óleo e água como uma multidão de pessoas onde existem dois grupos que não se misturam: os que amam gatos (polares, como a água) e os que amam cachorros (apolares, como o óleo). O filtro é um segurança com várias barreiras. As barreiras poliméricas e de sílica são cobertas de fotos de gatos, atraindo e deixando passar a água. A barreira final, o surfactante, é coberta de fotos de cachorros. Quando a mistura passa, a água (“amante de gatos”) atravessa as primeiras barreiras, mas o óleo (“amante de cachorros”) chega na última barreira, se distrai com as fotos dos cachorros e fica “preso” ali. Nossa tarefa é identificar essa “barreira dos amantes de cachorros”.
Plano de Ataque (O Roteiro da Investigação):
- Estabelecer a Lei Universal: Vamos primeiro lembrar da regra de ouro da química: “Semelhante dissolve Semelhante”.
- Definir o Perfil do Alvo: Qual é a principal característica química do óleo? Ele é polar ou apolar?
- Investigar as Camadas: Vamos analisar a estrutura de cada camada do filtro para determinar sua polaridade.
- Encontrar a Correspondência: Vamos cruzar o perfil do óleo com o perfil de cada camada para encontrar a “armadilha” compatível.
PASSO 2 – DESVENDANDO AS FERRAMENTAS (A CAIXA DE FERRAMENTAS)
Para este caso, a ferramenta principal é o Princípio da Polaridade, a “lei de atração” do mundo molecular. Vamos criar um dossiê para ela.
DOSSIÊ: “SEMELHANTE DISSOLVE SEMELHANTE”
- A Lei: Moléculas com polaridades semelhantes tendem a interagir e se misturar. Moléculas com polaridades diferentes se repelem.
- Suspeito 1: Moléculas Polares
- Características: Possuem cargas elétricas (íons) ou uma distribuição desigual de elétrons (como a água, H₂O).
- Exemplo Principal: ÁGUA.
- Suspeito 2: Moléculas Apolares
- Características: Não possuem cargas e têm uma distribuição uniforme de elétrons. Geralmente são cadeias longas de carbono e hidrogênio (hidrocarbonetos).
- Exemplo Principal: ÓLEO.
Conclusão Forense: Para capturar o ÓLEO (Apolar), precisamos de uma “armadilha” que também seja APOLAR. Para deixar a ÁGUA (Polar) passar, as outras camadas devem ser POLARES.
PASSO 3 – INTERPRETAÇÃO GUIADA (MÃO NA MASSA)
Agora, vamos aplicar nosso dossiê para analisar as camadas do filtro, de baixo para cima.
- Malha de aço: É apenas o suporte físico. Não participa da separação química.
- Camada inferior e superior de polímero: O desenho mostra claramente cargas positivas (N⁺) ao longo da cadeia. A presença de cargas elétricas faz desta camada extremamente POLAR. Ela vai atrair a água.
- Nanopartículas de sílica (SiO₂): A sílica é um composto polar. A ligação Si-O é polarizada, e a estrutura geral permite interações fortes com a água. Esta camada também é POLAR.
- Surfactante: A molécula de surfactante mostrada tem duas partes: uma “cabeça” iônica (negativa) que se liga ao polímero, e uma longa “cauda” composta apenas por átomos de carbono e flúor (C-F). As ligações C-F são polares individualmente, mas a geometria simétrica e a longa extensão da cadeia fazem com que a molécula como um todo se comporte como predominantemente APOLAR (ou, mais especificamente, superoleofóbica em certas configurações, mas para a questão, a cauda apolar é a chave). Esta é a nossa “barreira dos amantes de cachorros”.
Conclusão da Investigação: A água (polar) passará facilmente pelas camadas de polímero e sílica (polares). O óleo (apolar) será repelido por essas camadas, mas ao encontrar a longa cauda apolar do surfactante, ele irá interagir e ficar retido.
🚨 ARMADILHA CLÁSSICA! 🚨
CUIDADO! O erro aqui é a intimidação pela complexidade do desenho. Um candidato pode se assustar com as estruturas químicas e tentar adivinhar. A chave é simplificar. Procure por pistas óbvias: cargas elétricas (+ ou -) significam POLAR. Cadeias longas sem cargas visíveis significam APOLAR. O óleo é apolar, então ele vai “grudar” na camada apolar.
A Bússola (O Perfil do Culpado):
- Síntese do raciocínio: A investigação baseada no princípio “semelhante dissolve semelhante” mostra que o óleo (apolar) será retido pela única camada do filtro que possui uma natureza predominantemente apolar: o surfactante.
- Expectativa: A alternativa correta deve ser o surfactante.
PASSO 4 – ALTERNATIVAS COMENTADAS (A AUTÓPSIA)
Vamos agora interrogar os suspeitos.
- A) no surfactante.
- Análise de Correspondência: Esta alternativa é o retrato falado da nossa Bússola. A longa cauda fluorocarbonada do surfactante confere a ele o caráter apolar necessário para interagir e reter o óleo, que também é apolar.
- Conclusão: 🟢 Alternativa correta.
- B) na camada superior de polímero.
- A “Narrativa do Erro”: O candidato pode pensar que, por ser a camada mais próxima do surfactante, ela participa da retenção.
- O “Diagnóstico do Erro”: Erro de Polaridade. A camada de polímero é explicitamente iônica (polar), devido às cargas N⁺. Ela irá repelir o óleo (apolar) e atrair a água (polar).
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
- C) nas nanopartículas de sílica.
- A “Narrativa do Erro”: Uma escolha aleatória, talvez por ser o componente “nanotecnológico”.
- O “Diagnóstico do Erro”: Erro de Polaridade. A sílica (SiO₂) é um composto polar que interage bem com a água, mas não com o óleo.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
- D) na camada inferior de polímero.
- A “Narrativa do Erro”: O mesmo erro da alternativa B.
- O “Diagnóstico do Erro”: Erro de Polaridade. Assim como a camada superior, este polímero é polar e irá repelir o óleo.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
- E) na malha de aço.
- A “Narrativa do Erro”: O candidato pensa no filtro de forma puramente mecânica, como uma peneira.
- O “Diagnóstico do Erro”: Foco Incorreto. A malha de aço é apenas o suporte estrutural. A separação descrita é um processo químico, baseado em interações moleculares, e não uma filtração mecânica baseada no tamanho dos poros da malha.
- Conclusão: 🔴 Alternativa incorreta.
PASSO 5 – O GRAND FINALE (APRENDIZAGEM EXPANDIDA)
Frase de Fechamento: Confirmamos que a alternativa A é a correta. Este caso é uma bela demonstração do poder do princípio “semelhante dissolve semelhante”, que nos permite projetar materiais inteligentes capazes de separar misturas complexas em escala molecular.
Resumo-flash (A Imagem Mental): O filtro é um segurança de festa: deixa os amigos da água (polares) passarem e barra o penetra do óleo (apolar) na porta.
Para ir Além (A Ponte para o Futuro): O mesmo princípio de usar superfícies com diferentes “polaridades” para controlar fluidos é a base do funcionamento das panelas antiaderentes (com Teflon). O Teflon é um polímero de fluorcarbono muito parecido com a cauda do surfactante da questão. É extremamente apolar. Alimentos como ovos e leite são ricos em água e proteínas, que são polares. Como polar e apolar se repelem, a comida não “gruda” na superfície da panela. A tecnologia que limpa o oceano é, em essência, a mesma que impede seu omelete de grudar.