Investigando a areia mágica – interações em microescala 1

by Alfredo Mateus

Nesta série de artigos vamos mostrar experimentos simples para demonstrar fenômenos curiosos e intrigantes, relacionados com as interações moleculares. Fique atento para as próximas postagens! 

A “areia mágica” é um brinquedo em que grãos de areia coloridos se comportam de uma maneira bem diferente do normal. Veja o nosso vídeo com alguns experimentos que você pode fazer com ela.

Areia comum

No início do vídeo, mostramos que a areia comum, quando colocada em contato com a água, “molha” muito bem. Este é o comportamento que você esperaria da areia, se já brincou alguma vez em uma praia fazendo castelos. Para entendermos porque isso acontece, vamos dar uma olhada na estrutura da areia, que é constituída pelo dióxido de silício. Outros nomes para essa substância são sílica ou quartzo

Quando olhamos para a areia da praia ou usada em construções, vemos que ela é uma mistura de diversos materiais, e os grãos possuem diversas impurezas, que são responsáveis pelas diversas cores. Se tivéssemos apenas o dióxido de silício puro, ele seria completamente incolor. 

Nas imagens abaixo podemos ver uma representação para o dióxido de silício. Apesar de usarmos a fórmula SiO2, o dióxido de silício não possui moléculas como o dióxido de carbono, o CO2. O dióxido de silício é um sólido covalente, com tetraedros em que cada silício (cor cinza) está ligado a 4 átomos de oxigênio (cor vermelha).  Estes tetraedros se espalham por todo o cristal, formando uma grande rede de átomos conectados. Nós só mostramos na figura um pedaço bem pequeno, que deveria continuar em todas as direções com silício e oxigênio se alternando.

Mas, podemos reparar que o átomo de oxigênio bem no alto da ilustração é um pouco diferente. Ele representa um átomo de oxigênio que está na superfície do grão de areia. Como não existem mais átomos de silício acima dele, ele possui um átomo de hidrogênio, formando um grupo -OH.  Este grupo -OH consegue interagir bem com moléculas de água, formando ligações de hidrogênio. Assim, a água pode interagir bem com os grãos de areia.

O que é a "Areia Mágica"?

Como pudemos ver no vídeo acima, a areia “mágica” se comporta de uma maneira completamente diferente da areia comum perante a água. As gotas de água ficam sobre os grãos da areia mágica e não molham, se movendo livremente. 

A areia mágica é produzida a partir da areia comum, purificada e colorida com um corante. Para  modificar o comportamento da areia comum, precisamos nos livrar daqueles grupos -OH na superfície dos grãos. Para isso, se usa um reagente chamado trimetilsilanol. Na primeira imagem abaixo, podemos ver o trimetilsilanol chegando próximo a um grupo -OH. Após a reação (imagem 2), podemos ver que o trimetilsilanol “cobriu” o grupo -OH, e que houve a saída de uma molécula de água. 

Os grupos metil são apolares e não interagem bem com a água (imagem 3).

Quando a água é colocada sobre a areia mágica, podemos ver que as gotas se tornam esféricas, bem arredondadas. As moléculas de água não interagem bem com a areia mágica, mas interagem fantasticamente bem com outras moléculas de água. Esta atração entre as moléculas de água faz com que uma força apareça na superfície da água que faz com que a superfície tenda a ter a menor área possível. Esta força, a chamada “tensão superficial”, funciona como uma película elástica na superfície das gotas, fazendo com que as estas fiquem arredondadas. 

Investigando a areia mágica

No final do vídeo acima, vemos que o etanol (álcool etílico) não compartilha com a água o mesmo comportamento perante a areia mágica. Colocar álcool puro sobre os grãos de areia resulta neles se molhando com o álcool. Podemos investigar qual seria o comportamento de soluções com diferentes concentrações de água e álcool com a areia mágica. 

Prepare algumas soluções de água e álcool em diferentes recipientes. Nós usamos copinhos de remédio e conta-gotas plásticos. Para as nossas soluções, usamos o álcool absoluto, que é encontrado em farmácias. 

copo 1 – água pura (0% álcool)

copo 2 – 4 gotas de álcool e 16 gotas de água (20% álcool)

copo 3 – 8 gotas de álcool e 12 gotas de água (40% álcool)

copo 4 – 12 gotas de álcool e 8 gotas de água (60% álcool)

copo 5 – 16 gotas de álcool e 4 gotas de água (80% álcool)

copo 6 – álcool puro (100%)

Coloque uma camada fina de areia mágica em um recipiente largo (uma placa de Petri ou uma tampa de plástico funcionam bem para isso). 

Pingue duas ou três gotas de cada solução sobre a areia mágica e observe as diferenças de comportamento entre elas.

Last thoughts

Estes experimentos podem ser úteis para que os estudantes tenham contato com fenômenos ligados às interações moleculares e como a alta polaridade das moléculas de água leva a um comportamento fora do comum. É importante que os alunos possam ter oportunidades de exercitar o seu conhecimento conectando o nível microscópico, os modelos e os fenômenos macroscópicos.

Conseguir a areia mágica pode ser um pouco complicado, mas a boa notícia é que você pode reaproveitar a areia usada pelos alunos ao final da atividade. Alguns kits que vêm com a areia mágica contém uma peneira com um tecido fino, que deixa a água passar e retém a areia. Separando a maior parte da água, você pode deixar a areia secando por um dia e guardá-la para uso no ano seguinte. 

Gostou da investigação? Que outros experimentos você gostaria de fazer com a areia mágica? Coloque seu comentário abaixo. Compartilhe com seus amigos e colegas.

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2 comentários

Andréa 06/02/2022 - 8:17 am

Vc poderia indicar onde conseguir a areia mágica?

Resposta
Alfredo Mateus 06/02/2022 - 11:04 am

Este é um brinquedo que nem sempre está disponível nas lojas. O mais comum agora é uma areia chamada de areia cinética, que é usada para modelar, que também é hidrofóbica, mas os grãos grudam uns nos outros. No exterior é fácil de encontrar em lojas de produtos educacionais científicos, como em https://www.teachersource.com/product/magic-sand. Mas somando o dólar e o frete pode não valer a pena. Dê uma busca por “areia que não molha” ou “areia mágica”.

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