CAPÍTULO 4 TRANSFORMAÇÕES DA MATÉRIA E ESTUDO DOS MODELOS ATÔMICOS O QUE VOCÊ JÁ SABE? Antes de estudar as transformações da matéria e os modelos atômicos, reflita sobre as seguintes questões: Que transformações acontecem, com o passar do tempo, com os materiais descartados no lixo? Que materiais, aparentemente, não sofrem transformações no lixo? Qual é a diferença entre as transformações sofridas por alimentos e a transformação ocorrida em uma lata ao ser amassada? Será que podemos diferenciar os materiais pela forma com a qual se apresentam, ou seja, sólida, líquida ou gasosa? Porque o gelo derrete? Transformações Químicas A Química está intimamente relacionada ao consumo da sociedade atual por possibilitar a produção de novos bens de consumo. Por isso, é fundamental compreendermos como são desenvolvidos novos materiais e como se mudam as propriedades dos já existentes. A Química também nos ajuda a compreender melhor as consequências ambientais do alto consumo humano. A partir daí, podemos pensar em ações para melhorar as condições de vida na Terra por meio da economia de energia e matéria-prima e da diminuição das consequências do descarte do lixo em diferentes ambientes. Por exemplo, com o passar do tempo, o lixo sofre uma série de transformações. Muda de cor, de cheiro e de aparência. Um bom exemplo dessas transformações é a degradação de restos de alimentos. Não há dúvida de como as características de um alimento mudam quando descartado. Identificar as transformações que acontecem com os materiais é parte fundamental da Química.
Os cientistas denominam os objetos ou os processos que estão sendo estudados de sistemas, e as características e propriedades que os sistemas apresentam, de estado do sistema. O conjunto de características anteriores à transformação é denominada estado inicial do sistema e o conjunto de características posterior à transformação é denominado estado final do sistema. Fenômenos Físicos e Químicos Qualquer modificação que ocorra com a matéria é considerada um fenômeno: água em ebulição, massa do pão "crescendo", explosão de uma bomba etc. Os fenômenos podem ser classificados em físicos ou químicos. Fenômenos físicos: não alteram a natureza da matéria, isto é, a sua composição. Nesses fenômenos, a forma, o tamanho, a aparência e o estado físico podem mudar, porém a constituição da substância não sofre alterações. Os principais fenômenos físicos são as mudanças de estado físico. Fenômenos químicos: alteram a natureza da matéria, ou seja, a sua composição. Quando ocorre um fenômeno químico, uma ou mais substâncias se transformam e dão origem a novas substâncias. Então, dizemos que ocorreu uma reação química. Veja o exemplo: Fonte: Química volume único
Quando você queima um pedaço de papel, constituído de celulose, ocorrem a formação de uma substância de cor preta (carvão) e, simultaneamente, a formação de fumaça, constituída principalmente de vapor d água e gás carbônico. Essas novas substâncias foram formadas pela reação química entre a celulose e o oxigênio do ar. Uma maneira bem simples de reconhecermos a ocorrência de um fenômeno químico é a observação visual de alterações que ocorrem no sistema. A formação de uma nova substância está associada à: 1. Mudança de cor. Exemplos: queima de papel; cândida ou água de lavadeira em tecido colorido; queima de fogos de artifício. 2. Liberação de um gás (efervescência). Exemplos: antiácido estomacal em água; bicarbonato de sódio (fermento de bolo) em vinagre. 3. Formação de um sólido. Exemplos: líquido de bateria de automóvel + cal de pedreiro dissolvida em água; água de cal + ar expirado pelo pulmão (gás carbônico). 4. Aparecimento de chama ou luminosidade. Exemplos: álcool queimando, luz emitida pelos vaga-lumes. Porém, algumas reações ocorrem sem essas evidências visuais. A formação de novas substâncias é constatada pela mudança das propriedades físico-químicas. Mudanças de estado físico Na natureza, encontramos os materiais em diferentes estados de agregação. Vejamos alguns exemplos: o oxigênio e o nitrogênio estão presentes em nossa atmosfera na forma de gás; o álcool e a gasolina apresentam-se como líquidos; e os metais, à exceção do mercúrio, são sólidos. No entanto, sabemos que um mesmo material pode apresentar-se em mais de um estado de agregação. O exemplo mais comum é a água, que pode ser encontrada nos três estados de agregação. O estado de agregação de um material é uma propriedade que depende das condições de temperatura e pressão em que se encontra.
Um sólido, quando aquecido, ao atingir determinada temperatura, começa a fundir, tornando-se líquido. Esse líquido, continuando sob aquecimento, chegará a uma temperatura em que se inicia a vaporização, ou seja, a passagem do estado líquido para o gasoso. Alguns materiais ou substâncias podem passar diretamente do estado sólido para o gasoso e vice-versa, como é o caso da naftalina. Como citado acima, em nosso dia a dia, a água pode se apresentar em três estados físicos: o sólido, o líquido e o gasoso. As mudanças de estado físico recebem nomes conforme mostra o esquema abaixo: Fonte: Química no cotidiano volume 1 O esquema acima resume as seguintes definições: Fusão é a passagem de um material do estado sólido para o líquido. Solidificação é o contrário da fusão, é a passagem do estado líquido para o sólido. Vaporização é a passagem do estado líquido para o gasoso. Condensação é a passagem do estado gasoso na forma de vapor para o estado líquido. Exemplo: chuva. Liquefação é a passagem de um gás para o estado líquido. Exemplo: gás de cozinha. Sublimação é a passagem do estado sólido diretamente para o estado gasoso, ou vice-versa. A vaporização, passagem do estado líquido para o gasoso, pode ocorrer de forma lenta, na temperatura do ambiente e sem a formação de bolhas, como no caso de uma roupa secando no varal. Nesse caso, a vaporização é
denominada evaporação. A vaporização também pode acontecer com a formação de bolhas durante o aquecimento do líquido. Nesse caso, é chamada ebulição (popularmente, fervura). Ponto de fusão (PF) e ponto de ebulição (PE) O ponto de fusão de uma substância é a temperatura em que ela sofre fusão (durante o aquecimento) ou solidificação (durante o resfriamento). O ponto de ebulição de uma substância é a temperatura em que ela sofre ebulição (durante o aquecimento) ou condensação (durante o resfriamento). O ponto de ebulição das substâncias pode variar bastante, dependendo da pressão atmosférica do local em que a experiência é feita. A pressão atmosférica, por sua vez, varia sensivelmente com a altitude do local. A figura abaixo representa a curva de aquecimento da água passo a passo: Fonte: Química no cotidiano volume 1 Saber os valores do ponto de fusão e do ponto de ebulição de uma substância significa poder prever se, em determinada temperatura, a substância estará sólida, líquida ou gasosa. O esquema a seguir exemplifica previsões desse tipo usando como exemplo as substâncias água, etanol e naftaleno.
Fonte: Química no cotidiano volume 1 Solubilidade A solubilidade é uma importante propriedade das substâncias. Assim, uma substância pode ser solúvel em um solvente e não solúvel em outro, ou seja, uma substância tem solubilidade diferente em casa solvente. Enquanto o sal é solúvel em água, ele é praticamente insolúvel em acetona ou acetato de etila (solvente usado para remover esmalte). Da mesma forma, um mesmo solvente dissolve substâncias distintas de maneira diferente. Enquanto a água dissolve com facilidade o sal, ela não dissolve o talco. Normalmente, a solubilidade das substâncias é expressa em gramas por litros, mas também pode ser expressa em gramas por 100 ml ou 100 g de solvente. A Tabela abaixo representa os valores de solubilidade de algumas substâncias em água.
Fonte: Química no cotidiano volume 1 Quando preparamos uma limonada, observamos que o açúcar não se dissolve com facilidade na água gelada. Observamos também que, ao preparar café, o açúcar se dissolve melhor se a água estiver quente. A solubilidade de um material em determinado solvente depende da temperatura em que o sistema se encontra. O gráfico abaixo apresenta a variação de solubilidade de algumas substâncias em gramas por 100 g de água, a diferentes valores de temperatura. Fonte: Química Cidadã volume 1 No gráfico acima as substâncias apresentadas são: Pb(NO3)2 nitrato de chumbo II KCl cloreto de potássio NaCl cloreto de sódio
De modo geral, a solubilidade das substâncias aumenta com o aumento da temperatura. Porém, há casos em que isso não ocorre, como o do sulfato de sódio: a partir de uma determinada temperatura, a solubilidade dele diminui ao invés de aumentar. Solubilidade é a quantidade máxima de uma substância que se dissolve em 100 g de um solvente específico em uma determinada temperatura. A quantidade de um material que conseguimos dissolver em determinada quantidade de solvente específico é também uma propriedade que pode servir para diferenciá-lo de outros materiais que nos rodeiam. Essa propriedade é chamada solubilidade. A solubilidade é muito utilizada pelos químicos na separação de substâncias que constituem os materiais. Um exemplo da utilização dessa propriedade no cotidiano é o processo de preparação do café, em que a água dissolve uma série de substâncias presentes no pó e que são solúveis a quente, conferindo sabor característico à bebida. Processo semelhante é empregado na extração de substâncias contidas em plantas utilizadas em chá. Linguagem química Como toda Ciência, além de seus métodos investigativos e suas teorias e modelos, a Química apresenta uma linguagem própria, rica em símbolos e regras diferentes da linguagem comum. Para facilitar a comunicação entre os cientistas de todo o mundo, os elementos químicos são representados por símbolos que derivam de seus nomes em latim. O símbolo é, normalmente, a primeira letra do nome em latim, escrita em maiúscula. No caso de haver dois ou mais elementos que começam pela mesma letra, uma segunda letra do nome é usada, sendo essa minúscula. O quadro abaixo apresenta uma lista de compostos mais familiares.
Fonte: Química Cidadã volume 1 Fórmulas químicas Enquanto os elementos químicos são representados por símbolos, as substâncias são representadas por fórmulas. Nas fórmulas, representamos os símbolos dos elementos químicos que estão presentes no constituinte de cada substância e, por meio de índices numéricos colocados um pouco abaixo do símbolo do elemento, indicamos o número de átomos de cada elemento que compõe o constituinte. Para os elementos químicos que aparecem apenas uma vez no constituinte da substância não é necessário indiciar o índice. O quadro abaixo apresenta algumas fórmulas químicas de algumas substâncias simples. Colar imagem Equações Químicas Estudamos que as reações químicas são processos em que novas substâncias são formadas. Agora, vamos aprender a representar essas reações de maneira simplificada, usando a simbologia química. Essa representação simbólica é chamada de equação química. As reações químicas são representadas por equações químicas, que mostram as fórmulas das substâncias participantes, em proporções
adequadas. Esquematicamente: Prof. : Drielle Caroline Como uma reação é um rearranjo dos átomos, é necessário que: No caso de existir mais de uma substância como reagente ou como produto, suas fórmulas são separadas pelo sinal de soma (+), indicando que os reagentes devem estar em contato para que a reação ocorra e que os produtos sejam formados simultaneamente. Ao representar uma equação química, deve-se também especificar o estado de agregação de cada substância envolvida. O estado gasoso é representado por (g), o estado líquido por (l), o estado sólido por (s) e as substâncias dissolvidas em água por (aq). As letras que representam os estados de agregação devem ser colocadas ao lado dos símbolos das substâncias. Além de representar as substâncias reagentes e os produtos é necessário também representar as proporções entre todas elas. A proporção de cada substância é indicada numericamente na frente da fórmula de cada constituinte e é denominada coeficiente estequiométrico ou simplesmente coeficiente. Tal coeficiente indica a proporção relativa dos constituintes das substâncias participantes da reação. Quando o coeficiente é 1, ele não precisa ser indicado. Outras convenções também adotadas nas reações químicas são: indica que a reação ocorre a elevadas temperaturas. indica que a reação é reversível, ou seja, os produtos reagem entre si originando novamente os reagentes. Sempre que o número total de átomos dos reagentes for igual ao dos produtos, diz-se que a equação está balanceada. Veja um exemplo de equação química balanceada:
Fonte: Química volume único A estrutura do átomo A descoberta do átomo Após Dalton ter apresentado sua teoria atômica, em 1808, na qual sugeria que os átomos eram indivisíveis, maciços (rígidos) e esféricos, vários cientistas realizaram diversos experimentos que demonstraram que os átomos são constituídos por partículas ainda menores, subatômicas, que serão apresentadas nos modelos atômicos a seguir. Principais características do átomo Número atômico (Z) Em 1913, ao realizar experiências de bombardeamento de vários elementos químicos com raios X, Moseley percebeu que o comportamento de cada elemento químico estava relacionado com a quantidade de cargas positivas existentes no seu núcleo. Assim, a carga do núcleo, ou seu número de prótons, é a grandeza que caracteriza cada elemento, sendo este número denominado número atômico. Número atômico (Z): o número que indica a quantidade de prótons existentes no núcleo de um átomo. Número de massa (a) Número de massa (A): a soma do número de prótons (p) com o número de nêutrons (n) presentes no núcleo de um átomo.
Como tanto o número de prótons (p) quanto o de nêutrons (n) são inteiros, o número de massa (A) sempre será um número inteiro. O número de massa é, na verdade, o que determina a massa de um átomo, pois os elétrons são partículas com massa desprezível, não tendo influência significativa na massa dos átomos. Elemento Químico Elemento químico: é o conjunto formado por átomos de mesmo número atômico (Z). Atualmente, conhecemos um total de 115 elementos químicos, entre naturais e artificiais, com números atômicos variando de 1 a 118. A cada elemento químico corresponde um número atômico (Z) que o identifica. De acordo com a IUPAC (sigla em inglês da União Internacional de Química Pura e Aplicada), ao representar um elemento químico, devem-se indicar, junto ao seu símbolo, seu número atômico e seu número de massa. Íons Os átomos apresentam a capacidade de ganhar ou perder elétrons, formando novos sistemas, eletricamente carregados, denominados íons. Íon: a espécie química que apresenta o número de prótons diferente do número de elétrons. Os átomos, ao ganharem ou perderem elétrons, originam dois tipos de íons: íons positivos = cátions; íons negativos = ânions. Íons positivos ou cátions Os cátions formam-se quando um átomo perde um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente positivo, em que o número de prótons é maior que o número de elétrons. Por exemplo:
A espécie química Mg 2+ é denominada cátion bivalente ou íon bivalente positivo. Íons negativos ou ânions Os ânions formam-se quando um átomo ganha ou recebe um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente negativo, em que o número de prótons é menor que o número de elétrons. Por exemplo: A espécie química F é denominada ânion monovalente ou íon monovalente negativo. Histórico dos modelos atômicos O atomismo de Leucipo e Demócrito Segundo Leucipo e seu discípulo Demócrito, os átomos eram as partículas menores, indivisíveis e de diferentes formas que constituíam a matéria, era o princípio da geração das coisas existentes. Eles foram os primeiros filósofos a discutir o conceito de átomo. Leia mais... O Atomismo de Leucipo e Demócrito. Disponível em: <http://quimicanova.sbq.org.br/imagebank/pdf/vol15no1_95_v15_n1_%2815%29.pdf> 1 modelo atômico: John Dalton John Dalton foi um químico, nascido em 1766 no condado de Cumbria, na Inglaterra e faleceu na cidade de Manchester, em 1844. Seu maior legado como cientista foi o desenvolvimento da primeira teoria atômica, conhecida como modelo Bola de Bilhar.
Fonte: Química volume único A teoria de Dalton apresenta alguns postulados: - Os átomos são maciços e apresentam forma esférica (semelhantes a uma bola de bilhar); - Os átomos são indivisíveis; - Os átomos são indestrutíveis; - Um elemento químico é um conjunto de átomos com as mesmas propriedades (tamanho e massa); - Os átomos de diferentes elementos químicos apresentam propriedades diferentes uns dos outros; - O peso relativo de dois átomos pode ser utilizado para diferenciá-los; - Uma substância química composta é formada pela mesma combinação de diferentes tipos de átomos; - Substâncias químicas diferentes são formadas pela combinação de átomos diferentes. IMPORTANTE: O modelo atômico de Dalton é um modelo que não apresenta carga. Contribuições científicas de John Dalton: Compreensão da Lei da Conservação da massa de Lavoisier; Compreensão das substâncias simples; Compreensão das substâncias compostas; Compreensão das misturas; Conceito de massa atômica;
Formulou a lei das pressões parciais dos gases; Descobriu a deficiência visual denominada de daltonismo; Comportamento de vapores e gases em diferentes temperaturas; Descoberta da expansão dos gases. 2 modelo atômico - Thomson Thomson foi o primeiro cientista a usar eletricidade em seus experimentos, desta forma, ele foi o descobridor dos elétrons e da relação entre a carga e a massa do elétron existentes no átomo. Ele propôs seu modelo atômico tendo como base descobertas relacionadas com a radioatividade e experimentos realizados com o tubo de raios catódicos construído pelos cientistas Geissler e Crookes. Fonte: Química volume único Com esse experimento, Thomson chegou à conclusão de que, quando os átomos do material gasoso no interior do tubo eram submetidos a uma alta tensão, seus elétrons eram arrancados e direcionados até a placa positiva. Assim, de acordo com ele: - O átomo é uma esfera, mas não maciça como propunha o modelo atômico de John Dalton; - O átomo é neutro, já que toda matéria é neutra; - Como o átomo apresenta elétrons, que possuem cargas negativas, logo, deve apresentar partículas positivas para que a carga final seja nula, ou seja, o átomo é divisível; - Os elétrons não estão fixos ou presos no átomo, podendo ser transferidos para outro átomo em determinadas condições;
- O átomo pode ser considerado como um fluido contínuo de cargas positivas onde estariam distribuídos os elétrons, que possuem carga negativa; - Associou o seu modelo a um pudim de passas (as quais representam os elétrons); - Como os elétrons que estão espalhados apresentam a mesma carga, existe entre eles uma repulsão mútua, o que faz com que estejam uniformemente distribuídos na esfera. Fonte: Química volume único 3 modelo atômico: Rutherford Ernest Rutherford, foi um físico nascido na Nova Zelândia que realizou algumas experiências que levaram a uma mudança de ideias em torno do átomo. Seu experimento consistiu na emissão de radiação alfa sobre uma lâmina de ouro, resultando no espalhamento desta radiação com desvios nos polos positivo e negativo. O comportamento da radiação revolucionou o modo como os físicos da época passaram a imaginar o átomo. Seu novo modelo descrevia o átomo como um minúsculo núcleo denso, carregado positivamente rodeado por elétrons, mais leves, carregados negativamente. Outra maneira de pensar sobre este modelo foi que o átomo era considerado como um mini sistema solar onde os elétrons orbitavam o núcleo como os planetas que orbitam em torno do Sol. Este modelo é também conhecido como o modelo planetário do átomo. Portanto, Rutherford concluiu que o átomo não era uma esfera positiva com elétrons mergulhados nesta esfera. Concluiu que: -O átomo tem um núcleo muito pequeno;
-O átomo tem núcleo positivo (+), já que partículas alfa desviavam algumas vezes; - Os elétrons estão ao redor do núcleo (na eletrosfera) para equilibrar as cargas positivas. Modelo atômico de Rutherford James Chadwick (1891-1974), físico britânico, foi um colaborador de Ernest Rutherford, contribuindo para a ciência com a descoberta do nêutron. Por esta descoberta, foi-lhe atribuído o Nobel de Física em 1935. Depois de Rutherford ter proposto seu modelo, os cientistas direcionaram seus estudos para a distribuição dos elétrons na eletrosfera. Fizeram progressos levando em conta conhecimentos anteriores. Há muito tempo os químicos já sabiam que os compostos de sódio emitem uma luz amarela quando submetidos a uma chama. Em 1855, Robert Bunsen verificou que diferentes elementos, submetidos a uma chama, produziam cores diferentes. Fonte: Química volume único
O estudo da luz conseguida dessa maneira permitiu a obtenção dos chamados espectros descontínuos, característicos de cada elemento. A cada cor desses espectros foi associada certa quantidade de energia. Em 1913, Niels Böhr (1885-1962) propôs um novo modelo atômico, relacionando a distribuição dos elétrons na eletrosfera com sua quantidade de energia. Fonte: Química volume único 4 modelo atômico: Bohr Niels Bohr (1885-1962), físico dinamarquês, deu continuidade ao trabalho desenvolvido com Rutherford. Ele preencheu a lacuna existente na teoria atômica proposta por Rutherford com relação ao comportamento dos elétrons no átomo. Bohr obteve quatro princípios: - Quantização da energia atômica (cada elétron apresenta uma quantidade específica de energia). - Os elétrons têm cada um uma órbita, as quais são chamadas de estados estacionários. Ao emitir energia, o elétron salta para uma órbita mais distante do núcleo. - Quando consome energia, o nível de energia do elétron aumenta. Por outro lado, ela diminui quando o elétron produz energia. - Os níveis de energia, ou camadas eletrônicas, têm um número determinado e são designados pelas letras: K, L, M, N, O, P, Q.
Modelo atômico de Bohr Camadas eletrônicas Fonte: Química volume único A partir da década de 20, os cientistas, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie e Werner Heisenberg, deram continuidade ao trabalho de Bohr estudando a estrutura atômica dos átomos, conhecido como mecânica quântica. Em foco... Fonte: Química volume único O QUE VOCÊ APRENDEU? As transformações químicas, ou reações químicas são processos em que há formação de novas substâncias, evidenciadas por mudanças de
cor, odor, textura ou temperatura, pela formação de um precipitado ou de um gás. Nas reações químicas, as substâncias iniciai são denominadas reagentes e as substâncias finais são denominadas produtos. São consideradas transformações físicas ou processos nos quais não há formação de novas substâncias. Propriedades físicas são aquelas propriedades das substâncias ou materiais que podem ser medidas sem alterar a identidade de seu constituinte. Propriedades químicas são propriedades das substâncias ou materiais relacionados com a interação com outras substâncias e que mudam a identidade de seus constituintes. Temperatura de fusão é a temperatura na qual a substância muda do estado sólido para o líquido, ou vice-versa. Temperatura de ebulição é a temperatura na qual a substância muda do estado líquido para gás, ou vice-versa. Solubilidade é a quantidade de um soluto que pode ser dissolvida em um solvente e depende de suas características, do solvente e a da temperatura do sistema. Os elementos químicos são representados por símbolos que derivam de seus nomes em latim; as substâncias são representadas por fórmulas. 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.1, São Paulo, 2010. SANTOS, Wildson; MOL, Gerson. Química Cidadã. Ed. Nova Geração, v.1, São Paulo, 2010. USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Química Volume único. Ed. Saraiva, São Paulo, 2013.