A QUÍMICA E A MATÉRIA DO UNIVERSO

O nascimento da ciência moderna

Você sabe qual é o metal mais valioso que existe? Muitas pessoas responderiam que é o ouro, por conta das aplicações desse material na produção de joias, acessórios e componentes eletrônicos.

A busca por materiais valiosos, visando obter riqueza, foi objetivo de vários indivíduos ao longo da história. Esse é um fato evidenciado pelos registros da ampla busca pela pedra filosofal, um artefato que poderia transformar outros materiais em ouro. Hoje, ela é tema de muitas obras de ficção, como livros e filmes, mas no passado foi seriamente investigada pelos alquimistas. Pouco se fala, mas o físico inglês Isaac Newton (1643-1727), formulador da lei da gravitação universal, já tentou por si só encontrar uma fórmula para o desenvolvimento da pedra filosofal.

A alquimia, prática muito presente na Idade Média (476-1453), utilizava do sobrenatural e de experimentos para explicar coisas do dia a dia, muitas vezes distantes do pensamento racional. Por exemplo, muitos alquimistas buscavam um remédio universal para curar todos os males físicos e morais da humanidade ou a pedra filosofal, que seria responsável por transformar todos os metais em ouro.

Embora não fosse ainda aquilo que conhecemos como Química, a alquimia foi essencial para o desenvolvimento de diferentes técnicas e instrumentos laboratoriais importantes. Além disso, possibilitou a descoberta de substâncias como álcool, éter, ácidos nítrico e sulfúrico e os sais minerais.

No século XVII, à medida que os estudiosos começaram a sistematizar as informações sobre suas observações, o misticismo foi gradativamente abandonado e, com ele, a alquimia.

Nesse processo, muito do que era produzido só valia se pudesse ser descrito pela Matemática e pudesse passar por experimentação, dando início à aplicação do chamado método científico.

O método científico e sua aplicação caracterizam a ciência moderna, que busca produzir conhecimento por meio de questionamentos, observação de fatos, experimentação e formulação de hipóteses.

Os estudos do químico francês Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) e de outros cientistas da época caracterizaram o início da Química moderna, pois seguiam o método científico.

Antes de Lavoisier, havia a teoria do flogisto, desenvolvida pelo químico e médico alemão Georg Ernst Stahl (1660-1734), que afirmava que os materiais inflamáveis continham uma substância invisível, chamada flogisto. A queima do material resultava na liberação dessa substância; quanto mais flogisto o material tivesse, mais facilmente entrava em combustão.

1.

2.

Lavoisier realizou diversos experimentos envolvendo o processo de combustão. Ao usar balanças para verificar as massas das substâncias durante essas reações químicas, ele notou que a combustão não ocorria por causa do flogisto, mas sim em razão de algo presente no ar, que ele chamou de oxigênio.

Diversos estudos foram realizados por Lavoisier, muitos com a contribuição de sua esposa, a cientista, também francesa, Marie-Anne Pierrette Paulze (1758-1836). Ela foi fundamental no trabalho do marido, atuando como assistente de laboratório, além de contribuir para a produção, edição e ilustração dos textos.

Os estudos de Lavoisier foram considerados uma revolução na ciência, pois forneceram uma nova maneira de explicar um fenômeno – no caso, a combustão dos materiais –, e contribuíram para o nascimento da Química.

Sobre as mudanças e evoluções no conhecimento científico, leia o texto a seguir.

Desde a época da alquimia até o início do século XVII, quando a ciência começou a se dividir em diversas áreas, surgiu o campo de conhecimento que hoje conhecemos como Química. Reflita e se pergunte: o que faz um profissional formado em Química?

É provável que você associe o profissional de Química principalmente ao trabalho em laboratório, mas o campo de atuação é amplo. Embora o laboratório seja uma parte importante do cotidiano de um(a) químico(a), há outras oportunidades no mercado de trabalho para esses profissionais.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

A formação na área química permite uma diversidade de atuações. Para organizar nossas ideias, vamos ordená-los em cinco diferentes grandes grupos: técnicos; licenciados; bacharéis; químicos industriais; e engenheiros.

• Os técnicos são profissionais de nível médio que atuam com análises laboratoriais ou linhas de produção.
• Os profissionais licenciados geralmente atuam em sala de aula como professores.
• Os bacharéis, assim como os licenciados, trabalham com pesquisa e desenvolvimento de produtos.
• Os químicos industriais e os bacharéis com atribuição tecnológica são capacitados para atuar nos mais variados processos industriais.
• Já os engenheiros da área química (engenheiros químicos, de alimentos, de materiais, têxteis, ambientais, entre outros) são profissionais relacionados à elaboração de processos e projetos de instalações industriais.

É necessário valorizar os profissionais da área química, pois eles contribuem de forma significativa para o bem-estar das populações em escala global por meio da pesquisa e do desenvolvimento de modos de produção mais sustentáveis. Inclusive, o elevado crescimento da população e o uso excessivo de recursos naturais que resultaram em mudanças climáticas levaram os profissionais de Química a se envolverem em uma área denominada economia verde.

A economia verde contribui para o bem-estar das sociedades ao reduzir o uso de recursos naturais e os riscos da escassez ambiental. Essa área, muito provavelmente, será responsável pelo surgimento de novas carreiras profissionais no futuro, já que representa um setor de grande potencial no Brasil. Para ampliar esse potencial, é importante identificar e analisar as áreas e os setores específicos que mais contribuem para a degradação ambiental e a emissão de gases do efeito estufa. Assim, é possível direcionar os esforços para possibilitar uma transição sustentável.

Portanto, a Química tem evoluído continuamente, desde a época da alquimia até se consolidar como uma ciência independente; os profissionais da área atuam em diversos campos, que incluem ensino, pesquisa e indústria; e as áreas que envolvem a Química são importantes para o desenvolvimento de tecnologias voltadas para a eficiência energética, para a criação de processos mais eficazes e para a elaboração de novos produtos sustentáveis.

A Química também é uma ferramenta para o cumprimento de alguns dos 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) previstos na denominada Agenda 2030. A iniciativa, coordenada pela Organização das Nações Unidas (ONU) por meio do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (Pnud), é um acordo internacional assinado em 2015 por mais de 190 países, incluindo o Brasil. O objetivo é promover medidas para a solução de problemas como pobreza, devastação do meio ambiente, crises climáticas, entre outros.

É possível afirmar que, direta ou indiretamente, o profissional da Química pode contribuir com muitos dos objetivos propostos pelo documento. Confira alguns deles a seguir.

Essa situação mostra também que estudos científicos realizados por diferentes cientistas simultaneamente, cada um sob o olhar de sua especialidade, possibilitam avanços em diversas áreas da ciência, como saúde, energia, alimentação e ambiente.

Um parâmetro que pode ser utilizado para avaliar como os estudos científicos avançam em determinado país é a quantidade de publicações científicas. Leia a manchete a seguir.

Disponível em: https://s.livro.pro/21008p. Acesso em: 25 jul. 2024.

Mulheres na ciência

Leia a tirinha a seguir e responda às questões 4 e 5.

MERLIN, Marco. Cientirinhas. Disponível em: https://s.livro.pro/jrcnx8. Acesso em: 26 jul. 2024.

Ao ler a tirinha, em qual momento você identificou que houve quebra de expectativa? Isto é, em qual momento apareceu algo diferente do que se esperava?

O quadrinho exemplifica como os estereótipos de gênero podem limitar o potencial das mulheres ao associá-las a certas atividades e interesses. Elas, no entanto, desafiam essas suposições, subvertendo os estereótipos e mostrando que todas as atividades, inclusive a ciência, são igualmente adequadas para meninas e meninos.

Agora, analise a fotografia a seguir.

A fotografia reúne os mais notáveis pesquisadores da época, sendo 28 homens e apenas uma mulher.

A única retratada é Marie Curie. Nascida na Polônia, Marie obteve grande destaque por ter sido a pioneira (juntamente com seu marido, Pierre Curie) no ramo da radioatividade. Além disso, foi a primeira mulher a receber um Nobel e a primeira pessoa a ganhar o prêmio duas vezes.

Com as mudanças e evoluções nas ciências, houve também avanços na participação feminina nessas áreas. No entanto, por muitos anos, a imagem feminina foi apagada e muitas não receberam o devido reconhecimento, tampouco os trabalhos foram apropriadamente creditados.

Um caso famoso foi o da física inglesa Rosalind Elsie Franklin, que obteve pela primeira vez uma imagem de raios-X de uma molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA), o que possibilitou elucidar sua estrutura. No entanto, o crédito pela determinação da estrutura dessa molécula foi dado somente ao cientista estadunidense James Dewey Watson (1928 -), ao cientista inglês Francis Harry Compton Crick (1916-2004) e ao biofísico neozelandês Maurice Wilkins (1916-2004), pois acreditava-se que ela apenas obteve a imagem e não a tinha associado à estrutura helicoidal.

Em 2022, dois pesquisadores dos trabalhos de Watson e Crick tiveram acesso aos documentos de Rosalind Franklin e perceberam que ela não deixou de compreender a estrutura do DNA. Esses documentos revelam que ela foi uma colaboradora de igual relevância na descoberta da estrutura do DNA.

Um dos exemplos notáveis que se tem sobre a falta de crédito às mulheres diz respeito à Marie-Anne Pierrette Paulze. A famosa pintura que retrata ela e seu marido, Antoine Lavoisier, apresentada no início do capítulo, é comumente divulgada apenas com a informação de que retrata "Lavoisier e esposa", desconsiderando que Marie-Anne desempenhou mais do que o papel de esposa do químico.

Ao longo dos mais de 20 anos de casamento, Marie-Anne anotou resultados experimentais e desenhou com precisão os aparatos de laboratório, o que ajudou os cientistas contemporâneos à sua época a entenderem métodos e resultados dos trabalhos de Lavoisier. Além disso, entre suas habilidades estava, em especial, a capacidade de ler, traduzir e analisar textos científicos escritos em inglês, que o marido não dominava completamente, sendo um idioma imprescindível para a comunidade científica que atuava fora da França.

Albert Einstein citou, em muitas de suas cartas, a forte colaboração de sua esposa na época, a física e matemática Mileva Marić (1875-1948), e como ela foi de enorme ajuda em seus estudos.

Na comunidade científica, há debates sobre o nível de interferência de Mileva nos estudos de Einstein. Estima-se que no período de 1900 a 1905, com o consentimento dela, o casal publicou trabalhos científicos desenvolvidos em conjunto, porém foram assinados apenas por Einstein. Esse período inclui textos sobre a relatividade, e nestes, possivelmente Mileva contribuiu diretamente com inúmeras revisões.

As histórias relatadas anteriormente trouxeram características claras de desconsideração, omissão e subestimação das habilidades e competências das mulheres no mundo científico.

Tais características de invisibilidade compõem o chamado fenômeno Matilda, ou efeito Matilda, termo utilizado para descrever a tendência de minimizar, ignorar ou negar as contribuições de mulheres cientistas. O nome homenageia a sufragista estadunidense Matilda Joslyn Gage (1826-1898), que expunha as desigualdades que afetavam as mulheres em busca de espaço no mundo científico.

Como consequência da subestimação e da invisibilidade das mulheres na ciência, pode-se evidenciar a baixa confiança delas em suas próprias habilidades e desmotivação em seguir uma carreira acadêmica no passado, gerando impactos negativos no progresso da pesquisa científica.

A busca pela carreira científica aumentou no Brasil e no mundo nas últimas décadas e muitas pesquisas apontam que as mulheres são a maioria em cursos de mestrado (57%) e doutorado (58%) nas áreas científicas. Entretanto, o avanço das cientistas no mercado de trabalho é desproporcional.

Disparidades salariais, baixa representatividade em cargos de liderança e reconhecimento profissional são presentes na vida de muitas profissionais, culminando no chamado efeito tesoura, em que, quanto mais alta a função desempenhada (o cargo), menor tende a ser a participação de mulheres. Analise o gráfico a seguir.

Sistema de ciência e tecnologia no Brasil (2015-2019)

Fonte de pesquisa: AREAS, Roberta et al. Gender and the scissors graph of Brazilian science: from equality to invisibility. OSF Preprints, 29 jun. 2020. Disponível em: https://s.livro.pro/uzrr8d. Acesso em: 25 jul. 2024.

Mulheres do mundo todo sofrem os efeitos da naturalização dos estereótipos, estes muitas vezes reproduzidos por homens e mulheres inconscientemente. Pesquisas realizadas na Europa mostram que 67% das mulheres acreditam que outras mulheres não estão qualificadas para ocupar cargos de liderança na ciência, o que revela como essas noções arraigadas podem ser reproduzidas por todas as pessoas.

Professor, professora: Comente que CNPq é a sigla para Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, que é uma fundação pública vinculada ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, que tem como principais atribuições fomentar a pesquisa científica, tecnológica e de inovação.

A discriminação de gênero também se reflete no Prêmio Nobel, considerado a maior honraria acadêmica mundial. Desde a sua criação, em 1901, até 2023, o prêmio foi concedido a 936 homens, mas apenas a 64 mulheres. Os gráficos a seguir mostram a discrepância em relação ao gênero.

Porcentagem de homens e mulheres laureados com o Prêmio Nobel em todas as áreas (1901-2023)

Porcentagem de homens e mulheres laureados com o Prêmio Nobel de Física (1901-2023)

Porcentagem de homens e mulheres laureados com o Prêmio Nobel de Química (1901-2023)

Porcentagem de homens e mulheres laureados com o Prêmio Nobel de Medicina (1901-2023)

Fonte de pesquisa: NOBEL Prize awarded women. The Nobel Prize. Disponível em: https://s.livro.pro/a2ppdv. Acesso em: 26 jul. 2024.

Além da evidente discrepância nas premiações, principalmente ao considerar as áreas de Química, Física e Medicina, até 2023, entre as cientistas laureadas, nenhuma era negra nem indígena.

Extrapolando a ciência, podemos perceber que, apesar de serem maioria no Brasil, a presença de mulheres em outros campos do mercado de trabalho e em posições de poder continua pequena. De acordo com o Censo 2022, a população de mulheres no Brasil é de 51,1%, mas, conforme dados do Tribunal Superior Eleitoral (TSE), no mandado de 2020-2024, apenas 12,1% prefeitas foram eleitas – entre elas, apenas 32% são negras. Segundo dados do Departamento Intersindical de Estatística e Estudos Socioeconômicos (Dieese), no último trimestre de 2023 as mulheres correspondiam a 54,3% dos desempregados no Brasil, e 35,5% eram mulheres negras.

Esses dados mostram que os desafios relacionados a gênero não se restringem às ciências e resultam em menos oportunidades e mais vulnerabilidade à violência. Para as mulheres negras, esses fatores são ainda mais intensificados em razão do racismo estrutural, conceito que descreve como a discriminação racial está incorporada nas estruturas sociais e históricas do Brasil.

Assim, podemos perceber que a falta de diversidade de gênero na ciência e em outros campos da sociedade é significativa e aumenta quando combinada a outros fatores sociais, como etnia, orientação sexual, classe social e localização geográfica.

A ciência depende da criatividade e da pluralidade. Quando mulheres, especialmente negras ou indígenas, são sistematicamente excluídas, não se está apenas reduzindo a diversidade, mas também prejudicando o próprio desenvolvimento das pesquisas científicas.

Para evitar o aumento de desigualdades, é fundamental que ações sejam adotadas para promover uma paridade de gênero em todas as áreas, em especial nas ciências. Um marco significativo dessa luta foi a criação do Dia Internacional das Mulheres e Meninas na Ciência, em 2015, pela Assembleia Geral das Nações Unidas, que estabeleceu o dia 11 de fevereiro como a data para celebrar tal visibilidade na ciência e na tecnologia, destacando suas contribuições históricas e contemporâneas nesses campos. Observe o cartaz a seguir, da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas (Fapeam), que promove uma ação que visa ampliar o acesso e assegurar a participação igualitária de mulheres e meninas na ciência e tecnologia.

Além de datas comemorativas, iniciativas que apoiam a participação de mulheres em suas respectivas áreas de estudo são maneiras práticas de combater a desigualdade de gênero. Considerar aspectos como a maternidade durante o processo de pesquisa, concedendo prazos flexíveis para mães pesquisadoras, são movimentos que contribuem para o aumento e a permanência feminina nesses contextos. A Lei nº 14.925/2024, sancionada em 2024, assegura a prorrogação dos prazos de conclusão de cursos de educação superior para estudantes e pesquisadores por motivo de parto, nascimento de filho, adoção ou obtenção de guarda judicial. Ações como essas cooperam para o empoderamento de meninas e mulheres em busca da igualdade de gênero, um dos objetivos da Agenda 2030 para o desenvolvimento sustentável.

Apoiar a participação feminina na ciência pode oferecer oportunidades para o desenvolvimento de muitas cientistas, além de gerar resultados positivos para a pesquisa e inovação. No Brasil, um exemplo notável na ciência é a biomédica Jaqueline Goes de Jesus (1989 -), que coordenou a equipe responsável por sequenciar o genoma do vírus SARS-CoV-2 em apenas 48 horas, após o primeiro caso de covid-19 no país. Seu trabalho também inclui a pesquisa sobre os surtos de arbovírus, como dengue, febre amarela, chikungunya e zika, que são ameaças significativas à saúde pública em áreas tropicais e subtropicais.

Reconhecer que, por muitos anos, mulheres e outras minorias foram sistematicamente excluídas das áreas científicas é um dos passos que contribuem para a conscientização e transformação das ciências. Promover a inclusão e a diversidade nesses campos do conhecimento permite a entrada de diferentes perspectivas e o enriquecimento das pesquisas desenvolvidas. Apoiar e valorizar a diversidade não apenas cria um ambiente mais igualitário e acolhedor para todos os cientistas, mas também estimula o crescimento e a inovação desse campo de estudos.

O ambiente que nos cerca está repleto de fenômenos físicos e químicos, naturais ou artificiais. Alguns são naturalmente deslumbrantes, como a aurora boreal, as bolhas congeladas de metano aprisionadas no Lago Abraão, no Canadá, e as ondas bioluminescentes vistas à noite em praias cujas areias contêm fitoplânctons que emitem luz, pois convertem a energia química em energia luminosa por meio de reações químicas.

Com o desenvolvimento da Ciência e do método científico, esses e muitos outros fenômenos da natureza passaram a ser estudados pelo ser humano de forma mais precisa, a fim de tentar compreender vários aspectos, como as causas e os mecanismos pelos quais ocorrem. Para que esses eventos pudessem ser analisados de forma confiável por diversos cientistas em diferentes lugares do mundo, a padronização dos procedimentos de investigações tornou-se necessária e, assim, muitas das convenções estabelecidas e adotadas pela Ciência atualmente fazem parte do nosso cotidiano, como as grandezas físicas.

Grandezas físicas

É possível perceber a presença das grandezas físicas em diversas situações do cotidiano.

Tudo que existe e possibilita ser medido é chamado grandeza física ou grandeza, sendo expresso em unidade de medida. Para ajudar na comunicação científica, foi criado o Sistema Internacional de Unidades (SI), representado anteriormente, o qual estabelece alguns padrões de unidades de medida das grandezas. A criação do SI foi necessária para padronizar as medidas e auxiliar na comercialização de produtos. Antigamente, as unidades de medida eram baseadas no corpo humano (palmo, pé e polegada), o que as tornava imprecisas e pouco confiáveis, em razão das diferenças físicas entre as pessoas. Algumas dessas medidas ainda usamos.

Massa

A realização de refeições em restaurantes é paga pela quantidade de quilogramas colocada pela pessoa em seu prato.

A massa é a grandeza física relacionada à inércia, propriedade da matéria correspondente ao estado de repouso ou movimento do corpo. Os corpos tendem a permanecer em repouso da mesma forma que tendem a permanecer em movimento. Essa tendência, de forma geral, é entendida como a resistência do corpo com relação à mudança do repouso para o movimento ou vice-versa. Quanto maior é a massa de um corpo, maior é a resistência de mudar o estado em que se encontra, seja ele de repouso, seja de movimento.

Para determinar a massa de um corpo, geralmente utiliza-se uma balança, instrumento que compara essa quantidade de matéria com a massa adotada como padrão. A unidade de medida de massa-padrão determinada no SI é o quilograma abre parênteses quilograma fecha parênteses$\left(\text{kg}\right)$.

Peso

Confira na imagem a representação do vendedor de uma barraca de frutas atendendo um cliente. O profissional está utilizando um instrumento que serve para medir a força aplicada em um corpo: nesse caso, a força peso. Com o resultado obtido no instrumento, o vendedor calcula o valor que o cliente pagará pela mercadoria.

Imagem sem proporção e em cores fantasia.

Admite-se que peso é a força que atua nos materiais em decorrência de uma atração gravitacional entre as massas deles. Assim, aqui na Terra, o peso de um material indica a força gravitacional que o planeta exerce sobre a massa dele. Uma vez que a atração gravitacional varia de acordo com a localização, o peso de um objeto dependerá do lugar onde ele é avaliado. A imagem demonstra as variações gravitacionais da Terra, com as regiões na cor azul apresentando atração gravitacional menor e as coloridas em amarelo e laranja indicando atração maior.

Toda matéria tem massa, mesmo que esteja isolada no Universo, mas só terá peso se estiver sujeita à ação gravitacional de outro material com massa significativa.

Os astronautas flutuam quando estão em órbita. Esse fato indica que eles perdem suas massas? A resposta para essa questão é negativa, afinal, se isso ocorresse, eles deixariam de existir!

A massa de um astronauta é a mesma independentemente de estar na Terra ou na Lua. No entanto, em razão das diferentes atrações gravitacionais, o peso dele na Terra é maior (aproximadamente seis vezes) do que na Lua.

O cálculo do peso (P$P$ é o peso em N$\text{N}$) de um material é dado pelo produto entre a sua massa ('m'$m$ é a massa do material em quilograma$\text{kg}$) e a aceleração da gravidade local ('g'$g$ é a aceleração da gravidade em metro por segundo elevado ao quadrado$\text{m/}{\text{s}}^2$).

Assim:

Volume

Confira na representação o atendente de um restaurante preparando suco de laranja em uma jarra com a indicação 1.000 centímetros cúbicos$\mathbf{1}.\mathbf{000}{\mathbf{\text{cm}}}^{\mathbf{3}}$, para depois servir a bebida em copos de 300 mililitros$\mathbf{300}\mathbf{\text{mL}}$.

O volume de um corpo é a quantidade de espaço ocupada por ele em que as unidades são valores de tamanho cúbico, por exemplo, centímetro elevado ao cubo${\text{cm}}^3$, decímetro cúbico${\text{dm}}^3$ e metro cúbico${\text{m}}^3$.

Capacidade é a quantidade de volume líquido que comporta certo volume de um corpo. A unidade dela é medida em litros litro$\left(\text{L}\right)$ ou variações dessa unidade (mililitro$\text{mL}$, decilitro$\text{dL}$, quilolitro$\text{kL}$ etc.).

Na situação apresentada, o suco de laranja pode ocupar 1.000 centímetros cúbicos$1.000{\text{cm}}^3$ na jarra que o atendente está utilizando para preparar o suco.

No SI, a unidade de medida da grandeza volume é o metro cúbico abre parênteses metro cúbico fecha parênteses$\left({\text{m}}^3\right)$, sendo que:

• 1 metro cúbico$1{\text{m}}^3$ equivale a 1.000 decímetros cúbicos$1.000{\text{dm}}^3$;
• 1 decímetro cúbico$1{\text{dm}}^3$ equivale a 1.000 centímetros cúbicos$1.000{\text{cm}}^3$.

Para calcular o volume de um sólido regular, como um cubo, considera-se o produto da área da base pela altura. Nesse caso,

Em um laboratório de química, é comum usar os equipamentos que aparecem na fotografia a seguir para medir o volume de materiais. Note a relação entre medida de volume e medida de capacidade.

1. proveta

2. balão volumétrico com tampa

3. pipeta graduada

4. bureta

5. pipeta volumétrica

6. micropipeta

7. microsseringa com agulha

V é igual a 1 metro vezes 1 metro vezes 1 metro$V=1\text{ m}\mathbf{·}1\text{ m}\mathbf{·}1\text{ m}$, portanto, 1 metro cúbico$1{\text{m}}^3$, o qual equivale à capacidade de 1.000 litros$1.000\text{ L}$.

V é igual a 1 decímetro vezes 1 decímetro vezes 1 decímetro$V=1\text{ dm}\mathbf{·}1\text{ dm}\mathbf{·}1\text{ dm}$, portanto, 1 decímetro cúbico$1{\text{dm}}^3$, o qual equivale à capacidade de 1 litro$1\text{ L}$.

Densidade

Ao beber um copo de água com gelo, você já deve ter notado que os cubos de gelo não ficam na parte de baixo do recipiente, mas boiando. Uma parte do gelo, inclusive, fica acima da superfície da água.

A densidade é a grandeza física que relaciona a massa de um material com o seu volume. Ela pode ser expressa pelo quociente entre a massa e o volume:

No SI, a unidade de medida da densidade de um corpo é o quilograma por metro cúbico abre parênteses quilograma barra metro cúbico fecha parênteses$\left(\text{kg}\text{/}{\text{m}}^3\right)$. No cotidiano, contudo, são usadas outras unidades: o grama por centímetro cúbico abre parênteses grama barra centímetro cúbico fecha parênteses$\left(\text{g}/{\text{cm}}^3\right)$ e o grama por mililitro abre parênteses grama barra mililitro fecha parênteses$\left(\text{g}\text{/}\text{mL}\right)$.

Pressão

Confira a imagem a seguir.

A situação apresentada está relacionada à atuação da pressão sobre os corpos. Quando sugamos o ar de dentro de um canudo que está parcialmente imerso em um copo com suco, ocorre a diminuição da pressão no interior dele, que se torna menor do que a pressão atmosférica. Essa diferença de pressão faz o líquido subir pelo canudo.

Para compreender o que é pressão, tomemos como exemplo uma caixa de massa 6 quilogramas$6\text{ kg}$ submetida à aceleração gravitacional de 10 metros por segundo elevado ao quadrado$10\text{ m/}{\text{s}}^2$. Nesse caso, o respectivo peso é igual a 60 newtons$60\text{ N}$.

Considere que essa caixa esteja em cima de uma mesa cuja área seja de 4 metros quadrados$4{\text{m}}^2$, sobre a qual exerce determinada força. Para saber qual é essa força, basta determinar a razão entre a força que a caixa exerce sobre a área dessa mesa e a área da mesa.

início de fração, numerador: 60 newtons, denominador: 4 metros quadrados, fim de fração é igual a 15 newtons barra metro quadrado$\frac{60\text{ N}}{4{\text{m}}^2}=15\text{ N}\text{/}{\text{m}}^2$

Isso significa que, a cada 1 metro quadrado$1{\text{m}}^2$ da mesa, está sendo aplicada uma força de 15 newtons$15\text{ N}$.

Pressão é a razão da força pela área. Se uma força abre parênteses 'F' fecha parênteses$\left(F\right)$ atua sobre uma determinada área abre parênteses A fecha parênteses$\left(A\right)$ de uma superfície, a pressão abre parênteses P fecha parênteses$\left(P\right)$ exercida pela força sobre essa superfície é, por definição:

A unidade de pressão no SI é pascal pascal$\left(\text{Pa}\right)$, em homenagem ao físico e matemático francês Blaise Pascal (1623-1662), que fez os primeiros estudos sobre mecânica de fluidos e realizou importantes experiências com a pressão atmosférica, concluindo que, com o aumento da altitude, há diminuição na pressão atmosférica.

Em estudos a respeito dos gases atmosféricos, o físico e matemático italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) verificou que a atmosfera tem capacidade de exercer pressão sobre a superfície terrestre. Em 1643, após muitos estudos e experimentos, ele desenvolveu um instrumento para medir a pressão atmosférica: o barômetro.

O barômetro de Torricelli é formado por um tubo capilar de aproximadamente 100 centímetros$100\text{ cm}$ de comprimento que contém mercúrio abre parênteses H g fecha parênteses$\left(\text{Hg}\right)$, sendo fechado em uma das extremidades. Esse instrumento fica imerso, com a extremidade aberta voltada para baixo, em um recipiente que também contém mercúrio. O esperado é que todo o mercúrio líquido do tubo escoe para o interior da bacia; no entanto, a pressão do ar sobre a superfície do mercúrio presente na bacia impede esse escoamento total. Quando essa pressão diminui, certa quantidade de mercúrio do tubo escoa para a bacia e, consequentemente, a altura da coluna de mercúrio no tubo diminui.

Confira na imagem uma representação da inserção do barômetro de Torricelli no recipiente de mercúrio.

Ao nível do mar, o mercúrio líquido que se encontra no tubo capilar escoa até a altura de 76 centímetros$76\text{ cm}$ no tubo. Esse valor é considerado o valor da pressão normal.

Torricelli relacionou o resultado desse experimento à influência da pressão atmosférica no peso da coluna de mercúrio no tubo, pois quanto maior a pressão do ar, maior fica a coluna de mercúrio no capilar.

Ao usar o barômetro de Torricelli, observa-se que a altura da coluna de mercúrio varia conforme a altitude em que é medida.

A pressão atmosférica abre parênteses P subscrito A fecha parênteses$\left(P_{\text{A}}\right)$ ao nível do mar é equivalente à pressão de uma coluna de mercúrio de 760 milímetros$760\text{ mm}$ de altura, a 0 grau Celsius$0°\text{C}$ e em um local em que o módulo da aceleração gravitacional tem valor 'g' é igual a 9 vírgula 81 metros por segundo elevado ao quadrado$g=\mathrm{9,81}\text{ m/}{\text{s}}^2$.

Considerando que V$V$ é o volume da coluna, 'm' subscrito H g$m_{\text{Hg}}$ é a massa da coluna de mercúrio com seção reta de área A$A$ e rô subscrito H g${\mathrm{\rho }}_{\text{Hg}}$ é a densidade do mercúrio, temos que 'm' subscrito H g é igual a rô subscrito H g vezes V$m_{\text{Hg}}={\mathrm{\rho }}_{\text{Hg}}\mathbf{·}V$ e V é igual a A vezes 'h'$V=A\mathbf{·}h$. A pressão atmosférica em determinado local pode ser calculada pela expressão:

Substituindo os valores relativos às grandezas ao nível do mar e a 0 grau Celsius$0°\text{C}$ nessa expressão, obtém-se:

P subscrito A é igual a abre parênteses 13 vírgula 60 vezes 10 elevado ao cubo quilograma por metro cúbico fecha parênteses vezes abre parênteses 9 vírgula 81 metros por segundo elevado ao quadrado fecha parênteses vezes abre parênteses 0 vírgula 76 metro fecha parênteses implica em P subscrito A é igual a 1 vírgula 0 1 vezes 10 elevado a 5 pascal$P_{\text{A}}=\left(\mathrm{13,60}\mathbf{·}{10}^3\text{ kg/}{\text{m}}^3\right)\mathbf{·}\left(\mathrm{9,81}\text{ m/}{\text{s}}^2\right)\mathbf{·}\left(\mathrm{0,76}\text{ m}\right)\Rightarrow P_{\text{A}}\text{=}\mathrm{1,01}\mathbf{·}{10}^5\text{ Pa}$

Assim, 1 a t m$1\text{ atm}$ equivale a aproximadamente 1 vezes 10 elevado a 5 pascal$1\mathbf{·}{10}^5\text{ Pa}$.

Temperatura e calor

Observe a situação a seguir.

Geralmente, utilizamos os termos quente e frio em situações que envolvem o conceito de temperatura.

A temperatura é a grandeza física relacionada à energia térmica do material (o estado térmico dele). Assim, o movimento das partículas que constituem um material é maior conforme esse material fica mais quente. Essa agitação térmica indica que ele tem energia de movimento (energia cinética). Logo, a temperatura é a grandeza que mede a energia cinética média das partículas de um objeto.

O instrumento utilizado para medir a temperatura é o termômetro. Por volta de 1720, o físico polonês Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) construiu os primeiros termômetros confiáveis. O modelo mais conhecido é o líquido, ou clínico, no qual a temperatura corporal pode ser medida pela variação da altura do líquido que está contido dentro dele. Em geral, esse líquido pode ser o mercúrio ou o álcool colorido. Há ainda os termômetros à pressão de gás; os culinários; os meteorológicos, que medem as temperaturas do ambiente; e o de infravermelho (pirômetro óptico), que informa a temperatura de um corpo ao medir a irradiação térmica da superfície dele. Os mais usados e procurados são os clínicos e os meteorológicos.

Professor, professora: Comente com os estudantes que a fabricação e a comercialização de termômetros de mercúrio foram proibidas desde 2019 devido à toxicidade desse metal. Comente também que esse tipo de termômetro não pode ser descartado no lixo comum. Deve-se procurar pontos de coleta específicos.

A temperatura pode ser medida em diversas escalas, sendo as mais comuns a Celsius, a Fahrenheit e a Kelvin. No Brasil, a mais usada delas é a Celsius; nos Estados Unidos, usa-se a escala Fahrenheit, assim como em diversos países europeus.

A unidade de temperatura no SI é o kelvin abre parênteses K fecha parênteses$\left(\text{K}\right)$. As equações de conversão de temperaturas nessas escalas são:

Confira na fotografia o termômetro que mostra a temperatura ambiente em um dia no município de São Paulo. Ela está em graus Celsius, mas pode ser convertida tanto para a escala Kelvin quanto para a Fahrenheit. Nesse ambiente, a temperatura apresentada no termômetro é 34 graus Celsius$34\text{ °C}$.

T subscrito K é igual a T subscrito C mais 273 implica em T subscrito K é igual a 34 mais 273 implica em T subscrito K é igual a 307 portanto T subscrito K é igual a 307 Kelvin$T_{\text{K}}=T_{\text{C}}+273\Rightarrow T_{\text{K}}=34+273\Rightarrow T_{\text{K}}=307\mathbf{\therefore }{T}_{\text{K}}=307\text{ K}$

início de fração, numerador: T subscrito C, denominador: 5, fim de fração é igual a início de fração, numerador: T subscrito F menos 32, denominador: 9, fim de fração implica em 34 sobre 5 é igual a início de fração, numerador: T subscrito F menos 32, denominador: 9, fim de fração implica em 93 vírgula 2 portanto T subscrito F é igual a 93 vírgula 2 graus Fahrenheit$\frac{T_{\text{C}}}{5}=\frac{T_{\text{F}}-32}{9}\Rightarrow \frac{34}{5}=\frac{T_{\text{F}}-32}{9}\Rightarrow 93,2\mathbf{\therefore }{T}_{\text{F}}=93,2°\text{F}$

Assim, no ambiente apresentado, a temperatura de 34 graus Celsius$34°\text{C}$ corresponde a 307 Kelvin$307\text{ K}$ ou 93 vírgula 2 graus Fahrenheit$93,2°\text{F}$.

Calor é a energia térmica em trânsito. Assim, a energia térmica é transferida de um material para outro, desde que, entre eles, haja diferença de temperatura. O calor pode se transferir de um corpo a outro por condução, convecção ou irradiação.

Na transferência de energia na forma de calor por condução, a energia se propaga por causa da agitação das partículas do material. Esse processo é mais eficiente em materiais como os metais, que são bons condutores de calor. Isso também explica o motivo de muitas panelas serem feitas desse material.

Como os metais são bons condutores, o calor pode ser transferido por condução para a mão da pessoa por meio do utensílio metálico.

A utilização de utensílios de madeira ou com cabo feito de outro material que não seja bom condutor de calor diminui a condução do calor para a mão da pessoa.

A transferência de energia na forma de calor por convecção é comum em gases e líquidos. Assim, ao colocar água para ferver em uma panela, por exemplo, a parte do líquido que está mais próximo do fogo será a primeira a aquecer. Quando isso acontece, tende a sofrer expansão, ficando menos densa do que a água da superfície (que está mais fria). Dessa maneira, ela tende a se deslocar para ficar por cima, enquanto a parte mais fria e mais densa se move para baixo. Esse ciclo repete-se várias vezes e forma uma corrente denominada corrente de convecção, que é ocasionada pela diferença entre as densidades. Isso faz com que o fluxo de energia na forma de calor seja transferido para todo o líquido.

Na irradiação ou radiação térmica, a transferência de calor ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, as quais podem se propagar no vácuo.

Quando materiais com diferentes temperaturas são colocados em contato, o fluxo de calor passa do material com maior temperatura para o com menor temperatura. Esse fluxo de energia continuará enquanto os dois materiais em contato não atingirem a mesma temperatura. Por exemplo, ao segurar uma xícara com chá quente, a energia térmica da bebida é transferida na forma de calor para a xícara e para as mãos até que a temperatura se iguale.

Na Química, para representar as grandezas físicas, de forma geral, faz-se uso de números em notação científica e em ordem de grandeza. A notação científica facilita a escrita de um número.

Números em notação científica

Um número em notação científica é representado na forma de um produto de dois fatores. Um deles tem, em sua parte inteira, um número diferente de zero; o outro é uma potência de dez, que pode ser positiva, nula ou negativa. Dessa forma, o número abre parênteses n fecha parênteses$\left(n\right)$ em notação científica poderá ser representado da seguinte maneira:

Confira no quadro Exemplos de números reais expressos em notação científica alguns números representados em notação científica.

Para representar um número, também pode-se utilizar os símbolos dos prefixos do Sistema Internacional. Observe o quadro Exemplos de prefixos e símbolos.

Ordem de grandeza

Para fazer a conversão de um número em sua representação em notação científica, é preciso considerar o valor numérico de determinada grandeza. Nesse caso, os cientistas costumam expressá-la em ordem de grandeza.

Em linhas gerais, a ordem de grandeza de um número é a potência de dez mais próxima dele. Assim, a ordem de grandeza do número 18 é 10 elevado a 1, porque 18 está mais próximo de 10 elevado a 1 do que de 10 elevado a 2. Já a ordem de grandeza do número 62 é 10 elevado a 2.

O estudo da matéria

O seu corpo, assim como o de qualquer outro ser humano, é composto por diferentes sistemas, órgãos, tecidos e células. E se dissessem a você que os seres humanos e todos os seres vivos ou elementos não vivos no Universo são compostos de átomos, você concordaria com essa afirmativa?

Tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço é chamado de matéria e toda matéria é constituída de átomos. Então, sim, podemos afirmar que os seres humanos são compostos de um conjunto de átomos, que podem interagir e reagir uns com os outros.

A. Eletrosfera: região localizada ao redor do núcleo e onde estão os elétrons (representados em amarelo).

B. Núcleo: região central do átomo composta de prótons (representados em rosa) e nêutrons (representados em azul).

Atualmente, sabemos que um átomo apresenta uma região central, chamada núcleo, e uma periférica, denominada eletrosfera. E sabemos também que ele é composto de estruturas ainda menores, chamadas partículas subatômicas, como os prótons, os nêutrons e os elétrons. Confira essas estruturas na imagem.

O átomo é eletricamente neutro, ou seja, contém o mesmo número de prótons e elétrons, e a maior parte de sua massa está concentrada no núcleo, com a massa dos elétrons sendo praticamente desprezível. Já a eletrosfera concentra o maior volume de um átomo, quando comparada ao núcleo atômico.

Os átomos podem se unir com outros átomos iguais ou diferentes, em proporções variadas, formando substâncias. A molécula de oxigênio abre parênteses O subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{O}}_2\right)$, por exemplo, é formada pela união de dois átomos de oxigênio abre parênteses O fecha parênteses$\left(\text{O}\right)$. Já a molécula de água abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$ é formada pela união de dois átomos de hidrogênio abre parênteses H fecha parênteses$\left(\text{H}\right)$ e um átomo de oxigênio.

Origem dos elementos químicos

Os átomos com o mesmo número de prótons no núcleo atômico correspondem a um elemento químico, como o hidrogênio (H$\text{H}$, átomos com um próton), o hélio (H e$\text{He}$, átomos com dois prótons) e o oxigênio (O$\text{O}$, átomos com oito prótons). Esses e tantos outros elementos químicos estão presentes no Universo e fazem parte da matéria existente. Você já parou para pensar como surgiram esses e os demais elementos químicos?

Atualmente, a teoria do Big Bang é a mais aceita para explicar a origem do Universo. Nela, o Universo teria começado a partir de um ponto material extremamente quente e denso, que continha toda a energia existente no Universo e que sofreu uma rápida expansão e resfriamento, formando a matéria que compõe as galáxias, as estrelas e os planetas. Confira a seguir algumas etapas do Big Bang.

Imagem elaborada com base em: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. O Big Bang. Disponível em: https://s.livro.pro/wkqedp UNIVERSITY OF CALIFORNIA. Origin of the elements. Disponível em: https://s.livro.pro/nnarvm. Acessos em: 7 ago. 2024.

As primeiras estrelas eram compostas basicamente dos elementos químicos hélio e hidrogênio. No interior delas, as condições de pressão e temperatura possibilitaram a formação de outros elementos químicos que passaram a fazer parte do Universo.

O tamanho das estrelas é um dos fatores que interfere nas condições internas e na formação dos elementos químicos. Confira a seguir os elementos químicos formados ao longo da evolução de estrelas com tamanho inferior a oito massas solares – menor do que 8 vezes a massa do Sol abre parênteses 1 vírgula 9 vezes 10 elevado a 30 quilogramas fecha parênteses$\left(\mathrm{1,9}\mathbf{·}{10}^{30}\text{ kg}\right)$.

Confira a seguir os elementos químicos formados ao longo da evolução de estrelas com tamanho superior a 8 massas solares.

Imagens elaboradas com base em: NASA. What is Your Cosmic Connection to the Elements? Disponível em: https://s.livro.pro/5huge8. Acesso em: 7 ago. 2024.

Além da formação de elementos químicos nas estrelas, é possível que alguns deles se originem do espaço, por ação dos raios cósmicos, que são formados por partículas como prótons e elétrons e se movem em alta velocidade. Esses raios podem se chocar com átomos existentes no espaço entre as estrelas, como átomos de hidrogênio e de hélio, originando átomos de outros elementos químicos, como lítio, berílio abre parênteses B e fecha parênteses$\left(\text{Be}\right)$ e boro abre parênteses B fecha parênteses$\left(\text{B}\right)$.

Distribuição dos elementos químicos

Ao longo da origem e do desenvolvimento do Universo, diferentes elementos químicos se formaram e se espalharam pelo espaço. Os átomos desses elementos foram se unindo uns com os outros, originando as substâncias. Estas também interagiram entre si e originaram porções de matéria cada vez maiores, possibilitando a formação de diferentes astros, como estrelas, planetas e sistemas planetários.

O Sistema Solar se formou há cerca de 4,6 bilhões de anos, a partir de uma nuvem densa de poeira e gás, chamada nebulosa solar. Ao entrar em colapso, a matéria dessa nuvem começou a se mover rapidamente, formando um disco. Nesse disco, as partículas microscópicas de matéria começaram a se unir, dando origem a corpos rochosos, que resultaram em planetesimais, que assim originaram os planetas.

A. Os planetesimais ricos em elementos químicos mais densos, como metais e silicatos, foram mantidos na região mais interna do disco, próximo ao Sol, onde a temperatura era elevada. Esses planetesimais deram origem aos planetas rochosos Mercúrio, Vênus, Terra e Marte.

B. Substâncias voláteis, como água e amônia abre parênteses N H subscrito 3 fecha parênteses$\left(\text{N}{\text{H}}_3\right)$, foram empurradas para as porções mais externas do disco. Por causa das baixas temperaturas dessa região, essas moléculas se condensaram. Os planetesimais formados nessa região deram origem a planetas com núcleos rochosos e porções externas ricas em líquidos e gases, os chamados planetas gasosos Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.

A distribuição variável dos elementos químicos durante a formação do Sistema Solar interferiu na composição atual dos astros desse sistema planetário. Veja a seguir.

Composto principalmente de hidrogênio e hélio, havendo também pequenas quantidades de oxigênio, carbono, ferro e nitrogênio.

Sua atmosfera é composta principalmente de oxigênio, sódio, hidrogênio, hélio e potássio. Seu núcleo, no entanto, é composto basicamente de ferro.

Apresenta uma atmosfera composta de dióxido de carbono abre parênteses C O subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{CO}}_2\right)$, gás nitrogênio e nuvens contendo gotículas de ácido sulfúrico abre parênteses H subscrito 2 S O subscrito 4 fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4\right)$. Seu núcleo é composto de ferro e níquel.

Sua atmosfera é composta, principalmente, pelos gases nitrogênio e oxigênio. Além desses gases, há outros em menor quantidade, como argônio, dióxido de carbono e neônio.

Apresenta uma atmosfera composta pelos gases hidrogênio e hélio. Já seu núcleo é composto de ferro e níquel, envolvido por hidrogênio líquido.

Sua atmosfera é composta pelos gases dióxido de carbono, nitrogênio e argônio. Já seu núcleo tem ferro e níquel.

Seu núcleo é composto de ferro e níquel, rodeado por água. Já sua atmosfera é composta pelos gases hidrogênio e hélio e uma pequena quantidade de metano, além de traços de água e amônia.

Sua atmosfera é composta pelos gases hidrogênio, hélio, metano, amônia e vapor de água. Seu núcleo é formado por ferro e dióxido de silício abre parênteses S i O subscrito 2 fecha parênteses$\left(\text{Si}{\text{O}}_2\right)$, envolvido por hidrogênio líquido.

Sua atmosfera é composta pelos gases hidrogênio e hélio e uma pequena quantidade de metano abre parênteses C H subscrito 4 fecha parênteses$\left(\text{C}{\text{H}}_4\right)$. Seu núcleo é composto de ferro e níquel e é rodeado por água com amônia e metano dissolvidos.

A estrutura da Terra

Em determinado momento de sua formação, o material que compunha a Terra estava completamente derretido. Nesse estado, a maior parte dos átomos de ferro e dos átomos de outros elementos químicos mais densos se movimentou em direção ao centro do planeta, enquanto os mais leves se moveram para a superfície. Esse processo é chamado diferenciação planetária e possibilitou a formação das quatro camadas principais da Terra: núcleo interno, núcleo externo, manto e crosta, com constituições químicas variadas. Confira a seguir.

A. Crosta: camada mais externa da Terra, formada basicamente pelos elementos químicos oxigênio, silício, alumínio, ferro, cálcio, magnésio, potássio e sódio. Nas porções continentais, essa camada apresenta em média 30 quilômetros$30\text{ km}$ de espessura, enquanto no assoalho dos oceanos o valor médio é de 5 quilômetros$5\text{ km}$.

B. Manto: camada mais espessa da Terra, cuja composição química abrange principalmente os elementos oxigênio, magnésio, silício e ferro. Apresenta cerca de 2.900 quilômetros$2.900\text{ km}$ de espessura e é composta por rochas derretidas ricas em ferro e magnésio.

C. Núcleo externo: região de aproximadamente 2.300 quilômetros$2.300\text{ km}$ de espessura, composta de ferro e níquel líquidos.

D. Núcleo interno: esfera sólida composta de ferro e níquel, com aproximadamente 1.220 quilômetros$1.220\text{ km}$ de raio.

Imagem elaborada com base em: IN DEPTH. Nasa Science. Disponível em: https://s.livro.pro/4lcprt. Acesso em: 7 ago. 2024; PRESS, Frank et al. Para entender a Terra. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. p. 31-32.

Embora haja na Terra mais de 100 elementos químicos, apenas 8 deles correspondem a mais de 99% da massa do planeta. Entre eles, destacam-se o ferro, o oxigênio, o silício e o magnésio, que totalizam mais de 90% da massa terrestre.

Teorias atômicas

Do que a matéria é formada? Qual é a menor porção da matéria? O que a areia, o ser humano e um cometa, por exemplo, têm em comum? Questões como essas e inúmeras outras intrigaram os cientistas ao longo do tempo. Para respondê-las, alguns estudiosos desenvolveram modelos científicos, que são representações simplificadas, abstratas e idealizadas da realidade.

Os filósofos antigos foram os primeiros a divulgar suas ideias com o intuito de explicar a natureza da matéria que constitui todo o Universo. Por exemplo, os pré-socráticos, como os gregos Leucipo de Mileto (500 a.C.-430 a.C.) e Demócrito de Abdera (460 a.C.-370 a.C.), defendiam que toda a matéria era constituída por partículas minúsculas e indivisíveis, chamadas átomos (do grego a, "não", e tomo, "parte", ou seja, "o indivisível"). Para esses filósofos, os átomos estavam em constante movimento, ocasionando colisões e reagrupamentos que resultaram na formação da matéria. Os estudiosos que defendiam essas ideias ficaram conhecidos como atomistas.

Outra proposta sobre a constituição da matéria foi formulada pelo filósofo grego Empédocles (490 a.C.-430 a.C.). Para ele, tudo o que existia no Universo era formado por quatro elementos: água, ar, terra e fogo. Apesar de ter conseguido comprovar a existência material do ar, que considerava ser uma substância, ele não tinha evidências experimentais para os outros elementos de sua hipótese.

Já os filósofos gregos Platão (427 a.C.-347 a.C.) e Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) foram grandes defensores da ideia dos quatro elementos. Além disso, eles incorporaram outras concepções a respeito da constituição da matéria, formulando hipóteses como a da inexistência de partículas indivisíveis, como outros estudiosos defendiam.

Durante certo tempo, a linha de pensamento dos quatro elementos se sobrepôs à visão atômica da constituição da matéria, exercendo grande influência sobre o pensamento científico, da Antiguidade ao século XVII.

No século XVII, a noção de átomo, proposta por Demócrito e Leucipo, foi retomada, substituindo as ideias de Empédocles. Isso ocorreu porque alguns cientistas perceberam que a água e o ar, por exemplo, não eram elementos fundamentais da matéria, mas se combinavam para formar novas substâncias.

Na tentativa de reconhecer os átomos como componentes básicos da matéria, conhecer suas propriedades e como interagiam para formar substâncias, diversos cientistas desenvolveram diferentes teorias e modelos ao longo do tempo. A seguir, vamos estudar alguns desses modelos e teorias atômicas.

Teoria atômica de Dalton

Em 1803, John Dalton retomou a ideia atômica proposta por Demócrito e Leucipo para explicar a composição da matéria.

Embora os filósofos pré-socráticos já houvessem citado a existência de átomos indivisíveis como constituintes da matéria, foi Dalton quem demonstrou experimentalmente que os átomos poderiam existir, provendo um caráter científico para os estudos da constituição da matéria.

Sua teoria se baseava na lei da conservação das massas e na lei das proporções constantes. Com esses estudos, John Dalton formulou alguns postulados^✚, que reúnem as informações a seguir.

• Toda a matéria é composta de pequenas partículas indivisíveis chamadas átomos.
• Todos os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos em massa e propriedades.
• Os átomos de diferentes elementos químicos diferem entre si e têm massas, propriedades físicas e propriedades químicas distintas.
• Durante as reações químicas, os átomos não são criados nem destruídos.
• Os átomos podem se combinar, formando substâncias.
• A combinação de átomos de mais de um elemento químico resulta em compostos.
• Um composto é sempre constituído dos mesmos números e tipos de átomos.

A teoria atômica de Dalton (1808) considerava que os átomos eram esféricos, maciços e indivisíveis.

Além da formulação do modelo atômico, Dalton elaborou uma representação simbólica de átomos, em que os elementos químicos eram representados por círculos com linhas, pontos e letras.

Os símbolos utilizados por Dalton serviam individualmente para representar os elementos e, em combinação, para representar os compostos.

Veja a seguir alguns exemplos dos símbolos criados por Dalton.

Em seus estudos, Dalton investigou as propriedades da matéria, afirmando, por exemplo, que a massa de determinado composto é igual à soma das massas dos átomos que o compõem.

Os postulados de Dalton também explicavam como compostos diferentes podem ser formados pelos mesmos tipos de átomos. Para isso, bastava que as proporções dos átomos fossem diferentes. Acompanhe os exemplos a seguir.

Teoria atômica de Thomson

Ao longo do tempo, os avanços na investigação da matéria se direcionavam para uma nova visão de átomo, sugerindo uma estrutura mais complexa e constituída por partículas ainda menores, chamadas subatômicas. O desenvolvimento de estudos e experimentos sobre a eletricidade e a radioatividade foi essencial para as primeiras elucidações a respeito da estrutura interna do átomo.

A partir do século XVIII, foram realizados estudos sobre as descargas elétricas. Por meio deles, os cientistas perceberam, por exemplo, que ao aplicar alta voltagem no tubo contendo gás à baixa pressão, surgia uma radiação em seu interior. Essa radiação não era visível, mas sua movimentação no interior do tubo podia ser percebida em razão da emissão de luz. A radiação que surgia no interior do tubo se originava no polo negativo, também chamado de cátodo, e por isso recebeu o nome de raios catódicos. Apresentamos a seguir uma representação desse aparato, desenvolvido pelo químico inglês William Crookes (1832-1919).

Em 1897, o físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) realizou experimentos com os raios catódicos utilizando diferentes gases. Ele observou que esses raios se originavam de qualquer tipo de gás e sofriam desvios em direção à placa de metal carregada positivamente. Com isso, concluiu que os raios catódicos eram compostos de partículas providas de massa e carregadas negativamente, às quais deu o nome de elétrons. Essa foi a primeira partícula subatômica descoberta e a primeira evidência experimental da estrutura interna dos átomos, agora vistos como unidades divisíveis.

Além disso, embora os elétrons apresentassem carga negativa, os átomos como um todo tinham carga nula. Sendo assim, os átomos deveriam apresentar carga positiva suficiente para anular a carga negativa.

Em 1903, para abranger suas observações, Thomson propôs um novo modelo de átomo, que consistia em uma esfera maciça e com carga positiva, na qual pequenas partículas negativas, os elétrons, estariam distribuídas por toda a massa uniforme de matéria.

Teoria atômica de Nagaoka

Em 1904, o físico japonês Hantaro Nagaoka (1865-1950) apresentou à comunidade científica seu modelo atômico. De acordo com ele, o átomo não era uma esfera maciça que concentrava a maior parte do volume atômico, na qual estavam distribuídos os elétrons, mas sim uma grande região central ao redor da qual os elétrons se moviam em órbita.

Teoria atômica de Rutherford

Em 1910, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e sua equipe, composta pelo físico alemão Hans Geiger (1882-1945) e o físico inglês Ernest Marsden (1889-1970), propuseram alguns experimentos que consistiam em colocar uma lâmina de ouro na frente da amostra de um elemento químico radioativo, ou seja, que emite radiação espontaneamente.

Ao bombardear a lâmina de ouro com partículas alfa, provenientes do elemento químico polônio abre parênteses P o fecha parênteses$\left(\text{Po}\right)$, Rutherford e seus colaboradores observaram que a maioria delas atravessou a lâmina de ouro. No entanto, algumas dessas partículas sofreram desvios e outras ricochetearam em direção à fonte. A análise dos resultados desse experimento levou a conclusões incoerentes com o modelo atômico proposto por Thomson.

Os resultados do experimento descrito anteriormente levaram à elaboração de um novo modelo atômico. Nele, Rutherford propôs que o átomo era formado por uma pequena região central positiva, que concentrava quase toda a massa do átomo − o núcleo −, e era circundada por um grande espaço vazio. Nesse espaço, localizavam-se os elétrons, que se movimentavam em torno do núcleo.

Analisando os resultados dos experimentos, Rutherford e sua equipe calcularam que a região central do átomo, o núcleo, era aproximadamente 10.000 vezes menor que o tamanho total do átomo.

Atualmente, sabemos que o diâmetro dos átomos é da ordem de 10 elevado a menos 10 metro${10}^{-10}\text{ m}$. Por ser um valor muito pequeno, ele é quase sempre expresso na unidade de picômetros abre parênteses 1 p m é igual a 10 elevado a menos 12 metro fecha parênteses$\left(1\text{ pm}={10}^{-12}\text{ m}\right)$, que faz parte do Sistema Internacional de Unidades (SI). Outra unidade também usada para expressar medidas atômicas é o angstrom abre parênteses 1 angstrom é igual a 10 elevado a menos 10 metro fecha parênteses$\left(1\text{ Å}={10}^{-10}\text{ m}\right)$, mesmo que este não integre o SI.

O diâmetro atômico do hidrogênio, por exemplo, é de aproximadamente 1 vírgula 1 angstrom$\mathrm{1,1}\text{ Å}$. O diâmetro do próton, por sua vez, tem aproximadamente 1 vírgula 7 vezes 10 elevado a menos 5 angstrom$\mathrm{1,7}\mathbf{·}{10}^{-5}\text{ Å}$. Podemos imaginar essa relação da seguinte forma: se o diâmetro total do átomo de hidrogênio fosse do tamanho de um campo de futebol profissional, o núcleo seria do tamanho de uma formiga no centro desse campo.

Rutherford continuou realizando experimentos com as partículas alfa$\text{α}$. Em 1919, ele concluiu que o núcleo de todos os átomos continha partículas carregadas positivamente. A essas partículas subatômicas foi dado o nome de próton.

Em 1913, ao realizar experimentos com raios X, o físico inglês Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915), membro da equipe de Rutherford, chegou à conclusão de que as propriedades dos elementos químicos variavam em função do número de prótons existentes no núcleo atômico. Dessa forma, foi possível determinar que todo elemento químico apresenta uma quantidade específica de prótons no núcleo.

A carga elétrica líquida de um átomo é neutra, ou seja, a quantidade de cargas positivas (prótons) e negativas (elétrons) é igual.

Experimentos indicavam que a massa do átomo era maior que a massa dos prótons de seu núcleo. Esse fato levou os cientistas a considerar a existência de outra partícula no núcleo atômico, além dos prótons, uma vez que a massa dos elétrons é praticamente desprezível.

Em 1932, o físico nuclear inglês James Chadwick (1891-1974), também membro da equipe de Rutherford, identificou uma nova partícula subatômica, com massa praticamente igual à do próton, porém sem carga elétrica. Essa partícula recebeu o nome de nêutron. Para identificá-la, Chadwick realizou um experimento que consistia em bombardear uma folha de berílio com partículas alfa$\text{α}$, provenientes de uma amostra de um elemento radioativo. Atrás dessa folha, foi colocada uma placa de parafina e um contador Geiger^✚.

Nesse experimento, a incidência de partículas alfa$\text{α}$ na folha de berílio fazia com que ela liberasse nêutrons, os quais colidiam com a placa de parafina, deslocando prótons dela, que eram detectados pelo contador Geiger.

Após o experimento de Chadwick, sabia-se que o átomo era composto de três partículas subatômicas, que apresentam diferentes características. Observe a seguir.

Fonte de pesquisa: HAYNES, William M. CRC handbook of chemistry and physics. 97. ed. Boca Raton: CRC Press, 2016-2017. p. 1-1, 1-4.

Teoria atômica de Bohr

Assim como os modelos atômicos propostos anteriormente, o elaborado por Rutherford e seus colaboradores tinha incoerências. Sabe-se, por exemplo, que corpos com carga elétrica e em movimento emitem radiação. Sendo assim, os elétrons, que se movem rapidamente ao redor do núcleo, de acordo com Rutherford, tenderiam a perder energia, sendo atraídos pelo núcleo. Isso causaria o colapso dos átomos, o que na prática impediria a existência deles e, consequentemente, de qualquer elemento químico.

Durante muito tempo, considerava-se que a energia era emitida de modo contínuo. No entanto, em 1900, o físico alemão Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) admitiu que a energia era descontínua. De acordo com sua teoria, a quantidade fixa de energia era absorvida ou emitida sob a forma de "pequenos pacotes", chamados quantum – no plural, quanta.

No início do século XX, o físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), com base em suas análises, nas afirmações de Planck e em outros estudos da interação da luz com a matéria, propôs uma nova visão da estrutura do átomo. Ele sugeriu que os átomos de diferentes elementos químicos teriam determinados estados de energia, uma vez que emitiam radiações em determinados comprimentos de onda.

Em 1913, Bohr apresentou seu modelo atômico com base em três postulados, descritos a seguir.

• Os elétrons se movem em órbitas circulares ao redor do núcleo atômico. O número de órbitas em um átomo é variável e limitado. Cada uma dessas órbitas é chamada de camada eletrônica ou nível de energia abre parênteses n fecha parênteses$\left(\text{n}\right)$. A energia dessas camadas varia, sendo maior nas que se localizam mais distantes do núcleo atômico.
• Enquanto se movimentam em uma camada eletrônica específica, os elétrons não emitem energia espontaneamente, mantendo-se no chamado estado estacionário.
• Quando o elétron absorve energia suficiente, proveniente do meio externo, ele se desloca de um nível de menor energia (mais próximo do núcleo) para um nível de maior energia (mais distante do núcleo), passando do estado estacionário para o estado excitado. O elétron pode retornar ao estado estacionário, emitindo a energia que absorveu previamente e retornando à camada eletrônica de menor energia. Ao retornar à sua órbita original (estado fundamental), o elétron emite, sob a forma de fóton, a mesma quantidade de energia que absorveu previamente.

Confira a seguir o esquema com a representação da absorção e emissão de energia pelo elétron de um átomo.

1.

2.

3.

Em síntese, um elétron, quando em estado estacionário, tem energia total constante. No entanto, quando em estado excitado, sua energia total varia. Assim, Bohr concluiu que, quanto mais próxima for a órbita eletrônica permitida em relação ao núcleo atômico, mais estável será o sistema elétron/núcleo (menor energia total).

Considerando os 118 elementos químicos conhecidos atualmente e suas respectivas quantidades de elétrons, os átomos podem ter no máximo sete níveis de energia, que são identificados por números inteiros, de 1 a 7, ou pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Os níveis mais próximos do núcleo contêm os elétrons de menor energia, enquanto os elétrons mais energéticos se encontram nos níveis de energia mais afastados do núcleo. Cada nível de energia abriga um número limite de elétrons, como mostra o quadro a seguir.

Por exemplo, o átomo de argônio abre parênteses A r fecha parênteses$\left(\text{Ar}\right)$ tem 18 elétrons. Eles se distribuem de forma que a primeira e a segunda camada estão completamente preenchidas com 2 e 8 elétrons, respectivamente. Na última camada, há 8 elétrons.

A teoria atômica atual

Avanços na área da Física levaram alguns cientistas a questionar a natureza do elétron. O físico francês Louis de Broglie (1892--1987) buscou explicar o comportamento dos elétrons com base na ideia de uma dualidade onda-partícula. Assim, ora o comportamento do elétron pode ser explicado como sendo uma partícula, ora esse comportamento é semelhante ao de uma onda.

Para compreender a diferença entre esses comportamentos, é preciso analisar como corpos (partículas) e ondas se movimentam no espaço. As partículas percorrem trajetórias bem definidas, descritas pelas leis da Mecânica Clássica. Assim, quando duas partículas colidem, ocorre um desvio na trajetória delas. Esse comportamento pode ser observado, por exemplo, se um conjunto de partículas for lançado contra um obstáculo com fendas.

As partículas que não se chocam com o obstáculo não têm sua trajetória alterada e passam pela fenda. Já as partículas que se chocam com o obstáculo não passam pela fenda, pois sua trajetória é desviada.

As ondas, por sua vez, quando se encontram com outras ondas, sofrem fenômenos de interferência e, nesses casos, suas trajetórias se sobrepõem. Assim, ao lançar um feixe de ondas (como a luz) contra um obstáculo com fendas, observa-se um comportamento diferente do das partículas.

Ao passar por uma fenda, as ondas sofrem um fenômeno chamado difração, no qual os obstáculos são contornados. Esse comportamento foi demonstrado em 1801 pelo físico britânico Thomas Young (1773-1829) ao realizar um experimento com feixes de luz, que ficou conhecido como experimento da dupla fenda, provando que a luz era composta de ondas.

A primeira tentativa de testar o comportamento ondulatório dos elétrons, proposta em 1923 por Louis de Broglie, foi realizada em 1927 pelos físicos estadunidenses Clinton Davisson (1881-1958) e Lester Germer (1896-1971). Eles observaram a difração de um feixe de elétrons através de um cristal de níquel. Apesar do sucesso do experimento anterior, a difração de elétrons através de uma dupla fenda só foi verificada em 1961, pelo físico alemão Claus Jönsson (1930-2024). Essa foi a prova definitiva de que a teoria da dualidade onda-partícula para os elétrons estava correta.

Com base nas observações de Louis de Broglie, em 1926, o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) relatou que os elétrons não se movimentavam em órbitas específicas com distâncias fixas do núcleo, como propunha o modelo atômico de Bohr, mas se moviam livremente em torno do núcleo. Assim, foi postulado que há regiões nas quais se tem maior probabilidade de encontrar elétrons. Essa região é determinada com base em cálculos matemáticos e recebeu o nome de orbital atômico.

Sendo assim, no atual modelo atômico, o átomo apresenta o núcleo circundado por orbitais atômicos, que deixam de ser locais fixos em que os elétrons se movimentam para se tornarem as principais regiões do átomo onde os elétrons podem ser encontrados. Dessa forma, não é possível determinar com exatidão a posição do elétron no átomo, apenas a região mais provável de sua ocorrência. Na representação do modelo atômico atual, a região mais escura em torno do núcleo representa o local de maior probabilidade de encontrar os elétrons.

Nesse modelo, cada camada corresponde a um número quântico principal abre parênteses n fecha parênteses$\left(\text{n}\right)$ inteiro e maior que zero. Ou seja, as sete camadas eletrônicas correspondem aos números quânticos de 1 a 7. Quanto maior o valor de n, mais energética é a camada eletrônica.

Além disso, cada camada eletrônica está dividida em subcamadas, dadas pelo número quântico secundário abre parênteses l fecha parênteses$\left(\mathcal{l}\right)$. Existem n$\text{n}$ valores diferentes de l$\mathcal{l}$ para cada valor de n$\text{n}$, e ele vai de zero a n menos 1$\text{n}-1$. Considerando, por exemplo, n é igual a 3$\text{n}=3$, l$\mathcal{l}$ poderá ter três valores, que são 0, 1 e 2.

Por fim, o último número que descreve um orbital atômico é o número quântico magnético abre parênteses m l fecha parênteses$\left(\text{m}\mathcal{l}\right)$. Ele pode ter valores inteiros entre l$\mathcal{l}$ e menos l$-\mathcal{l}$. Observe essa relação no quadro a seguir.

Distribuição eletrônica

Cada orbital pode conter até dois elétrons, o que significa que as quantidades de elétrons nas subcamadas são diferentes.

Com base nas informações obtidas pelos números quânticos, podemos determinar a divisão das camadas em subcamadas e a quantidade de elétrons em cada uma. Observe como os valores condizem com os vistos anteriormente.

Mesmo que não seja possível determinar a posição exata dos elétrons, sabe-se que eles se distribuem ao redor do núcleo de maneira a ter a menor energia possível, o que garante estabilidade aos átomos. Assim, a tendência é que as camadas eletrônicas sejam preenchidas no sentido da camada de menor energia para a de maior energia. Esse comportamento pode ser descrito com um diagrama proposto pelo químico estadunidense Linus Pauling (1901-1994). Confira o sentido da seta no diagrama apresentado. Ela indica o sentido de preenchimento das subcamadas eletrônicas.

Portanto, a distribuição dos elétrons da maioria dos átomos segue a seguinte ordem crescente de energia:

Por exemplo, a distribuição eletrônica do átomo de carbono, que tem 6 elétrons, será 1 s elevado ao quadrado 2 s elevado ao quadrado 2 p elevado ao quadrado${\text{1s}}^2{\text{ 2s}}^2{\text{2p}}^2$. Note que a soma dos valores sobrescritos corresponde ao número total de elétrons do átomo.

Desenvolvimento da tabela periódica

Ao longo do ano, a escola de Júlia realizou vários passeios com as turmas do Ensino Médio. Nesses passeios, ela e seus colegas visitaram um parque de diversões, uma exposição de arte, um jardim botânico, assistiram a um concerto da orquestra da cidade e foram a um museu de ciências.

Júlia gosta de registrar os lugares que visita e faz isso com seu smartphone, assim, pode relembrar suas experiências e compartilhar as fotografias, os vídeos e os áudios com a família e os amigos. Esses arquivos ficam armazenados na memória do smartphone na ordem cronológica em que são realizados. Na imagem A, é possível verificar como os diferentes tipos de mídia ficam misturados na pasta de arquivos do dispositivo.

No dia da visita ao museu de ciências, Júlia e sua turma puderam apreciar diferentes peças do acervo e ela fez diversos registros. Alguns meses depois, ao se encontrar com uma amiga, ela quis mostrar a fotografia de um terrário.

Essa tarefa foi um pouco difícil, pois teve de localizar a fotografia desejada entre todos os arquivos daquele ano, o que tomou bastante tempo.

A.

Tal processo seria facilitado se Júlia pudesse organizar os arquivos de acordo com suas necessidades. Assim, ela poderia agrupar os registros de acordo com a localização e ordená-los por tipo de arquivo, como na imagem B.

B.

Situações semelhantes a essa ocorreram com os elementos químicos no início do século XIX. Com mais de 30 elementos conhecidos, os cientistas da época sentiram que era necessário organizá-los a fim de facilitar a compreensão de suas propriedades e características.

Vários estudiosos se dedicaram à elaboração de um modelo que agrupasse os elementos químicos com propriedades semelhantes, contribuindo assim para a criação da tabela periódica que conhecemos atualmente.

As primeiras tabelas periódicas

A primeira tentativa de classificar os elementos químicos foi proposta em 1789, pelo químico francês Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794). Ele agrupou os elementos até então conhecidos com base em suas propriedades, classificando-os em gases, metais, não metais e terrosos.

Em 1829, o químico alemão Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) observou que os elementos então conhecidos e que tinham propriedades semelhantes podiam ser organizados em grupos de três a três (tríades). A seguir, alguns exemplos das tríades propostas por Döbereiner.

• Lítio abre parênteses L i fecha parênteses$\left(\text{Li}\right)$, sódio abre parênteses N a fecha parênteses$\left(\text{Na}\right)$ e potássio abre parênteses K fecha parênteses$\left(\text{K}\right)$.
• Cálcio abre parênteses C a fecha parênteses$\left(\text{Ca}\right)$, estrôncio abre parênteses S r fecha parênteses$\left(\text{Sr}\right)$ e bário abre parênteses B a fecha parênteses$\left(\text{Ba}\right)$.
• Cloro abre parênteses C l fecha parênteses$\left(\text{C}\mathcal{l}\right)$, bromo abre parênteses B r fecha parênteses$\left(\text{Br}\right)$ e iodo abre parênteses I fecha parênteses$\left(\text{I}\right)$.
• Ferro abre parênteses F e fecha parênteses$\left(\text{Fe}\right)$, cobalto abre parênteses C o fecha parênteses$\left(\text{Co}\right)$ e níquel abre parênteses N i fecha parênteses$\left(\text{Ni}\right)$.
• Enxofre abre parênteses S fecha parênteses$\left(\text{S}\right)$, selênio abre parênteses S e fecha parênteses$\left(\text{Se}\right)$ e telúrio abre parênteses T e fecha parênteses$\left(\text{Te}\right)$.

Os elementos de uma mesma tríade tinham propriedades químicas semelhantes e a massa atômica do elemento central era, aproximadamente, igual à média aritmética dos outros dois elementos da tríade.

Por exemplo, na tríade L i$\text{Li}$, N a$\text{Na}$ e K$\text{K}$, a massa do sódio pode ser determinada por meio da massa do lítio (7) e do potássio (39).

massa atômica do N a é igual a início de fração, numerador: 7 mais 39, denominador: 2, fim de fração é igual a 23$\text{massa atômica do Na}=\frac{7+39}{2}=23$

A organização proposta por Döbereiner foi considerada ineficaz, pois atendia a poucos elementos. Além disso, outros cientistas passaram a utilizar relações semelhantes para organizar os elementos em grupos de quatro e cinco, o que indicava que os elementos podiam ser organizados em grupos maiores.

Em 1862, o geólogo francês Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois (1820-1886) propôs a organização dos elementos químicos da seguinte maneira: inicialmente, com base na massa atômica do átomo de oxigênio abre parênteses O fecha parênteses$\left(\text{O}\right)$, de 16 unidades$16\text{ u}$, ele dividiu a superfície de um cilindro em 16 colunas e várias linhas horizontais; em seguida, traçou uma linha helicoidal (com 45 graus$45°$ de inclinação) que começava no ponto zero e dava uma volta a cada 16 unidades. Os símbolos dos elementos químicos eram, então, dispostos sobre a linha helicoidal.

Dessa maneira, os elementos com propriedades semelhantes ficavam em uma mesma linha vertical. A aceitação desse modelo foi pequena, pois os valores das massas atômicas eram, em grande parte, errôneos e imprecisos.

Em 1864, o químico inglês John Alexander Reina Newlands (1837-1898) classificou os elementos químicos, conhecidos pela ordem crescente de massa atômica, em sete colunas (grupos) dispostas lado a lado. Newlands observou que, se olhássemos da esquerda para a direita, as propriedades dos elementos eram semelhantes do primeiro ao oitavo elemento da coluna, como as notas musicais, que se repetem a cada oitava. Para ele, os elementos que ficavam em uma mesma coluna tinham propriedades semelhantes. É por essa razão que temos a lei das oitavas de Newlands.

Posteriormente, a lei das oitavas de Newlands também foi descartada pela comunidade científica, pois havia problemas com os valores das massas atômicas.

Em 1866, o químico alemão Julius Lothar Meyer (1830-1895) montou uma tabela em que os elementos se distribuíam em grupos, de acordo com suas valências. Meyer montou ainda uma relação entre as massas atômicas e seus volumes, sendo o primeiro a reconhecer a periodicidade^✚ dos elementos em função de suas massas atômicas.

A relação observada por Meyer mostrava que, conforme a massa atômica dos elementos (representada no eixo horizontal) crescia continuamente, o volume atômico (representado no eixo vertical) não crescia de forma contínua, mas aumentava até certo elemento e, então, diminuía. Por isso, o gráfico não forma uma reta, mas uma curva com picos. Confira a seguir.

Curva de volume atômico em função da massa atômica, apresentada por Lothar Meyer em 1870

Fonte de pesquisa: LIMA, Geraldo M. de; BARBOSA, Luiz C. A.; FILGUEIRAS, Carlos A. L. Origens e consequências da tabela periódica, a mais concisa enciclopédia criada pelo ser humano. Química Nova, v. 42, n. 10, 2019. p. 1134.

Em 1869, já eram conhecidos 62 elementos químicos. Nessa época, o russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907) produziu o trabalho mais bem-sucedido no desenvolvimento da tabela periódica.

Mendeleev escreveu as propriedades dos elementos químicos em cartões e, ao tentar organizá-los, percebeu que, colocando-os em ordem crescente de massa atômica, certos tipos de elementos ocorriam com regularidade. Inicialmente, os elementos semelhantes estavam dispostos em linhas horizontais, mas, logo depois, ele alterou a disposição dos elementos químicos para que coubessem em colunas verticais, como vemos hoje.

Mendeleev não apenas organizou os elementos de uma maneira eficaz, mas também deixou lacunas em sua tabela, prevendo as propriedades de cinco elementos químicos que ainda não haviam sido descobertos. Nos 15 anos seguintes, ocorreu a descoberta de três desses elementos.

Em 1913, o físico inglês Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915), que trabalhava na equipe do físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937), concluiu, por meio de experimentos com raios X, que as propriedades dos elementos químicos variam periodicamente em função de sua carga nuclear, ou seja, de seu número de prótons (número atômico). Moseley foi quem formulou a lei periódica atual.

A tabela periódica atual

A tabela periódica atual baseia-se na lei da periodicidade de Moseley. Nela, os elementos químicos estão dispostos em ordem crescente de seu número atômico, distribuídos em 7 períodos (linhas) e em 18 grupos (colunas).

Estrutura da tabela periódica dos elementos químicos

Como podemos conferir na tabela periódica da página anterior, os 118 elementos químicos conhecidos atualmente estão distribuídos em períodos e grupos.

Número atômico

Representado por abre parênteses Z fecha parênteses$\left(Z\right)$, o número atômico indica o número de prótons abre parênteses p fecha parênteses$\left(\text{p}\right)$ existentes no núcleo do átomo do elemento químico. Os átomos de um mesmo elemento químico têm o mesmo número de prótons no núcleo.

Símbolo e nome do elemento químico

Cada elemento químico é representado por uma ou duas letras, sendo a primeira sempre maiúscula e a segunda, minúscula. Atualmente, há 118 elementos químicos reconhecidos oficialmente, dos quais 92 ocorrem naturalmente na Terra e 24 são sintéticos, ou seja, produzidos em laboratório.

Massa atômica

Representada por A$A$, a massa atômica refere-se à soma do número atômico abre parênteses Z fecha parênteses$\left(Z\right)$ e de nêutrons abre parênteses n fecha parênteses$\left(n\right)$ presentes no núcleo do átomo, ou seja:

Na tabela periódica, o valor apresentado representa a massa atômica média, determinada a partir da massa dos isótopos^✚ do elemento químico e sua abundância relativa na natureza.

Períodos

As sete linhas horizontais da tabela periódica representam os períodos. Cada período corresponde à quantidade de níveis eletrônicos que o átomo do elemento químico apresenta e elementos químicos de um mesmo período têm a mesma quantidade de níveis eletrônicos. Confira no quadro Número de níveis eletrônicos por período.

Logo abaixo da tabela, há duas séries de elementos químicos: dos lantanídios (sexto período) e dos actinídios (sétimo período). Essa organização é feita para evitar que a tabela periódica fique com linhas extensas.

Grupos

As 18 colunas da tabela periódica representam os grupos de elementos químicos. Os elementos contidos nos grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 e 18 são conhecidos como elementos representativos.

Os elementos de transição estão contidos nos grupos 3 a 12 da tabela periódica e podem ser divididos em dois grupos: elementos de transição interna, que abrangem os elementos contidos nas séries dos lantanídios e actinídios; e elementos de transição externa, que incluem os demais elementos.

Os elementos químicos de um mesmo grupo têm propriedades químicas semelhantes, pois apresentam a mesma configuração eletrônica em sua camada de valência.

Professor, professora: Comentários sobre como trabalhar a configuração eletrônica da camada de valência nas Orientações para o professor.

Classificação dos elementos químicos

De acordo com suas propriedades químicas, os elementos podem ser classificados em hidrogênio, metais, ametais (ou não metais) e gases nobres. Na imagem, essas classes estão diferenciadas por cores.

Hidrogênio

O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante do Universo. Ele pode ser encontrado no Sol e na maioria das estrelas e tem a propriedade de se combinar com metais e ametais. Nas condições ambientais de temperatura e pressão (CATP, 25 graus Celsius$25\text{ °C}$ e 1 a t m$1\text{ atm}$), é um gás inflamável e tem comportamento químico semelhante ao dos ametais. Na tabela periódica, pode ser alocado no grupo 1 por conta de sua camada de valência ou então destacado isoladamente no topo da tabela, por não pertencer ao grupo dos metais alcalinos. O hidrogênio molecular é visado como combustível em veículos, como exemplifica a fotografia. Ao entrar em combustão, esse gás libera apenas vapor de água como produto.

Metais

Os metais correspondem à maior parte dos elementos químicos. Suas substâncias simples têm como principal característica formar íons positivos (cátions).

Entre outras características, os metais apresentam brilho metálico, são bons condutores de calor e corrente elétrica e facilmente transformados em fios (ductilidade) e lâminas (maleabilidade).

Em geral, os metais são encontrados na natureza associados a outros elementos, na forma de minérios. Por exemplo, o minério hematita abre parênteses F e subscrito 2 O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{Fe}}_2{\text{O}}_3\right)$, do qual se extrai o ferro. Alguns metais, como ferro, cobalto e níquel, são atraídos por ímãs.

Imagens desta página sem proporção.

Metais de transição interna

Os metais de transição interna se subdividem em duas séries. A dos lantanídios compreende os elementos entre o lantânio abre parênteses L a fecha parênteses$\left(\text{La}\right)$ e o lutécio abre parênteses L u fecha parênteses$\left(\text{Lu}\right)$. Já a dos actinídios compreende os elementos entre o actínio abre parênteses A c fecha parênteses$\left(\text{Ac}\right)$ e o laurêncio abre parênteses L r fecha parênteses$\left(\text{Lr}\right)$. Essas séries são frequentemente representadas como linhas abaixo da tabela, de modo a ocupar menos espaço lateralmente, mas também fazem parte da tabela periódica.

Esses elementos têm como característica a camada de valência com elétrons nos orbitais f, além dos elétrons n s ao quadrado${\text{ns}}^2$.

Os lantanídios, como o érbio abre parênteses E r fecha parênteses$\left(\text{Er}\right)$, podem ser encontrados na natureza na forma metálica ou de óxidos. Esses elementos também são conhecidos como terras-raras e são explorados para a produção de componentes eletrônicos, baterias e painéis solares.

Os actinídios estão entre os elementos químicos mais pesados da tabela, e muitos deles, como o mendelévio abre parênteses M d fecha parênteses$\left(\text{Md}\right)$ e o einstênio abre parênteses E s fecha parênteses$\left(\text{Es}\right)$, são sintéticos, ou seja, não existem na natureza. Além disso, vários são radioativos, como o tório abre parênteses T h fecha parênteses$\left(\text{Th}\right)$ e o urânio abre parênteses U fecha parênteses$\left(\text{U}\right)$, usados em usinas de energia nuclear.

Professor, professora: Se achar interessante, leia o artigo sobre o histórico, a produção e perspectivas das terras-raras no Brasil, disponível em: https://s.livro.pro/q1pwxx. Acesso em: 4 out. 2024.

Ametais ou não metais

Os ametais, em geral, têm como principal característica química a tendência a atrair elétrons, formando ânions. Em geral, suas substâncias simples são más condutoras de calor e de corrente elétrica, com exceção do carbono grafite abre parênteses C fecha parênteses$\left(\text{C}\right)$, e não são maleáveis nem dúcteis. Nas CATP, alguns ametais são gasosos, como nitrogênio abre parênteses N fecha parênteses$\left(\text{N}\right)$, oxigênio abre parênteses O fecha parênteses$\left(\text{O}\right)$, flúor abre parênteses F fecha parênteses$\left(\text{F}\right)$ e cloro abre parênteses C l fecha parênteses$\left(\text{C}\mathcal{l}\right)$; o bromo é líquido e os demais ametais são sólidos, como é o caso do enxofre abre parênteses S fecha parênteses$\left(\text{S}\right)$, como se verifica na imagem.

Gases nobres

Os gases nobres são pouco reativos e isso ocorre porque esses elementos apresentam a camada de valência completa, o que confere grande estabilidade a eles.

Nas CATP, encontram-se na fase gasosa em pequenas porções na atmosfera, sendo o argônio o mais abundante. Eles são utilizados em diversos locais, como balões-sonda, letreiros luminosos, sistemas de visão noturna e até para tratamento de certos tipos de câncer.

Outras informações/classificações

Algumas tabelas periódicas podem ter outras classificações e informações adicionais sobre os elementos químicos; isso depende da característica que se deseja destacar ou estudar. É comum, por exemplo, utilizar cores e legendas para indicar dados como estado físico, distribuição eletrônica, radioatividade, entre outros.