Uma breve introdução... Átomos e moléculas Prof. : Drielle Caroline A ciência química, ao menos nos cem últimos anos, desenvolveu-se em torno de um grande e fundamental conceito unificador: a estrutura molecular. O químico vem, nesse mesmo período, identificando química com estrutura molecular. O químico é como que um profissional das moléculas, e quando pensa nelas ele tem como objeto um arranjo tridimensional muito bem definido dos átomos que constituem cada molécula em particular no espaço. Exemplo: o arranjo planar e angular de dois hidrogênios e um oxigênio na água e o arranjo tetraédrico dos quatro hidrogênios em torno do carbono no metano etc. Fonte: Imagem da internet Não é difícil entendermos o porquê desse caráter fundamental do conceito de estrutura molecular para o químico. Tomemos inicialmente os átomos. Eles são em um número um pouco superior a cem (ver a tabela periódica). Apenas pouco mais de cem. E o número de moléculas conhecidas hoje? Cerca de dez milhões. Não seria possível uma mesma ciência, um mesmo tratamento científico desses dez milhões de unidades sem um conceito ou modelo unificador de suas estruturas e propriedades físicas. Esse conceito reside justamente em descrever cada molécula como um arranjo tridimensional específico a partir de cerca de apenas cem tipos de blocos básicos : os átomos. Evidentemente os químicos precisavam, antes de tudo, entender bem a estrutura e as propriedades de cada um desses cerca de cem tipos de tijolos atômicos. Depois, precisaram responder a uma questão fundamental e é dela que trata o presente texto sobre cada arquitetura molecular: por que uma dada molécula (como a da água) tem exatamente uma geometria específica e não qualquer outro arranjo espacial de seus átomos constituintes? A partir dessa resposta, os químicos concluíram que nesse arranjo ou geometria privilegiada de cada molécula, os átomos constituintes permanecem praticamente sem deformações em relação a sua estrutura original quando ainda não ligados.
Apesar de todos os avanços da química teórica, é exatamente isso que permite ao químico, essencialmente, manter o modelo tradicional da estrutura molecular como arranjo tridimensional dos átomos constituintes. É importante acrescentar que essa mesma geometria privilegiada permanece praticamente inalterável mesmo quando, em fase condensada (fases líquida ou sólida), as moléculas se aproximam e interagem entre si de modo mais apreciável. Ou seja, o mesmo modelo de estrutura molecular é válido nos três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso). Leia mais... Estrutura Molecular: o conceito fundamental da química. Disponível em: < http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc07/conceito.pdf>. A Teoria Atômica de Dalton Alguns pontos importantes da Teoria de Dalton, em linguagem moderna, são: todas as substâncias são formadas por átomos. os átomos de um mesmo elemento químico são iguais em todas as suas características (por exemplo, tamanho e massa). os átomos dos diferentes elementos químicos são diferentes entre si. as substâncias simples são formadas por átomos de um mesmo elemento químico. as substâncias compostas (também chamadas compostos químicos, ou simplesmente compostos) são formadas por átomos de dois ou mais elementos químicos diferentes, que se combinam sempre numa mesma proporção. átomos não são criados nem destruídos; são esferas rígidas indivisíveis. nas reações químicas, os átomos se recombinam.
Símbolos representam elementos São conhecidos atualmente mais de 100 elementos químicos. Cada um deles tem um nome e um símbolo diferente. Os símbolos dos elementos são formados por uma ou duas letras. A primeira é sempre maiúscula e a segunda, caso exista, é sempre minúscula. Alguns exemplos de símbolos são mostrados na tabela 1. Em muitos casos, o símbolo de um elemento vem de uma ou duas letras tiradas de seu nome em latim. Por causa disso, nem todos os símbolos têm relação lógica com o nome do elemento em português. Fonte: Química volume único Fórmulas representam substâncias Certamente você já ouviu falar que a fórmula da água é H 2 O. Outros exemplos de fórmulas usadas pelos químicos são CO 2 (gás carbônico), N 2 (gás nitrogênio), O 2 (gás oxigênio), O 3 (gás ozônio), C 2 H 6 O (etanol), C 6 H 12 O 6 (glicose), NH 3 (amônia) e CH 4 (gás metano). Todas as substâncias são formadas por átomos. As substâncias simples são formadas por átomos de um único elemento e as substâncias compostas, por átomos de dois ou mais elementos diferentes. As moléculas são as menores unidades que apresentam a composição característica de uma substância. Elas são formadas pela união de dois ou mais átomos.
Para representar as moléculas de uma substância, seja ela simples, seja ela composta, os químicos utilizam fórmulas. Na fórmula de uma substância, são colocados os símbolos dos elementos que tomam parte de sua composição e números, os índices de atomicidade, que indicam a proporção em que os átomos do elemento estão presentes na substância. Se o índice de atomicidade não for escrito, é porque seu valor é 1. Assim, por exemplo: A fórmula O 2 representa a substância cujas moléculas são formadas por dois átomos do elemento químico oxigênio. A fórmula O 3 representa a substância cujas moléculas são formadas por três átomos do elemento químico oxigênio. A fórmula H 2 O representa a substância cujas moléculas são formadas por dois átomos do elemento químico hidrogênio e um átomo do elemento químico oxigênio. A fórmula NH 3 representa a substância cujas moléculas são formadas por um átomo do elemento químico nitrogênio e três átomos do elemento químico hidrogênio. Reformulação do conceito de elemento. Distinção entre elemento e substância simples A partir da Teoria de Dalton surgiu um novo significado para elemento químico, que passou a ser não mais considerado sinônimo de substância simples, mas sim um conjunto de átomos que possuem características semelhantes e que tomam parte da constituição das substâncias. As substâncias simples são formadas por átomos de apenas um elemento e as substâncias compostas, por átomos de dois ou mais elementos, conforme salienta o esquema abaixo.
Esquema mostrando modelos para as moléculas de algumas substâncias. Legenda para os átomos: Equação química Uma equação química representa uma reação química Veja o exemplo da decomposição da água. Levando em conta a composição das moléculas envolvidas, podemos representar essa reação como mostrado abaixo.
A água, o reagente, é formada por moléculas H 2 O; o gás hidrogênio e o gás oxigênio, os produtos, têm fórmulas H 2 e O 2, respectivamente. Assim, poderíamos representar a reação usando as fórmulas do reagente e dos produtos: Nessa representação, falta, porém, a proporção correta entre as quantidades de moléculas envolvidas. Uma representação mais correta é: ou seja Agora, sim, está expressa a verdadeira proporção entre as quantidades de moléculas que participam da reação. A maneira de representar uma reação química é denominada equação química. Os números que indicam a proporção entre as quantidades de moléculas, numa equação química, são chamados de coeficientes ou coeficientes estequiométricos. Na equação química acima, o coeficiente da água é 2, o do hidrogênio é 2 e o do oxigênio é 1 (que não precisa ser escrito). Outros exemplos de equações químicas são:
Balanceamento de equações químicas Quando escrevemos uma equação química, ela deve estar corretamente balanceada, ou seja, os coeficientes devem estar corretamente indicados. Caso contrário, não estará sendo respeitado o fato de os átomos se conservarem. Por exemplo, a equação química N 2 + O 2 NO não está corretamente balanceada, pois há menos átomos de N e de O no lado do produto. Contudo, essa equação ficará corretamente balanceada se colocarmos o coeficiente 2 na frente da fórmula do produto: N 2 + O 2 2 NO. Explicação para as leis de Lavoisier e de Proust A Teoria de Dalton é uma proposta (bem-sucedida) de explicação para a Lei de Lavoisier e a Lei de Proust. Numa reação química, os átomos apenas se recombinam. Então, já que os átomos não são destruídos nem formados, a massa de reagentes é sempre igual à dos produtos. Isso explica a Lei de Lavoisier. As moléculas de uma determinada substância são formadas por átomos que se unem numa proporção bem definida. Na água, por exemplo, sempre há dois átomos de hidrogênio para um átomo de oxigênio. Assim, não importa a quantidade da substância que consideremos, haverá sempre uma proporção constante entre os átomos dos elementos que a constituem. Ou seja, tanto em um grama quanto em um quilograma ou em uma
tonelada de água, a proporção em que os elementos hidrogênio e oxigênio estão presentes é sempre a mesma. E como a proporção em que os átomos estão presentes é sempre a mesma, então a composição da substância é fixa, o que explica a Lei de Proust. Os níveis macroscópico e microscópico da Química O mundo ao qual estamos acostumados das coisas que podemos ver, sentir, perceber, tocar ou medir é o ponto de partida para as pesquisas em Química. Dizemos que as coisas que pertencem a esse mundo são do nível macroscópico. Assim, por exemplo, quando falamos que a água é um líquido incolor e inodoro, estamos nos referindo ao aspecto macroscópico da água. Quando dizemos que a água apresenta PF = 0 C, PE = 100 C (ao nível do mar) e d = 1,0 g/cm 3, a 20 C estamos relatando propriedades macroscópicas da substância água. Ao propor explicação para as leis (essas explicações são as teorias), os químicos utilizam frequentemente os conceitos de átomo e de molécula, entidades que pertencem ao nível microscópico. Para facilitar a comunicação, os químicos lançam mão das representações, que incluem os símbolos (que representam os átomos dos elementos), as fórmulas (que representam as substâncias) e as equações químicas (que representam as reações químicas).
Veja abaixo a decomposição da água em uma visão microscópica: Fonte: Química volume único Átomos e moléculas: entidades de um mundo quase além da imaginação Átomos e moléculas são entidades tão pequenas que mesmo o melhor dos microscópios ópticos não é suficiente para que consigamos enxergá-los. Mesmo outros tipos potentes de microscópio, usados em pesquisas sobre genes e cromossomos, não têm capacidade de ampliação suficiente para que se possam enxergar átomos e moléculas. Até a década de 1980, a existência de átomos e moléculas era
sustentada por inúmeras evidências experimentais, mas ninguém tinha fotografado um átomo. Nessa época, foi desenvolvido um novo instrumento de ampliação, o microscópio de tunelamento. Com ele, foi possível, pela primeira vez, obter fotografias de átomos. São imagens sem muita nitidez e que não são fotografias propriamente ditas, mas sim imagens produzidas por computador a partir de complexos sinais eletrônicos obtidos pelo aparelho. Contudo, esse avanço tecnológico forneceu novas evidências da existência de átomos e moléculas, em que os cientistas já acreditavam há quase dois séculos, e que mais uma vez foi confirmada. Átomos e moléculas fazem parte de um mundo microscópico, quase além de nossa capacidade imaginativa. As menores partículas de poeira que somos capazes de ver a olho nu são formadas por um número de átomos maior do que o número de estrelas em nossa galáxia. Quando alguém observa uma célula viva ao microscópio óptico, está observando algo formado por trilhões de átomos ou mais. Só para se ter uma noção de como os átomos são pequenos, considere os seguintes dados: se conseguíssemos enfileirar átomos de césio, de ouro ou de hidrogênio até que a fileira atingisse 1 cm de comprimento, seriam necessários aproximadamente 19 milhões de átomos de césio, 35 milhões de átomos de ouro ou 134 milhões de átomos de hidrogênio! Imagem da superfície da substância grafte (formada por átomos de carbono), fornecida por um instrumento chamado microscópio de tunelamento. A ampliação é de, aproximadamente, 22 milhões de vezes e o colorido é artificial. Referências Bibliográficas NÓBREGA, Olívio Salgado; SILVA, Eduardo Roberto; SILVA, Ruth Hashimoto. Química - Volume único. Ed. Ética, São Paulo, 2007. PERUZZO, Francisco Miragaia; CANTO, Eduardo Leite. Química na abordagem do cotidiano. Ed. Moderna, v.2, São Paulo, 2010. SANTOS, Wildson; MOL, Gerson. Química Cidadã. Ed. Nova Geração, v.2, São Paulo, 2010.
USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Química Volume único. Ed. Saraiva, São Paulo, 2013.