Química sem Mistérios #1: O começo de tudo!

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Fala moçada! Tudo bem? Estréia de "sessão" nova no blog! Vamos falar de Química? Há muito tempo tinha vontade de falar sobre Química aqui no blog e acredito que agora é a melhor hora. Pretendo transmitir o pouco que aprendi na graduação (e por ai) focando principalmente nos leigos. Minha ideia é desmistificar a Química e mostrar que ela não é um bicho de sete cabeças como muitos insistem em ver. Espero que com o decorrer dos posts muitas pessoas que torcem o nariz para essa matéria passem a compreendê-la melhor e, quem sabe, gostar como eu gosto :D Ainda mais do que nas outras sessões do blog, aqui eu espero muitos comentários com dúvidas, sugestões e correções sobre os assuntos abordados, ok? Então é isso, se preparem para entrar no mundo da Química!

Boa leitura e não deixem de comentar!

R.

- Tudo começa com o átomo!

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 Tudo tem um começo. E quando falamos de Química esse começo é o átomo. Compreender o que é o átomo e sua estrutura básica é o início da jornada de um químico. Na maioria das vezes os professores iniciam o assunto apresentando a evolução dos modelos atômicos. Esse é um caminho interessante pois nos apresenta aos poucos ao átomo e seus constituintes. Apesar disso, o foco principal não deve ser a história por trás das descobertas, mas sim a compreensão do conceito de átomo e, principalmente, o entendimento do modelo considerado como o "mais completo" (ou mais atual).

Alguns de vocês com certeza já devem ter ouvido falar que a palavra "átomo" tem origem no grego e que significa "indivisível" (a-não, tomo-dividir). Historicamente essa palavra foi atribuída ao filósofo grego Demócrito (460-370 a.C.). 

Busto de Demócrito (FONTE:http://globomidia.com.br/sites/globomidia.com.br/files/democrito-busto.jpg).

Demócrito foi o principal defensor da teoria atomística, a qual pressupunha que havia um limite para a divisão da matéria. Ou seja, segundo essa teoria se uma pessoa pega uma pedra e começa a quebrar em pedaços cada vez menores, chegara uma hora em que será impossível continuar sua divisão. Esse ente que formaria todas as coisas e não poderia ser dividido é o que Demócrito chamou de átomo.

De acordo com essa teoria, objetos iguais eram formados por átomos iguais e cada qual tinha um formato e uma disposição específica, o que explicava as diferenças entre metais e madeira, por exemplo. 

Uma coisa interessante sobre esse início da teoria atomística é que ela estava altamente calcada na filosofia clássica e tinha então também todo um contexto metafísico. Portanto, a ciência e a filosofia (bem como a religião) sempre tiveram juntas. Vocês vão perceber que eu adoro fazer essas comparações,rsrs. E também vão ver que elas tornam as coisas mais fáceis de se entender e memorizar também :D

Então, Demócrito ficou famoso em sua época, mas com o tempo o pessoal foi meio que esquecendo da ideia dele,rsrs. Enfim, chegamos ao século 16, onde havia um químico, físico e meteorologista inglês chamado John Dalton. Notem que antigamente os cientistas eram muito mais polivalentes que hoje em dia, abrangendo várias áreas "diferentes".Dalton meio que resgatou o conceito de átomo. Através de experimentos envolvendo especialmente gases, ele postulou que realmente toda a matéria seria formada por partículas minúsculas. Segundo ele, os átomos seriam esferas maciças e cada material seria formado por um conjunto de esferas do mesmo tipo. Esse modelo foi apelidado de modelo da "bola de bilhar".

John Dalton (FONTE:http://wal.nbed.nb.ca/sciencesettechnologies/pierrebrideau/dalton.jpg).

O modelo de Dalton foi bom e muita gente achou que ele realmente explicava muita coisa (como de fato explica), contudo surgiu nessa história um outro físico chamado Joseph John Thomson ( J.J. Thomson, para os íntimos). Thomson ficou com a pulga atrás da orelha porque o modelo de Dalton não levava em conta as propriedades elétricas dos materiais. Pensem bem: quando colocamos a mão em uma mesa não levamos choque certo? Isso implica que a carga elétrica nela é nula. Para que o modelo de Dalton fosse coerente, as cargas dos átomos deveriam ser nulas. Acontece que se todas as bolinhas tinham cargas nulas, como elas se ligavam umas as outras?

Através de experimentos com tubos de raios catódicos (de modo simples são tubos que lançam cargas positivas), Thomson descobriu que nos átomos existiam cargas negativas! Para que os materiais estivessem em equilíbrio, era necessário que cada carga negativa tivesse um contra ponto positivo para que a soma fosse nula. Thomson batizou as cargas negativas nos átomos de "elétrons" (que vem do grego e significa "âmbar"). E essa descoberta lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1906 :D

J.J. Thomson (FONTE:http://blog.sciencemuseum.org.uk/insight/files/2013/11/jj_thomsom_428.jpg).

Para explicar a ausência de carga nos materiais, Thomson supôs que os elétrons estavam dentro de uma matriz com carga positiva. Esse modelo ficou conhecido como "pudim de passas", uma vez que parecia um pudim com os elétrons como passas. Parece apetitoso não?

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Pois bem, tudo parecia ótimo com o pudim de passas do Thomson, mas eis que surgiu um físico/químico chamado Ernest Rutherford que através de experimentos com cargas elétricas descobriu que por algum motivo a carga positiva do átomo não estava totalmente dispersa nele, mas sim concentrada em um minúsculo ponto. Rutherford então criou um novo modelo que ganhou seu nome e no qual os elétrons na verdade circulam o núcleo do átomo, onde ficam as cargas negativas. E o rapaz não ficou só nisso: seus estudos chegaram ao ponto de ele quebrar o "tabu" que era a divisão dos átomos. É, Rutherford também provou que era possível "quebrar" um núcleo no meio, gerando a fissão nuclear.

Ernest Rutherford (FONTE:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Sir_Ernest_Rutherford.jpg).

O modelo de Rutherford foi uma revolução e ele é até hoje utilizado para representar o átomo e mesmo como um dos símbolos da Química. É a representação que abriu essas discussão é baseada no modelo dele. Acontece que faltava um certo refinamento neste modelo e coube ao físico dinamarquês Niels Bohr este passo. Bohr introduziu conceitos de mecânica ao modelo de Rutherford e gerou um novo modelo que, com a contribuição de outros físicos como Einstein, de Broglie, Schrodinger, Heisenberg e Pauli, é o modelo atômico moderno.

Niels Bohr (FONTE:http://3d-car-shows.com/wp-content/uploads/2012/10/Niels_Bohr.jpg).

Essa pequena introdução é só para despertar o interesse de vocês sobre a real história da descoberta do átomo, pois meu foco aqui não é esse. Eu recomendo que quem tiver mais interesse na história do modelo atômico que busque ler sobre Demócrito, Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr em outras fontes. Por falar nisso, a BBC produziu um documentário excelente sobre o tema intitulado "Atom: Clash of Titans". Com certeza vale a pena buscar para assistir ;)

Mas agora vamos continuar desvendando o átomo!

- Dividindo o átomo!

FONTE:http://www.yorku.ca/ns1745b/fig9-atom.jpg

Apesar dos cientistas de antigamente terem muito menos recursos que hoje em dia, temos que tirar o chapéu para a engenhosidade que eles possuíam. Eles foram capazes não só de modelar o átomo como também descobriram que ele não era constituído apenas por partículas negativas e positivas. Acontece que eles conseguiram estimar a massa dos átomos e descobriram que de algum modo o número de partículas no núcleo não batia com o número de elétrons. Existia alguma coisa no núcleo que fazia o átomo pesar mais, mas não alterava o balanço de cargas. Essa partícula ficou conhecida como "nêutron" (por ter carga nula), enquanto a carga positiva é chamada de "próton". Desse modo temos três tipos de partículas dentro do átomo: nêutrons, prótons e elétrons.

Como Rutherford havia provado, a carga positiva do átomo está concentrada em uma região pequena no seu centro. Este é o núcleo. O núcleo abriga os prótons e os nêutrons. A esmagadora maioria da massa de um átomo está concentrada em seu núcleo (os prótons e os nêutrons são muito mais pesados que os elétrons), de modo que a massa atômica é a massa do núcleo. Como os nêutrons têm carga nula, a carga elétrica do núcleo é positiva. Sabe-se que cargas opostas se atraem, desse modo é de se esperar que o núcleo atraia os elétrons que estão orbitando ao seu redor. Isso de fato é o que acontece e explica o porque dos elétrons estarem ligados ao núcleo. Contudo, não seria de se esperar que os elétrons se chocassem contra o núcleo?

A razão para que os elétrons não se choquem com o núcleo e o átomo entre em colapso é o trunfo do modelo de Bohr e esta baseada na mecânica quântica. 

- Mecânica Quântica.

FONTE:http://www.dbriers.com/tutorials/wp-content/uploads/2012/12/Bohr_atom_model_English.png

Apesar do nome assustar muita gente, a Mecânica Quântica se resume em um conceito simples: a energia tem valores quantizados. Isso quer dizer que a energia esta confinada a valores específicos. Esses valores são conhecidos como "pacotes de energia" (ou "quantas"). Imagine o nosso dinheiro. É impossível ter 0,9 centavo, porque só existem moedas de 1 centavo (se é que existem ainda :P).

O motivo que impede os elétrons de baterem no núcleo é que eles estão circulando dentro de orbitais com energias definidas. Eles não podem passar de um orbital para outro a menos que "paguem o preço", recebendo ou perdendo energia. Sacaram ;) ?

Ainda há um bocado para se falar sobre isso, mas por enquanto vamos nos focar na estrutura básica do átomo, ok?

- Dando nomes aos bois!

FONTE:http://media.web.britannica.com/eb-media/09/149209-050-CA687C2F.jpg

Para finalizar esse primeiro contato com o átomo vamos nos familiarizar com alguns conceitos. Os elétrons geralmente são simbolizados por uma letra "e" minúscula com um sinal de menos sobrescrito. Enquanto que os prótons são simbolizados por uma letra "p" minúscula com um sinal de mais sobrescrito. Os nêutrons são simbolizados pela letra "n" minúscula apenas. 

Uma vez que o número de prótons é igual o número de elétrons e cada elemento tem um número distinto de prótons, por convenção o número atômico de um átomo é expresso pelo número de prótons deste. O símbolo para o número atômico é a letra "Z".

Como eu já disse antes, a massa de um átomo é dada unicamente pela massa no núcleo, ou seja, pela soma das massas dos prótons e dos nêutrons. Através de experimentos foi possível medir com precisão a massa de um único elemento (isso nos tempos antigos): o carbono. Uma vez que o carbono tem 12 prótons em seu núcleo, convencionou-se que a massa de um próton é 1/12 da massa de um átomo de carbono (parece razoável né?). Essa unidade de medida ficou conhecida como u.m.a. (unidade de massa atômica) e ainda hoje é a base para o cálculo de todas as massas atômicas da tabela periódica. Levando isso em conta, convencionou-se que a massa atômica (representada pela letra "A") é a soma das massas dos prótons e nêutrons:

                                                                            A= p + n

Uma vez que o número de prótons é igual o número atômico Z, a massa atômica é a soma do número atômico com o número de nêutrons. Através dessa relação, sabendo-se o número atômico e a massa atômica é possível determinar o número de nêutrons. E por que isso é interessante? Isso vai ficar para o próximo post onde vamos descobrir mais sobre os elementos!

Obrigado pela leitura e até mais!