Painel 6 - A estrutura atômica da matéria: introdução

Vimos que matéria é tudo o que ocupa lugar no universo e que possui massa. Vimos também que a matéria se apresenta na natureza em forma de mistura.

A Química irá estudar:

> a constituição da matéria e seu estado na natureza;

> a energia que a transforma e é transformada em matéria;

> e sua estrutura.

 

Para compreender a estrutura da matéria, a Química a fraciona, divide as substâncias em partículas cada vez menores e, a um certo momento, chega às moléculas e ao átomo, sua unidade mínima. 

 

A noção primordial será a de átomo.  As substâncias são formadas de átomos  de diferentes elementos em proporções fixas e definidas.

 

Estes são os elementos ou substâncias puras presentes na natureza ou sintetizadas em laboratórios. Esta é a Tabela Periódica de Elementos Químicos.

Tópico 1 - Introdução: matéria enquanto espécie química

Todas as observações sobre a natureza serão baseadas na matéria enquanto espécie química pura – um conjunto de átomos de mesmo núcleo atômico, com as mesmas qualidades e capaz de reagir da mesma maneira.

 

Ao longo de seus estudos, em muitos séculos, os químicos chegaram ao conjunto de espécies químicas puras na natureza e as organizaram na Tabela Periódica dos Elementos Químicos.

 

Este será nosso estudo.

 

Trabalhe com sua tabela periódica online.

 

Conheça cada elemento e suas particularidades. Aprenda a usar uma Tabela Periódica treinando constantemente.  Será muito importante para você.

 

Clique e abra a tabela on line.

Vamos entender a descoberta da estrutura atômica passo a passo.

Podemos perceber os fenômenos químicos de forma macroscópica ou microscópica. Vamos começar a explorar estas duas possibilidades.

Conheça a extração das plantas medicinais. Fonte: http://saude-alternativa.blogspot.com/2011_03_01_archive.html
Conheça a extração das plantas medicinais. Fonte: http://saude-alternativa.blogspot.com/2011_03_01_archive.html

Evolução da Química e da percepção da matéria

 

Ponto de vista macroscópico

Num primeiro momento podemos observar a natureza e seus corpos de um ponto de vista macroscópico:


> podemos perceber o minério de ferro ou uma barra de ferro por certas qualidades como cor, temperatura do ponto de fusão, magnetismo, etc;


> ou perceber as plantas medicinais e o processo de extração dos princípios ativos destas plantas em laboratório , por exemplo.

 

A Química estará presente em todos os objetos à nossa volta. 

Química e um laboratório primitivo. Esta é uma história antiga e tem a ver com o desenvolvimento do método científico de investigação. Tudo começa com as experiências de Druiderix...

Entre suas experiências e o momento atual, há um longo percurso, mas uma constante: o processo de análise das substâncias.

A importância dos laboratórios.

O laboratório é um lugar equipado com diversos instrumentos de processamento e de medida onde, em condições especiais, podemos guardar espécies a a serem estudadas, realizar experimentos e desenvolver estudos, em condições-padrão de investigação, conforme o ramo a que nos dediquemos.

 

Ponto de vista microscópico e outras técnicas integradas

Conheça um microscópio em detalhes e veja algumas imagens de partes do corpo humano.

 

Leia mais.

http://abcdafisica2b.blogspot.com/

Vontade de conhecer o mundo, capacidade de experimentar, métodos, instrumental, tudo faz parte do mundo da Ciência.

Destilação.
Destilação.

Os pioneiros da Química e seus laboratórios.


Esta foi a primeira forma de observar a matéria na natureza:

> coletar material para teste;

> trazer para as condições ideais de um laboratório;

> pressupor uma determinada hipótese;

> e testá-la em condições ideais, obtendo sempre o mesmo resultado.

 

A partir destes resultados contínuos e controlados, desenvolvemos o conhecimento científico, elaboramos as teorias.

 

Observe os diferentes objetos de estudo e os métodos desenvolvidos por antigos físicos e químicos, médicos e herbanários, alquimistas e cientistas de um modo geral, na Antigüidade, Idade Média e Idade Moderna.  

 

Laboratório de engenharia química no MIT - USA  - 1850 a 1949
Laboratório de engenharia química no MIT - USA - 1850 a 1949
Laboratório -  1890 - Chemistry Gallery, Science Museum
Laboratório - 1890 - Chemistry Gallery, Science Museum

Vamos observar que o século XIX foi marcante para a Química.

 

Na medida em que novos métodos de pesquisa foram sendo descobertos, novas qualidades e propriedades da matéria foram sendo desvendadas.

 

A Química absorveu estes métodos e passou a dispor de novos conceitos operativos e pressupostos técnicos que passaram a embasá-la.  Aos poucos pode isolar os elementos químicos que compõem a natureza e sintetizar outros elementos em laboratório, criando a Tabela Periódica de Elementos Químicos.

 

O progresso nas ciências e na tecnologia foi a marca do século XIX.  Vamos acompanhar esta história.

 

  • Exercício-modelo Desafio 1: Pesquise, pense e responda.

 

Fuvest

Quais das substâncias abaixo são as mais indicadas para verificar se é pura uma certa amostra sólida de uma substância conhecida?

  1. Cor e densidade

  2. Cor e dureza

  3. Ponto de fusão e densidade

  4. Cor e ponto de fusão

  5. Densidade e dureza

Resposta no Gabarito-ExPainel 6

Tópico 2 - Os primeiros passos da teoria atômica

A importância da Química a partir do século XVIII

É a partir do século XVIII que a Química vai assumir um papel científico moderno no campo das ciências, utilizando para isto o método experimental. Pensar a Química experimentalmente implica numa base matemática. Vamos analisar este percurso do pensamento humano.

Antoine Lavoisier e sua esposa
Antoine Lavoisier e sua esposa

Alguns pioneiros - Antoine Lavoisier

Lavoisier (1743 – 1794) é considerado o pai da química moderna por ter desenvolvido suas leis fundamentais.  

 

A partir de seu trabalho de pesquisa tornou-se possível estabelecer percentualmente a proporção dos elementos que participam da composição das substâncias.

 

> Como aconteceu o desenvolvimento da Química?

A Química se desenvolveu a partir das pequenas conquistas nas áreas de ligas, medicamentos, corantes para tingimento, fabricação de vidros, de sabões, de cerâmicas, de adubos, de açúcares, amidos e borracha, além de muitas outras descobertas, que advêm da Antiguidade e foram aperfeiçoadas nos laboratórios da época.

 

Equipamento químico industrial - Gasometria - Lavoisier - Século XVIII
Equipamento químico industrial - Gasometria - Lavoisier - Século XVIII

> A modernidade e a Química a partir de Lavoisier

Outros cientistas da época, Dalton, Proust, Gay-Lussac, Avogadro, Berzelius, Mendeleiev, Kekule, entre tantos outros, a partir das descobertas de Lavoisier, estabelecem uma base científica sólida para a química.

 

> A importância da estrutura atômica da matéria

O átomo é descoberto laboratorialmente a partir da radioatividade.  Este é o ponto central da Química Moderna.

Os progressos no conhecimento da estrutura íntima da matéria, seu desdobramento e sua reatividade atômica não param mais até os dias de hoje, quando temos milhões de substâncias nas áreas químicas: inorgânica e orgânica.  

 

Os cientistas começam a pensar o átomo.

A química trabalha fundamentalmente com análises, separações de componentes das substâncias, fracionamento. Assim: qual a menor parte em que podemos dividir a matéria? - Os átomos.

...Mas o conceito de átomo não é tão moderno assim. Foi pensado há 25 séculos atrás por Demócrito de Abdera, um filósofo grego.

O modelo atômico – de Demócrito (séc. V a.C.) até Dalton (séc. XIX)

Demócrito de Abdera.
Demócrito de Abdera.

Demócrito e o atomismo

Alguns filósofos gregos como Demócrito consideravam que a matéria poderia ser dividida em partes cada vez menores até que se atingisse uma partícula de tal modo pequena que não mais pudesse ser dividida. A esta partícula chamaram átomo (a + tomo = não divisível ou não + parte).


“Por convenção existe o doce e por convenção o amargo, por convenção o quente, por convenção o frio, por convenção a cor; na realidade, porém, átomos e vazio (...) Nós, porém, realmente nada de preciso aprendemos, mas em mudança, segundo a disposição do corpo e das coisas que nele penetram e chocam”(DEMÓCRITO. Fragmento 9).

 

Dalton e o átomo.
Dalton e o átomo.

> Base do pensamento de Dalton – Século XIX

A noção ou nomenclatura “átomo”, portanto, já era conhecida, desde os gregos há 24 séculos atrás, e foi usada para o desenvolvimento do primeiro modelo atômico, desenvolvido por Dalton no século XIX.

 

> A importância do átomo para a Química.

 

Observe:

>> Os químicos constatavam que as substâncias químicas reagiam entre si.  A pergunta era: como e por que reagiam? E sempre da mesma maneira, quando eram combinados com tipos de substâncias semelhantes, nas mesmas condições laboratoriais...

 

Com o desenvolvimento moderno da Química, com base nas leis das reações químicas e em suas experiências em laboratórios, já no século XIX, os químicos retomaram a idéia de que o átomo era uma idéia bastante simples e capaz de explicar:

> não só a organicidade da matéria;

> como as transformações que a matéria sofria, na medida em que seus elementos reagiam entre si de uma forma bastante constante.

 

Devia haver elementos básicos com propriedades constantes e, por sua vez, estes elementos podiam ser pensados como "átomos"... retomando a idéia antiga de Demócrito.

 

  • Exercício-modelo Desafio 2: Pesquise, pense e responda.

 

Qual a importância para o desenvolvimento da Química da teoria de Demócrito de Abdera (460a.C.) retomada pelo químico e físico inglês, John Dalton, (1766 – 1844)? 

 

Resposta no Gabarito Ex-Painel 6

Tópico 3 - A evolução da teoria atômica e a atomicidade nas substâncias

Em 1805, John Dalton propôs a 1ateoria atômica que, em termos gerais, explicava a estrutura química da natureza, dentro de um conceito bastante aproximado ao moderno enfoque que temos. Sendo a idéia de átomo um conceito aceito, a teoria atômica passou a ter este conceito como base.

Nesta época, ainda não era possível trabalhar laboratorialmente com os átomos. Dalton deduziu: para que tal reação química ocorra, é necessário que certos elementos reajam: os átomos.

Vamos conhecer a teoria de Dalton.

"...Qualquer matéria na Natureza é formada por átomos extremamente pequenos, indivisíveis, com massa, e que permanecem inalterados numa reação, combinando-se em proporções fixas."

John Dalton

Observe como o conceito de estrutura atômica evoluiu.

Compare este atual modelo de átomo à concepção de Dalton.
Compare este atual modelo de átomo à concepção de Dalton.

Pontos fundamentais da teoria atômica de Dalton

  1. Qualquer matéria na natureza é formada por átomos – partículas extremamente pequenas – indivisíveis, em forma de uma esfera maciça.

  2. Há um número pequeno de átomos na natureza.

  3. Átomos de um mesmo elemento químico têm a mesma massa e de elementos químicos diferentes terão massas diferentes.

  4. Os átomos dos elementos químicos, numa reação, permanecem inalterados.

  5.  Agrupando átomos iguais ou diferentes, em quantidades variáveis, iremos formando todos os materiais existentes na natureza.

  6. As ligações entre átomos, numa reação química, se estabelecem em proporções fixas e simples: 1:1 (um por um); 1:2 (um por dois); 1:3 (um por três); etc.

 

 

Molécula é a menor partícula de uma substância que conserva as propriedades químicas características dessa mesma substância. Se for uma molécula de água, 18g de água ferverão a 100° C e se tornarão gelo a 0° C.

As moléculas são constituídas por átomos do mesmo elemento, ou por átomos de elementos diferentes. Por exemplo, duas moléculas de hidrogênio (H2) podem combinar-se com uma molécula de oxigênio (O2) para dar origem a uma molécula de água (H2O).

 

A atomicidade das substâncias

Se as substâncias são compostas de átomos, sua classificação também deveria considerar o numero de átomos de uma substância  capaz de formar uma molécula, mantendo integralmente as propriedades da substância.

Vamos relembrar e aprofundar um pouco alguns conceito básicos sobre substâncias.

Como a matéria se apresenta na natureza?

A matéria se apresenta na natureza em forma de mistura, sendo muito difícil encontrar substâncias totalmente puras na natureza. O objetivo de um químico, em face da matéria na natureza é separar as substâncias, fracioná-las e usar certos métodos para purificá-las. Com isto, adquirem capacidade de uso industrial.

 

Observe:
Misturas são formadas por duas ou mais substâncias e se classificam em homogênea ou heterogênea, dependendo da natureza de seus constituintes.


Exemplos de mistura:
- O ar que respiramos como uma mistura homogênea
composta de vários elementos, entre eles nitrogênio e oxigênio.

 

- O ar que respiramos como mistura heterogênea-Dependendo do grau de poluição. Observe a foto de São paulo e avalie a qualidade do ar – 10 vezes mais poluído que os índices internacionais

- Água do mar ou água doce na natureza como mistura homogênea
- A água do mar é uma mistura homogênea de sais minerais + H2O.

 

- O petróleo apresenta-se na natureza como uma mistura homogênea- pode ser fracionada (processo conhecido por destilação) e dar origem a vários produtos: gasolina, querosene, parafina, óleo, etc.

 

Quando falamos em mistura homogênea estamos indicando que aquela substância possui uma única fase percebida a olho nu.


Observe que toda mistura homogênea é uma solução. 

 

Cabos de aço - ligas.
Cabos de aço - ligas.

Misturas homogêneas, soluções e ligas

 

A matéria homogênea ainda se divide em misturas homogêneas, caracterizadas pelas soluções e pelas ligas:

 

  1. Soluções – são misturas homogêneas de composição variável.

  2. Ligas – são materiais metálicos de dois ou mais elementos.

 

2.5.4 – Mistura heterogênea

 

É a reunião de duas ou mais substâncias puras em quaisquer proporções, cada substância mantendo sua individualidade, não reagindo entre si, mantendo suas propriedades físicas e químicas exclusivas de cada substância.

 

 

Substâncias fracionadas em laboratório.
Substâncias fracionadas em laboratório.

Observe acima substâncias puras fracionadas em laboratório.

Para os químicos é muito importante separar por diversos processos as substâncias que compõem as misturas visando obter substâncias puras com alto grau de pureza.

 

Vamos voltar aos átomos: substâncias compostas de átomos. Como as classificamos?

Substância pura ou espécie química

É aquela que possui:

 

> uma composição fixa e invariável;

> é caracterizada por um número atômico;

> suas propriedades físicas e químicas são constantes;

> e não podem ser desdobradas em outras mais simples por processos químicos.

 

Exemplo: C, H, O, N, Si, Br, etc.

 

Substâncias puras e moléculas.

Representação de uma molécula.
Representação de uma molécula.

Estas substâncias formam moléculas com um número de átomos variável conforme sua atomicidade – quantidade de átomos numa molécula da substância.

 

As moléculas podem ser encontradas na natureza e classificadas em:

 

 

 

 Monoatômicas - sua molécula é composta por um só átomo: carbono, silício, boro, gases nobres (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) e todos os metais.

 

H2O - água. Oxigênio é diatômico.
H2O - água. Oxigênio é diatômico.

Diatômicas

 

São as substâncias que formam moléculas com dois átomos da mesma substância: Halogênios (F2, Cl2, Br2, I2), oxigênio (O2), hidrogênio (H2) e nitrogênio (N2).

 

Ozônio O3
Ozônio O3

Triatômicas

 

São os elementos químicos que formam moléculas com 3 átomos: ozônio (O3).

 

Fósforo branco - P4
Fósforo branco - P4

Tetratômicas

 

São elementos químicos que formam moléculas com 4 átomos da mesma substância: fósforo branco (P4), arsênio (As4), antinômio (Sb4).

 

Modelos de molécula do enxofre
Modelos de molécula do enxofre

Octatômicas

 

São elementos químicos que formam moléculas com 8 átomos da mesma substância: enxofre (S8), selênio (Se8) e telúrio (Te8).

 

Cadeia carbônica
Cadeia carbônica

De atomicidade infinita

 

São elementos químicos que formam moléculas com atomicidade variável como o fósforo vermelho (Pn ou P ).

 

Os elementos C, Si e B apresentam atomicidade infinita. Para efeito de equações químicas são consideradas monoatômicas.

 

Vamos analisar agora as substâncias puras compostas ou combinações?

Substâncias puras compostas ou combinações

 

As substâncias puras ou espécies químicas ainda se dividem em substâncias puras compostas ou combinações quando mais de dois elementos estão associadas e estas moléculas têm características definidas.

 

Ciclo do carbono.
Ciclo do carbono.

 As características das combinações são as seguintes:

 

  1. São moléculas ou aglomerados iônicos com propriedades características bem definidas.

  2. Sua composição química é constante, sempre formadas pelos mesmos elementos nas mesmas proporções de massa.

  3. Podem ser desdobradas por processos atômicos simples.

  4. São apresentadas através de fórmulas: H2O, CO2, H2SO4, etc.

  5. As substâncias puras compostas ou combinações são novas substâncias formadas por átomos ou íons que reagem entre si, sendo que estas novas substâncias terão propriedades diferentes das propriedades de seus componentes iniciais.

Leia mais sobre o ciclo do carbono:

http://revistagalileu.globo.com/Galileu/0,6993,ECT900776-1719-2,00.html

 

Exercício-modelo Desafio 3

 

Estabeleça a correspondência entre misturas homogêneas (1) e misturas heterogêneas (2), numerando os parênteses abaixo:

( ) água e óleo

( ) água e açúcar

( ) petróleo

( ) nitrogênio e oxigênio

( ) água e álcool

( ) água e gelo

 

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Tópico 4 – As bases da moderna teoria atômica

A partir de Lavoisier e Dalton, inúmeros pesquisadores se dedicaram aos fenômenos naturais: físicos, químicos e biológicos.A descoberta do microscópio e as experiências com eletricidade cada vez mais abriam novas portas de pesquisa. Estas são as descobertas que vieram a estruturar a Química Moderna e suas bases.

É preciso que nos lembremos que as ciências – física, química, biologia e matemática – nos séculos XVII a XIX, passaram por modificações profundas.

 

  • O microscópio - havia sido aperfeiçoado desvendando os mistérios de um mundo microscópico.

 

  • Ambiente no campo da ciência – século XIX - toda a teoria newtoniana havia sido estruturada e a eletricidade era cada vez mais testada em experiências que abordavam questões físicas e químicas, como, por exemplo, nesta pequena série de descobertas que podem caracterizar o ambiente científico do século XIX.

 

Uso de microscópios em 1908 - Universidade de Connecticut
Uso de microscópios em 1908 - Universidade de Connecticut

Descobertas no campo da física e da química

  1. 1800 – Pilha elétrica (Volta);

  2. 1833 - Leis da eletrólise (Faraday);

  3. 1859 - Espectroscopia;

  4. 1865 – Descoberta dos raios catódicos;

  5. 1869 – Tabela periódica de Mendeleyev;

  6. 1886 – Descoberta dos raios canais ou positivos;

  7. 1887 – Teoria de Arrhenius;

  8. 1895 – Descoberta do raio X;

  9. 1896 – Estudos sobre a radioatividade;

  10. 1897 – Teoria do elétron.

 

Ao final do século XIX, sabias-se que a matéria era formada de átomos. Faltava "provar" laboratorial e fisicamente tal teoria. vamos analisar este movimento na próxima aula.

Exercício-modelo 6

Se observarmos a matéria na natureza, vemos que ela se apresenta de diferentes formas, a maioria delas misturas de elementos químicos. Pense no mel, na água, no sal de cozinha, no ouro, no ferro, no ar que respiramos, pesquise e responda: Quais são misturas, substâncias químicas simples e compostas.

 

Discuta com seus colegas e apresente em aula mais exemplos de sua própria pesquisa, classificando as substâncias e objetos em torno de você.

Entre em Gabarito Ex-modelo 6

> Descoberta da estrutura do átomo através de gases em baixa pressão

Sabia-se que os gases eram maus condutores de eletricidade, podendo a eletricidade ser conduzida num meio gasoso, através dos gases em baixa pressão, num sistema fechado.


Esta descoberta facilitou em muito o desvendamento da estrutura íntima do átomo, tão conhecida hoje: elétrons, prótons e nêutrons. 

 

> A descoberta dos elétrons

> A ampola de Crookes e suas conclusões

> Thompson e Rutherford¨- os elétrons

> A descoberta dos prótons, raios anódicos ou raios canais

> A descoberta dos nêutrons

  • Qual seria a conformação do átomo?

  • Uma esfera maciça, como supunha Dalton?

  • Uma esfera positiva com incrustações negativas, como supunha outro cientista de nome Thompson?

 

  • Não, não era mais possível, pois a experiência com materiais radioativos já encaminhava o modelo atômico para uma nova concepção descrita por dois cientistas em 1911: Hans Geiger e Ernest Rutherford.

 

 

> Entre diversos outros conceitos desenvolvidos, a percepção da estrutura atômica

Exercício-modelo 4

 

O átomo é um sistema formado por um núcleo central, onde se concentra toda a massa do átomo, carregado com carga positiva e de raio extremamente pequeno em relação ao átomo. Este núcleo é envolvido por uma nuvem de elétrons (eletrosfera) que neutraliza a carga positiva do núcleo”.

Esta definição se deve a:

  1. Demócrito

  2. Dalton

  3. Lavoisier

  4. Proust

  5. Rutherford