O que é Ciência?

Quando comecei (link) a explicar o que é química, iniciei dizendo que ela é uma ciência. Como não podemos deixar palavras diferentes passarem direto, temos de nos perguntar: o que é ciência?

É comum associar a imagem de um laboratório e uma pessoa manuseando utensílios como béqueres (líquido amarelo), erlenmeyers (líquido azul) e balões de destilação (líquido verde). Este último aquecido por uma chama fornecida pelo bico de Bunsen. Ciência também é feita dessa forma.

Antes de responder imediatamente o que é ciência, quero falar de conhecimento. Tudo aquilo que você aprende durante a vida forma o seu conjunto de conhecimentos. Alguns úteis, outros não. Alguns pessoais, outros você deseja compartilhar. Alguns verdadeiros, outros não. Alguns você acha que fazem sentido, outros acha que não fazem. Toda informação que armazenamos na memória chega até nós de alguma maneira, não importa como, o que importa é como distinguir o verdadeiro do não verdadeiro, que muitos confundem com falso, mas deixarei isto para outra oportunidade.

Geometria molecular.

É comum na geometria plana estudarmos os pontos, as retas e as relações entre essas entidades. Na geometria espacial acrescentamos os planos à brincadeira e estudamos as relações entre eles. É claro que fui muito simplista nesta apresentação, pois é isto que faremos ao falar de geometria molecular. Se correta, quanto mais simples for a interpretação para a forma geométrica de uma molécula, mais frequentemente a usaremos.

Eu imagino que passa algo parecido com a imagem acima na cabeça de quem tenta imaginar as formas das moléculas. Mas não precisa ser assim. Existem moléculas com formas unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais. Quanto mais dimensões, mais difícil representar e imaginar a estrutura. Antes de apresentar cada caso, lembre-se que, neste tópico, trataremos os átomos como pontos e as ligações covalentes entre eles como retas. Não é o correto diante do que já apresentei em outros momentos, mas é uma boa analogia e ajuda a compreender.

E qual o motivos de usarmos pontos e retas? Para que as moléculas se pareçam com polígonos ou poliedros e possamos classificá-las de acordo com os nomes de tais formas geométricas. Antes de avançarmos, resta apenas um detalhe muito importante neste processo, trataremos com cuidado tanto dos elétrons compartilhados na ligações químicas, quanto dos não compartilhados, chamados, respectivamente, de ligantes e não ligantes.

Esses elétrons se repelem e a consequência de sua repulsão é que ficam o mais distante possível uns dos outros. Influenciando na forma geométrica da molécula. Vamos aos casos:

¬ Estrutura monoatômica: ponto.

Os gases nobres (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn e Og) são exemplos de substâncias constituídas por partículas constituídas de um único átomo. Não há ligação química alguma e suas partículas (átomos) são tratadas apenas como pontos. Outras substâncias aquecidas à temperatura de um plasma (quarto estado da matéria) sofrem a ruptura de suas ligações químicas e seus átomos também ficam isolados. À temperatura ambiente, apenas os gases nobres apresentam tal comportamento.

Ligações químicas: ligações covalentes, parte IV.

Pense na ligação química covalente de forma semelhante à maneira como você vê uma disputa de cabo de guerra entre duas pessoas. Elas exercem forças horizontais de sentidos opostos com a intenção de uma deslocar a outra.

Ligações químicas: a ligação covalente, parte III.

Ao estudarmos as diferentes substâncias constituídas exclusivamente por ligações covalente, não tarda encontrarmos situações nas quais a regra do octeto é "ludibriada" ou até mesmo ignorada. Antes de chegarmos a eles, apresentarei alguns exemplos de estruturas com átomos de três ou mais elementos.

Ácido nitroso (HNO₂):

Relação entre a tabela periódica e a distribuição eletrônica.

A segunda parte sobre distribuição eletrônica (link) foi encerrada com uma pergunta sobre como fazer a engenharia reversa para se descobrir o elemento a partir dos números quânticos do elétron mais energético de seu átomo no estado fundamental. Os números apresentados foram:

n = 5, ℓ = 1, m = +1 e s = -1/2

Lembrando que adoto aqui a convenção de que seta para cima representa spin + 1/2 e seta para baixo o spin -1/2. Sempre preenchendo os orbitais com "setas para cima" (elétrons de spin +1/2) primeiro.

Vamos à engenharia reversa. n = 5 significa que a distribuição eletrônica terminou na quinta camada. ℓ =  1 significa que terminou no subnível "p", m = +1 significa que terminou no terceiro orbital de um total de três, pois a distribuição se dá da esquerda para a direita. E spin -1/2 significa que foi na segunda volta, ou seja, subnível completo.

Distribuições possíveis com ℓ = 1 e mℓ = +1.

Métodos de separação de misturas, parte IV.

Imagino que, se você chegou até aqui, acaba de passar pela terceira parte (link) dos processos de separação de misturas. Sabe então que restam apenas os processos químicos de separação. E são apenas dois.

Adição de óxido de cálcio á mistura azeotrópica de água (4%) e álcool (96%).

Parece estranha a ideia de que não podemos separar esta mistura por destilação fracionada. É importante recordar que esta destilação aumenta o teor do componente mais volátil na mistura, ou seja, aquele que tem menor temperatura de ebulição aumenta de concentração. Se destilarmos um fermentado de caldo de cana para separar o álcool, a mistura acima é o limite.

óxido de cálcio

Métodos de separação de misturas, parte III.

No que diz respeito a processos físicos de separação de misturas, quatro deles são os mais mencionados e lembrados em exercícios de vestibular: filtração, decantação, centrifugação e destilações simples e fracionada. A abordagem sobre tais métodos se encontra na parte I (link).

A porção restante dos métodos será apresentada de acordo com a classificação da mistura quanto à quantidade de fases e seus respectivos estado físico. Os métodos aplicáveis a misturas heterogêneas se encontram na parte II (link)

Misturas Homogêneas:

Fusão fracionada: método empregado quando se deseja separar substâncias com diferentes temperaturas de fusão e que não constituem uma mistura eutética. Exemplos: liga de cobre (1083 °C) e níquel (1453 °C), enxofre e areia.

Ilustração da fundição de metais.

Um forno para fundir metais.

"Forno caseiro".

Distribuição eletrônica, parte 2.

 Se neste momento você sabe como distribuir os elétrons dentro de uma eletrosfera para um átomo qualquer no estado fundamental (link), veremos como distribuir os elétrons e determinar os números quânticos atrelados a alguns deles em alguns casos. Não faz sentido aqui representar os orbitais em suas formas originais (link), por isto eles serão representados por quadrados e os elétrons dentro deles por setas para distinguirmos os dois spins possíveis para eles (link). Veja a imagem abaixo:

Distribuição eletrônica, parte 1.

Linus Pauling.

Linus Pauling

Pauling manteve a ideia original de Bohr e acrescentou subníveis aos níveis de energia. havendo subdivisões para as camadas, existem muito mais transições e, consequentemente, linhas no espectro de qualquer elemento. Mas como esta ideia surgiu?

Números quânticos.

Os números quânticos são valores associados a diferentes propriedades do elétron dentro da eletrosfera. Eles nos ajudam a identificar o elétron e distingui-lo dos demais. De uma forma grosseira, existe a analogia com endereço de uma pessoa, que reside em uma casa com número, uma rua ou avenida com nome, um bairro, cidade, CEP, unidade da federação e país. Um determinado conjunto de números nos permite saber uma pessoa mora. Assim são os números quânticos, em total de quatro, nos permitem identificar os elétrons dentro da eletrosfera. Não se esqueça que eles representam soluções da equação de Schrödinger aplicada ao átomo de hidrogênio. Vamos a eles:

n 一 número quântico principal

Diz respeito à camada na qual o elétron se encontra. Tanto no modelo de Bohr quanto na equação de Schrödinger ele aparece da seguinte forma:

Eₙ = -13,6/n²

Onde Eₙ é a energia que um elétron terá em qualquer nível eletrônico dentro da eletrosfera e "n" é o número natural não nulo associado a uma camada. O valor de -13,6 é resultado de contas um tanto complexas para esta etapa, mas, por acaso, é o mesmo encontrado por Bohr. O que é bem curioso, pois Bohr utilizou um modelo híbrido e Schrödinger um modelo puramente quântico.

ℓ 一 número quântico secundário (letra ele minúscula)

Diz respeito ao momento angular (link) correspondente ao elétron de acordo com o orbital onde ele se encontra. Lembre que podemos calcular o momento angular para uma partícula descrevendo movimento circular. O momento angular é uma grandeza vetorial perpendicular ao plano do movimento circular. Caso não se recorde, grandezas vetoriais são aquelas que possuem módulo, direção e sentido.

Bohr até propôs uma quantização para ele, mas não era correta, por se basear em um modelo parte clássico e parte quântico. Se você viu a postagem sobre o modelo do orbital (link), teve a oportunidade de notar os planos nodais de separação entre os lóbulos nos orbitais "p", "d" e "f", com ausência deles nos orbitais "s". Eles são consequência das soluções da Equação de Schrödinger para valores de "l" naturais menores que n. Fisicamente, pode ser melhor compreendido pela imagem abaixo:

Planos nodais dos orbitais "p", "d" e "f", em ordem crescente. O orbital "s" não possui.

Os cálculos de Bohr para seu modelo atômico.

Reproduzirei aqui os postulados do modelo atômico de Bohr já apresentados anteriormente em outra postagem (link). Existem consequências matemáticas das afirmações presentes nos dois primeiros postulados que preferi deixar de fora na primeira oportunidade. Vamos a elas:

1º Postulado: Um elétron em um átomo se move em uma órbita circular em torno do núcleo sob influência da atração coulombiana entre elétron e núcleo, obedecendo às leis da mecânica clássica.

Apenas disse que força de atração do núcleo pelo elétron atua como força centrípeta mantendo a órbita circular. Semelhante ao sol atraindo a terra ou a terra atraindo a lua. A diferença é que, nestes casos, as forças são gravitacionais.

FE = FC

2º Postulado: Em vez de uma infinidade de órbitas possíveis segundo a mecânica clássica, um elétron só pode se mover em órbitas específicas nas quais seu momento angular orbital seja um múltiplo inteiro de ħ (a constante de Planck dividida pelo dobro de pi).

Aqui ele fez uso de uma linguagem bem difícil pra te dizer que o elétron não pode ficar de bobeira entre duas órbitas quaisquer. De forma semelhante como não se tem hoje um planeta entre a Terra e Marte. E se um for colocado lá, nosso sistema solar ficará doidão e algum planeta será "sinucado".

L = nħ, com n = 1,2,3,...

Conceitos para entender o modelo atômico de Bohr, parte 2.

Este é o último passo antes de chegar no modelo de Bohr, prometo. O anterior a este está aqui (link).

Em 1885, Balmer identificou oito comprimentos de onda (λ) de emissões do hidrogênio formando uma série matemática. Esta série ficou conhecida por série de Balmer. Cinco termos desta série estão na região do visível e serviram de base para a criação da série. Os outros três termos da série ele propôs suas existências por questões matemáticas apenas.

Série de Balmer e relação entre as medidas.

Note que as cores no espectro correspondem às cores dos números na série. Balmer até determinou um termo geral para a série, desde que não começasse de n = 1 ou n = 2 e que n seja um número natural. Pode parecer estranho o fato de a série de Balmer começar para n = 3, mas algo semelhante ocorreu com as demais séries, começando por naturais de dois a sete.

Termo geral da série de Balmer.

O experimento de Millikan.

Se você já se familiarizou com os modelos atômicos de Dalton (link) e Thomson (link) e se aprofundou (link) neste último, creio que é capaz de entender o que está por vir. Falarei de um sujeito inteirado das novidades a respeito da natureza microscópica da matéria no início do século XX, que sabia muito bem sobre o experimento de Thomson quando este determinou a razão entre a carga e a massa do elétron.

Robert Andrews Millikan

Millikan soube que, se determinasse a carga de um elétron, também determinaria a massa dele. A questão é: como determinar a carga de um elétron? Ele teve uma ideia razoavelmente simples, se eletrizasse uma gota de água e a colocasse em uma região sob influência de um campo elétrico, a gota estaria sujeita a forças de natureza elétrica e gravitacional (peso). Não deveria ser difícil chegar a um resultado. Pois a força elétrica depende da carga e do campo elétrica, e o peso depende da massa e da gravidade.

Princípio da incerteza.

Considere a situação na qual você deseja medir a temperatura da água dentro de um copo. Mergulha-se o bulbo do termômetro de mercúrio na água e aguarda-se algum tempo até que entrem em equilíbrio. Esta espera se dá para que os dois corpos troquem calor até se encontrarem em equilíbrio e a temperatura estabilizar. Qual a lição aprendida com esta descrição? Que a temperatura medida para a água não será a mesma que a original.

Copo contendo água é um termômetro analógico de mercúrio.

Modelos atômicos: Sommerfeld.

Dois anos após a excelente contribuição de Bohr para a compreensão humana da natureza microscópica da matéria veio uma nova ideia proposta por Sommerfeld. Você pode até se perguntar: mas o modelo de Bohr era tão bom, o que mais outro poderia acrescentar? Então, este é o ponto, diante de novas evidências, novas ideias não necessárias para explicá-las.

Arnold Sommerfeld

E as evidências vieram da mesma fonte de onde Bohr "bebeu" para elaborar seu modelo. Das linhas espectrais obtidas ao estudar as diferentes substâncias. A evolução tecnológica costuma acompanhar a evolução do conhecimento científico, jamais vem antes dele. Por exemplo, é impensável a invenção da televisão antes de Faraday, Ampére, Maxwell e cia estabelecerem as leis do magnetismo.

O átomo de Bohr.

A interpretação (link) de Bohr para o átomo de hidrogênio e espécies hidrogenóides (cátions com apenas um elétron) foi muito bem sucedida ao relacionar as linhas espectrais (link) do átomo de hidrogênio produzidas por equipamentos anteriores ao ano de 1913.

Do modelo de Bohr surge o conceito de os átomos possuírem sete camadas ou níveis eletrônicos. Ele apenas se baseou nas linhas espectrais encontradas. Dessa forma, é honesto admitir um átomo com a seguinte "aparência":

O átomo segundo Bohr, imagem retirada de "TEC-SCEINCE.COM (link).

Conceitos para entender o modelo atômico de Bohr, parte 1.

O modelo atômico de Bohr explica como é a eletrosfera do átomo. Esta explicação se dá em termos de como os elétrons interagem com a luz. Antes de aprofundarmos no modelo de Bohr, faremos um apanhado de certos eventos, conceitos e personagens que contribuíram de forma direita ou indireta para o trabalho de Bohr. O processo será um pouco demorado, mas eu acredito que vale a pena, então senta que lá vem a história.

 

CONTEXTO HISTÓRICO

Desde a antiguidade a humanidade se intriga e tenta explicar a natureza da luz. Ptolomeu, um filósofo grego, foi o primeiro a deixar algum registro sobre fenômenos envolvendo a luz. Seu trabalho recebeu o nome de “Óptica” e abordou temas como a reflexão e refração da luz e buscou um melhor entendimento sobre a origem das cores.

Cláudio Ptolomeu

Aprofundando no modelo de Thomson.

Se você chegou até aqui, espera-se que tenha observado os apontamentos de Thomson e seus predecessores sobre os raios catódicos (link). Ajudará também que tenhas uma noção sobre forças de natureza elétrica e magnética, normalmente vistas no terceiro ano do ensino médio. Dessa forma, este complemento é mais eficiente para quem está nos estágios finais de sua preparação para o ENEM ou já encerrou o ensino médio. Então vamos ao que interessa.

Thomson demonstrou a natureza corpuscular e elétrica dos raios catódicos, ou seja, sua composição em termos de elétrons e que estes são parte do átomo. Até aqui tudo bem, mas ele não parou por aí. Fez outros experimentos que agregaram mais informações a seu modelo.

Velocidade dos raios catódicos

Thomson aplicou simultaneamente um campo magnético e um campo elétrico aos raios catódicos. De modo que, no caso de ambos possuírem mesmo módulo, mesma direção, e sentidos opostos, os raios passaram sem sofrer desvios. Com isto a velocidade deles é calculada.

Caso não se lembre, vamos a uma breve recordação da interação entre campos elétrico e magnético e partículas dotadas de carga elétrica.

Fenômenos químicos e físicos.

Chamamos de fenômeno qualquer transformação sofrida pela matéria. Algumas dessas transformações alteram a matéria de forma contundente e outras de forma discreta. Muitas delas são, inclusive, objeto de estudo da física, não da química. Algumas são estudadas por ambas as ciências em uma área comum a elas: a termodinâmica, pertencente à físico-química. 

Temos dois casos principais chamados de fenômenos físicos e fenômenos químicos.

Fenômenos Físicos

São fenômenos nos quais a matéria tem sua forma ou propriedades alteradas. São exemplos transformações físicas as mudanças de estados físicos (link), a maioria dos métodos de separação de misturas (link) e traumas sofridos pelos corpos.

São exemplos de traumas sofridos:

a) o vidro quebrado;

Conceitos derivados do modelo atômico de Rutherford.

Uma vez compreendida a ideia por trás do modelo de Rutherford (link) para o átomo. Resta-nos explorar conceitos derivados dele. O átomo, segundo Rutherford, é uma esfera repleta de espaços vazios. Em seu centro encontramos o núcleo. Em volta dele, a eletrosfera. No núcleo estão os prótons e os nêutrons, na eletrosfera estão os elétrons.

Atribuímos aos prótons a carga unitária positiva e aos elétrons a carga unitária negativa. Aos nêutrons nenhuma carga é atribuída, mas ele possui uma massa que será considerada unitária, como a do próton. O elétron possui uma massa 1836 vezes menor que a do próton ou a do nêutron. De tão pequena, a ignoramos e tratamos por zero mesmo.

De posse de tais informações, dizemos que a massa do átomo corresponde à massa de seu núcleo e que a carga do átomo corresponde ao balanço de cargas entre seu núcleo e sua eletrosfera.

Deste conjunto de observações surgem os seguintes conceitos.

Número Atômico (Z)

Representado pela letra Z maiúscula, é o nome dado à quantidade de prótons no núcleo do átomo. Ele é, em última análise, a identidade de um elemento.

Número de Massa (A)

Representado pela letra A maiúscula, é a soma de partículas dotadas de massa dentro do núcleo do átomo. Ou seja, é a soma de prótons e nêutrons.

Relação entre o número de massa (A) e o número atômico (Z)

A = Z + n

Onde n é a quantidade de nêutrons dentro do núcleo do átomo.