Em muitos aspectos, a história da civilização é a história da química – o estudo da matéria e das suas propriedades. Os seres humanos sempre procuraram identificar, usar e mudar os materiais em nosso meio ambiente. Os primeiros oleiros encontraram belos esmaltes para decorar e preservar as suas peças. Herdeiros, cervejeiros e viticultores utilizavam técnicas de fermentação para fazer queijo, cerveja e vinho. As donas de casa lixiviaram a lixívia das cinzas da madeira para fazer sabão. Os ferreiros aprenderam a combinar cobre e estanho para fazer bronze. Os artesãos aprenderam a fazer vidro; os trabalhadores do couro curtiram peles.
No século VIII d.C., Jābir ibn Hayyān, um astrônomo, filósofo e cientista muçulmano, tornou-se um dos primeiros a usar métodos científicos para estudar materiais. Também conhecido pelo seu nome latino, Geber, ele é conhecido como o “pai da química”. Ele é considerado o autor de 22 pergaminhos que descrevem métodos de destilação, cristalização, sublimação e evaporação. Ele inventou o alambique, um dispositivo utilizado para destilar e estudar ácidos. Ele também desenvolveu um sistema de classificação química precoce, utilizando as propriedades dos materiais que estudou. As suas categorias eram:
- “Espirites” – materiais que vaporizariam quando aquecidos.
- “Metais” – incluindo ferro, estanho, cobre e chumbo.
- Substâncias não-maleáveis – materiais que poderiam ser transformados em pós, tais como pedra.
Hoje podemos chamar materiais similares de “produtos químicos voláteis, metais e não-metálicos”
Química clássica
Na Europa, o estudo da química foi conduzido por alquimistas com o objetivo de transformar metais comuns em ouro ou prata e inventar um elixir químico que prolongaria a vida. Embora esses objetivos nunca tenham sido alcançados, houve algumas descobertas importantes feitas na tentativa.
Robert Boyle(1627-1691) estudou o comportamento dos gases e descobriu a relação inversa entre volume e pressão de um gás. Ele também afirmou que “toda a realidade e mudança pode ser descrita em termos de partículas elementares e seu movimento”, uma compreensão precoce da teoria atômica. Em 1661, ele escreveu o primeiro livro de química, “The Sceptical Cymist”, que afastou o estudo de substâncias das associações místicas com a alquimia e em direção à investigação científica.
Por volta de 1700, a Era do Iluminismo tinha criado raízes em toda a Europa. Joseph Priestley (1733-1804) desmentiu a ideia de que o ar era um elemento indivisível. Ele mostrou que era, ao invés disso, uma combinação de gases quando isolou o oxigênio e passou a descobrir outros sete gases discretos. Jacques Charlescontinuou o trabalho de Boyles e é conhecido por afirmar a relação direta entre a temperatura e a pressão dos gases. Em 1794, Joseph Proust estudou compostos químicos puros e declarou a Lei das Proporções Definidas – um composto químico sempre terá sua própria relação característica de componentes elementares. A água, por exemplo, tem sempre uma relação de dois para um de hidrogênio para oxigênio.
Antoine Lavoisier (1743-1794) foi um químico francês que fez contribuições importantes para a ciência. Enquanto trabalhava como cobrador de impostos, Lavoisier ajudou a desenvolver o sistema métrico a fim de assegurar pesos e medidas uniformes. Ele foi admitido na Academia Francesa de Ciências em 1768. Dois anos mais tarde, aos 28 anos, casou-se com a filha de um colega de 13 anos. Marie-Anne Lavoisier é conhecida por ter ajudado seu marido em seus estudos científicos, traduzindo trabalhos em inglês e fazendo numerosos desenhos para ilustrar suas experiências.
A insistência de Lavoisier em medições meticulosas levou-o a descobrir a Lei de Conservação da Massa. Em 1787, Lavoisier publicou “Métodos de Nomenclatura Química”, que incluía as regras de nomenclatura dos compostos químicos que ainda hoje estão em uso. O seu “Tratado Elementar de Química” (1789) foi o primeiro livro de química moderna. Ele definiu claramente um elemento químico como uma substância que não pode ser reduzida em peso por uma reação química e listou oxigênio, ferro, carbono, enxofre e quase 30 outros elementos então conhecidos como existentes. No entanto, o livro teve alguns erros; listou luz e calor como elementos.
Amedeo Avogadro (1776-1856) foi um advogado italiano que começou a estudar ciência e matemática em 1800. Expandindo o trabalho de Boyle e Charles, ele esclareceu a diferença entre átomos e moléculas. Ele passou a afirmar que volumes iguais de gás à mesma temperatura e pressão têm o mesmo número de moléculas. O número de moléculas em uma amostra de 1 grama de peso molecular (1 mol) de uma substância pura é chamado de Constante de Avogadro em sua homenagem. Foi determinado experimentalmente ser 6,023 x 1023 moléculas e é um importante fator de conversão utilizado para determinar a massa de reagentes e produtos em reações químicas.
Em 1803, um meteorologista inglês começou a especular sobre o fenômeno do vapor de água. John Dalton (1766-1844) estava ciente de que o vapor de água é parte da atmosfera, mas experimentos mostraram que o vapor de água não se formaria em certos outros gases. Ele especulou que isso tinha algo a ver com o número de partículas presentes nesses gases. Talvez não houvesse espaço nesses gases para que partículas de vapor d’água penetrassem. Havia mais partículas nos gases mais “pesados” ou aquelas partículas eram maiores. Usando seus próprios dados e a Lei de Proporções Definidas, ele determinou as massas relativas de partículas para seis dos elementos conhecidos: hidrogênio (o mais leve e atribuído a uma massa de 1), oxigênio, nitrogênio, carbono, enxofre e fósforo. Dalton explicou seus achados declarando os princípios da primeira teoria atômica da matéria.
- Elementos são compostos de partículas extremamente pequenas chamadas átomos.
- Os átomos do mesmo elemento são idênticos em tamanho, massa e outras propriedades. Átomos de diferentes elementos têm propriedades diferentes.
- Atomos não podem ser criados, subdivididos ou destruídos.
- Atomos de diferentes elementos combinam-se em simples relações de número inteiro para formar compostos químicos.
- Em reacções químicas os átomos são combinados, separados ou rearranjados para formar novos compostos.
Dmitri Mendeleev (1834-1907) foi um químico russo conhecido por desenvolver a primeira Tabela Periódica dos Elementos. Ele listou os 63 elementos conhecidos e suas propriedades nos cartões. Quando ele organizava os elementos em ordem de aumentar a massa atômica, ele podia agrupar elementos com propriedades similares. Com algumas exceções, cada sétimo elemento tinha propriedades similares (O oitavo grupo químico – os Gases Nobres – ainda não tinha sido descoberto). Mendeleev percebeu que se ele deixasse espaços para os lugares onde nenhum elemento conhecido se encaixasse no padrão, ele seria ainda mais exato. Usando os espaços em branco na sua tabela, ele foi capaz de prever as propriedades dos elementos que ainda não tinham sido descobertos. A tabela original de Mendeleev foi atualizada para incluir os 92 elementos naturais e 26 elementos sintetizados.
Descrevendo o átomo
Em 1896, Henri Becquerel descobriu a radiação. Juntamente com Pierre e Marie Curie, ele mostrou que certos elementos emitem energia a taxas fixas. Em 1903, Becquerel compartilhou um Prêmio Nobel com as Curies pela descoberta da radioatividade. Em 1900, Max Planck descobriu que a energia deve ser emitida em unidades discretas, que ele chamou de “quanta” (desde que se chamam fótons), e não em ondas contínuas. Parecia que os átomos eram compostos por partículas ainda menores, algumas das quais podiam se afastar.
Em 1911, Ernst Rutherford demonstrou que os átomos consistiam de uma pequena região densa e positivamente carregada, cercada por áreas relativamente grandes de espaço vazio em que partículas ainda menores e negativamente carregadas (elétrons) se movem. Rutherford assumiu que os elétrons orbitam o núcleo em órbitas separadas e limpas, assim como os planetas orbitam o Sol. Entretanto, como o núcleo é maior e mais denso que os elétrons, ele não conseguiu explicar porque os elétrons não foram simplesmente puxados para dentro do núcleo, destruindo o átomo.
Niels Bohr’s (1885-1962) modelo atômico resolveu este problema usando a informação de Planck. Os fótons são emitidos a partir de um átomo estimulado eletricamente somente em certas freqüências. Ele formulou a hipótese de que os elétrons habitam níveis de energia distintos e que a luz só é emitida quando um elétron “excitado” eletricamente é forçado a mudar os níveis de energia.
Elétrons no primeiro nível de energia, mais próximo do núcleo, estão firmemente ligados ao núcleo e têm energia relativamente baixa. Em níveis mais distantes do núcleo, os elétrons têm energia crescente. Os elétrons no nível de energia mais afastado do núcleo não estão ligados tão firmemente e são os elétrons envolvidos quando os átomos se unem para formar compostos. A natureza periódica das propriedades elementares é resultado do número de elétrons no nível de energia externa que podem estar envolvidos em ligações químicas. Embora os modelos de Bohr tenham sido substituídos por modelos atômicos mais precisos, os princípios subjacentes são sólidos e os modelos de Bohr ainda são usados como diagramas simplificados para mostrar a ligação química.
Nosso entendimento do átomo continuou a ser refinado. Em 1935, James Chadwick recebeu o Prêmio Nobel por sua descoberta de que há um número igual de partículas eletricamente neutras no núcleo de um átomo. Como os nêutrons são eletricamente neutros, eles não são desviados nem por elétrons nem por prótons. Além disso, os nêutrons têm mais massa que os prótons. Estes fatos se combinam para tornar possível que os nêutrons penetrem nos átomos e partam o núcleo, liberando grandes quantidades de energia. Nos últimos anos, é cada vez mais óbvio que os prótons, nêutrons e elétrons da química clássica são formados por partículas subatômicas ainda menores. As ciências da química e da física estão cada vez mais interligadas e as teorias se sobrepõem e entram em conflito à medida que continuamos a sondar os materiais a partir dos quais o nosso universo é feito.
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