Ciências 9º ano

. Acesso em: 18 mar. 2015.

Hermético: difícil de entender ou interpretar.

As representações alquímicas também se caracterizavam pela ausência de padronização. Assim, um material poderia receber símbolos distintos considerando diferentes alquimistas.

Observe, ao lado, alguns símbolos utilizados por alquimistas.

Fig. 1 (p. 62)

Reinaldo Vignati/ID/BR

ou Ouro

Mercúrio

Cobre

Estanho

Água

Ácido de sal marinho

Ácido nitrosado

Ácido vitriólico

Sal álcali fixo

Sal álcali volátil

INTEGRANDO IDEAS

1. De acordo com os textos acima, que características são encontradas nas representações alquímicas?

2. O sistema atual de representação, ou seja, a utilização da letra inicial do elemento químico e, quando necessário, uma segunda letra, apresenta vantagem em relação aos símbolos utilizados na alquimia?

Página 63

Ao longo dos séculos XVIII e XIX, novas formas de representação para os elementos químicos e para as substâncias foram propostas, com o objetivo de superar as dificuldades inerentes às representações alquímicas e também propor explicações para a constituição da matéria e suas transformações.

As representações de Dalton para os elementos químicos e compostos

[...] Influenciado pelo corpuscularismo newtoniano e interessado em fenômenos meteorológicos, Dalton procurou desenvolver um modelo que explicasse o comportamento dos gases. Essas investigações o aproximaram de outras discussões correntes entre os químicos da época. A partir de dados das massas envolvidas em transformações químicas e pensando em termos de átomos, Dalton propôs um engenhoso método para determinar as massas relativas dos átomos. [...]

[...]

Para a determinação das massas atômicas relativas, era necessário que Dalton desenvolvesse um modelo que explicasse as combinações químicas e que propiciasse a previsão de fórmulas para os compostos. [...]

[...] No modelo proposto por Dalton, as interações aconteceriam na sequência de um para um, obedecendo assim à chamada “regra da máxima simplicidade”. Seguindo esse raciocínio, passaríamos a ter vários tipos de combinações possíveis, o que foi denominado por Dalton como “lei das proporções múltiplas”.

[...]

Hélio Elael Bonini Viana; Paulo Alves Porto. O processo de elaboração da teoria atômica de John Dalton. Química Nova na Escola, n. 7, dez. 2007. Disponível em: . Acesso em: 18 mar. 2015.

Corpuscularismo newtoniano: Ideias atribuídas ao físico Isaac Newton, que propunha que a matéria era constituída por partículas sólidas, maciças, duras, impenetráveis e móveis.

Foi nesse contexto que Dalton criou uma representação para os elementos químicos conhecidos em sua época. A partir dos símbolos dos elementos químicos, Dalton conseguiu representar também o que chamamos atualmente de moléculas. Elas consistem de um ou mais átomos, iguais ou diferentes, que se combinam em proporções definidas. Por exemplo, na época de Dalton, acreditava-se que a água era formada por um átomo de hidrogênio e um de oxigênio (hoje sabemos que isso é incorreto). Para representá-la, Dalton recorria aos símbolos do hidrogênio e do oxigênio em uma relação do tipo 1:1 (1 átomo de hidrogênio : 1 átomo de oxigênio).

INTEGRANDO IDEAS

3. Atualmente, o ácido nítrico é representado pela seguinte fórmula: HNO₃. Utilizando os símbolos de Dalton (ao lado), proponha uma representação para o ácido nítrico.

Fig. 1 (p. 63)

Símbolos criados por Dalton para representar alguns elementos e compostos.

Reinaldo Vignati/ID/BR

Elementos

Hidrogênio

Nitrogênio

Carbono

Oxigênio

Enxofre

Soda

Cobre

Chumbo

Compostos

Água

Amônia

Óxido carbônico (CO)

Ácido carbônico (CO₂)

Ácido sulfúrico (SO₂)

4. Quais ideias influenciaram Dalton (ao lado) na proposição do seu modelo?

5. Você já leu algum artigo científico? Você acha que os cientistas escrevem de uma forma que apenas outros cientistas entendam ou escrevem para serem compreendidos por todos?

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O modelo atômico de Thomson

O físico Joseph John Thomson (1856-1940) propôs, em 1897, um novo modelo atômico, com base em estudos e experimentos com gases a baixa pressão, os quais lhe forneceram evidências da existência de partículas menores que o hidrogênio – o menor átomo conhecido. Thomson repetiu os experimentos com diferentes materiais gasosos e observou o aparecimento dessa partícula em todos os casos.

Os resultados obtidos por Thomson indicavam que essa partícula, chamada posteriormente de elétron, constituía os átomos que formavam os diferentes materiais. A descoberta do elétron implicava uma adequação ou reformulação do modelo atômico vigente (o de Dalton).

Thomson, em conjunto com outros cientistas, estudou as propriedades dessa partícula e observou que ela era dotada de carga elétrica, à qual foi atribuído o sinal negativo (–).

Após essas observações, considerando que os átomos são neutros, isto é, apresentam carga elétrica nula, Thomson propôs um modelo de átomo constituído por cargas elétricas opostas. Os elétrons estariam imersos em uma esfera de carga elétrica positiva (+), ou seja, oposta à do elétron; as cargas positivas e negativas se neutralizam.

A descoberta de Thomsom teve algumas implicações. A quantidade de cargas elétricas negativas (elétrons) em um átomo teria de ser igual à quantidade de cargas elétricas positivas, resultando em um corpo neutro. Mas o átomo pode perder um ou mais elétrons. Quando isso acontece, sua carga elétrica passa a ser positiva, e ele se transforma em um íon positivo. Ou pode ocorrer o contrário, isto é, o átomo ganhar um ou mais elétrons. Nesse caso, sua carga elétrica torna-se negativa, e ele se transforma em um íon negativo. Íons são átomos (ou conjuntos de átomos) que perderam ou ganharam elétrons.

Fig. 1 (p. 64)

Representação do modelo atômico de Thomson.

Reinaldo Vignati/ID/BR

Cores-fantasia

Representação sem proporção de tamanho.

partículas de carga negativa

esfera de carga positiva

Para saber mais

Breve relato histórico sobre a eletricidade

Atribui-se a descoberta da eletricidade ao filósofo grego Tales de Mileto (624 a.C.-546 a.C.), que, ao esfregar o âmbar – resina fossilizada produzida por plantas há milhares de anos – em um pedaço de pele de carneiro, percebeu que pequenos objetos eram atraídos por essa resina. Âmbar, em grego, é élektron, origem dos termos eletricidade e elétrons.

No século XVIII, cientistas começavam a distinguir os materiais condutores e não condutores de eletricidade e a propor modelos para explicar por que alguns materiais apresentavam essa propriedade e outros não. Para Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739), por exemplo, havia dois tipos de eletricidade: a vítrea e a resinosa. Um corpo vítreo friccionado repeliria materiais com o mesmo tipo de eletricidade (ou seja, vítrea) e atrairia materiais com eletricidade diferente (ou seja, resinosa).

Fig. 2 (p. 64)

Amostra de âmbar polido.

Joel Arem/Photo Researchers, Inc./Latinstock

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A formulação de um novo modelo atômico

A descoberta da radioatividade e de outros tipos de radiação despertou a atenção de diversos cientistas que buscavam compreender a estrutura dos átomos. Um dos trabalhos que se destacaram nesse sentido foi a pesquisa realizada por Johannes Wilhelm Geiger (1882-1945) e Ernest Marsden (1889-1970), sob a supervisão de Ernest Rutherford (1871-1937).

Rutherford e seus colaboradores construíram um equipamento que projetava um feixe de partículas alfa, dotadas de carga elétrica positiva, em uma fina folha de ouro. Esperava-se, nesse experimento, que as partículas, ao atravessar a folha de ouro, sofressem pequenos desvios em razão da repulsão da carga elétrica positiva de cada átomo. Para registrar a trajetória das partículas, em torno da folha de ouro foi colocado um suporte com uma fina camada de sulfeto de zinco – material que emite luz ao ser atingido pelas partículas –, como pode ser observado na imagem abaixo.

Feixe: conjunto de raios emitidos por uma fonte.

Fig. 1 (p. 65)

Representação do experimento de Rutherford, Marsden e Geiger.

Roberto Higa/ID/BR

Representação sem proporção de tamanho.

Cores-fantasia

camada de sulfeto de zinco

folha de ouro

fonte de partícula alfa

recipiente de chumbo

Entretanto, os resultados obtidos pelos pesquisadores não estavam de acordo com suas expectativas e não podiam ser explicados pela concepção de átomo maciço proposta por Thomson.

Para saber mais

A descoberta da radioatividade

Entre o fim do século XIX e o início do século XX, foram realizadas diversas pesquisas sobre radiação. Entre os primeiros trabalhos nessa área, está a descoberta dos raios X, por Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923), em 1895. Essa descoberta foi muito importante para a medicina, pois, entre outras aplicações, levou ao desenvolvimento de equipamentos médicos para o diagnóstico de fraturas e para observação de órgãos internos.

Um ano depois, o físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908) observou que a pechblenda, mineral bastante conhecido na época e que continha urânio, emitia raios com características semelhantes aos raios X. Novos experimentos mostraram tratar-se de um novo tipo de radiação; mas essa descoberta não recebeu a atenção devida, e Becquerel deixou-a de lado.

Nos anos seguintes, vários cientistas retomaram os estudos de Becquerel – entre eles, o famoso casal Marie Curie (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906), responsável pela descoberta do rádio e do polônio – e contribuíram para separar e caracterizar as radiações emitidas por diferentes materiais radioativos, encontrando três tipos de emissões: a radiação alfa (α), cujas emissões são formadas por partículas de carga positiva, a radiação beta (β) e a radiação gama (γ).

Radiação: pode ser entendida como emissão de energia na forma de onda (por exemplo, a radiação solar) ou de partículas.

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Modelo atômico de Rutherford

Rutherford e seus colaboradores observaram que a maioria das partículas atravessava a folha de ouro sem sofrer nenhum desvio. Para explicar por que isso acontecia, eles imaginaram que os átomos deviam ter espaços vazios.

Por outro lado, observaram também que poucas partículas (cerca de 1 em 8000) sofriam grandes desvios (de até 180º). Para explicar isso, imaginaram que as partículas deviam colidir com algo pequeno, denso e de carga elétrica positiva (pois as partículas α são positivas e eram repelidas). Ou seja, a carga positiva dos átomos devia estar concentrada em uma pequena região, que foi denominada núcleo.

Fig. 1 (p. 66)

Representação do modelo atômico de Rutherford.

Reinaldo Vignati/ID/BR

Cores-fantasia

Representação sem proporção de tamanho.

núcleo

elétrons

Posteriormente, com a descoberta e a caracterização de partículas de carga elétrica positiva, que foram chamadas prótons, esse modelo sofreu algumas modificações, e o átomo foi descrito como tendo um núcleo constituído de partículas positivas, os prótons, e, em torno desse núcleo, uma região onde estavam localizadas as partículas negativas, os elétrons.

No entanto, os valores obtidos experimentalmente para a massa do átomo não correspondiam ao valor calculado para a massa dos prótons. No cálculo da massa do átomo, só os prótons são considerados, pois a massa dos elétrons, que é muito pequena em comparação à dos prótons, pode ser desprezada.

Para resolver a questão da diferença de massa, Rutherford imaginou que, no núcleo do átomo, existiriam outras partículas, que não teriam carga elétrica, isto é, seriam neutras, e teriam massa semelhante à dos prótons. Apesar de prever a existência dessa partícula, Rutherford e seus colaboradores não conseguiram detectá-la. Essa descoberta só ocorreu em 1932, pelo físico James Chadwick (1891-1974), e a partícula foi chamada de nêutron, em virtude de sua propriedade elétrica ser neutra.

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O modelo de Bohr-Rutherford

O modelo atômico proposto por Rutherford tinha pelo menos uma inconsistência: o átomo descrito por ele era instável. Se os elétrons, partículas dotadas de carga negativa, fossem considerados estáticos, isto é, sem movimento, a carga positiva do núcleo os atrairia, e eles colidiriam com o núcleo. Se, ao contrário, fosse considerado que os elétrons eram dotados de movimento, eles perderiam energia e velocidade ao longo de sua trajetória até colidir com o núcleo, de modo semelhante ao que acontece com uma bola quando ela é rebatida no espiribol, como mostrado abaixo.

Fig. 1 (p. 67)

Quando o garoto bate na bola, ela adquire movimento e gira em torno do mastro. Mas, ao longo de sua trajetória, ela perde velocidade até colidir com o mastro e parar.

Roberto Higa/ID/BR

Para explicar por que os elétrons se mantêm na eletrosfera e não colidem com o núcleo, o físico Niels Bohr (1885-1962) propôs, em 1913, a existência de órbitas circulares ao redor do núcleo, onde o elétron se moveria sem perder energia.

Em vez de imaginar infinitas órbitas, Bohr pensou que haveria somente algumas órbitas definidas, também denominadas níveis de energia ou camadas eletrônicas. Quando se fornece energia a um elétron, ele “salta” de um nível de menor energia para outro de maior energia. Ao cessar a fonte de energia, o elétron retorna ao nível inferior e libera a energia recebida sob a forma de luz (como pode ser observado nas fotografias ao lado) e energia térmica.

Fig. 2 (p. 67)

Aquecimento de diferentes sais. Em A, sal de sódio; em B, sal de cobre; em C, sal de lítio; em D, sal de potássio.

Fotografias: David Taylor/SPL/Latinstock

A B C D

Fig. 3 (p. 67)

Cada órbita representa um nível de energia com valor definido. Quando se fornece energia para um elétron, ele "salta" para níveis de maior energia. Ao retornar para o nível de menor energia, ele libera energia sob a forma de luz. Cada elemento químico apresenta um número próprio de elétrons e de órbitas, o que explica as diferenças de cores obtidas nas fotos acima.

ID/ES

Cores-fantasia

Representação sem proporção de tamanho.

energia energia núcleo núcleo e^– e^–

Para aplicar

Na seção Para investigar, você e seus colegas representaram como seria a constituição da matéria e também verificaram a concepção das pessoas da comunidade sobre essa constituição. As representações obtidas se aproximam de algum modelo atômico estudado neste capítulo? Qual? Justifique sua resposta.

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Limitação do modelo de Bohr-Rutherford

O modelo de Bohr-Rutherford conseguia explicar e reproduzir experimentalmente os valores calculados para cada órbita do átomo de hidrogênio por meio de sua emissão de luz. Com esse modelo, era possível calcular, com extrema precisão, não apenas as órbitas do átomo de hidrogênio, como também as de íons com apenas um elétron, como o íon hélio, representado pelo símbolo He⁺.

No entanto, o mesmo não acontecia com átomos ou íons com mais de um elétron. Essa questão intrigou diversos cientistas durante muito tempo.

Atualmente, outros modelos de átomo já foram propostos e há uma área da Física, conhecida como física de partículas, que estuda a composição da matéria. De acordo com ela, os prótons e os nêutrons não são mais considerados as menores partículas da matéria. Eles são formados por partículas menores, chamadas quarks.

O desenvolvimento tecnológico e científico propiciou a construção de aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC). Nesses aceleradores, diferentes cientistas buscam, por meio da colisão de prótons, elétrons, etc., descobrir novas partículas elementares ou identificar partículas que foram previstas em cálculos, mas ainda não foram observadas experimentalmente.

Acelerador de partículas: equipamento projetado para fornecer energia a feixes de partículas carregadas elétricamente, como elétrons e prótons, com o objetivo de investigar o que a colisão gera.

Fig. 1 (p. 68)

Esquema simplificado do LHC. Nos túneis circulares subterrâneos, as partículas (prótons, elétrons, etc.) são aceleradas. Observe as setas (em vermelho) que indicam o sentido do percurso das partículas e perceba que, em algum ponto do túnel de maior diâmetro, elas colidirão. Com a colisão, os pesquisadores esperam obter respostas sobre a matéria e o Universo.

Cecília Iwashita/ID/BR

Cores-fantasia

Representação sem proporção de tamanho.

diâmetro: 27 quilômetros

100 metros

Para refletir

LHC, o maior acelerador de partículas do mundo

O LHC é hoje o maior acelerador de partículas do mundo. Situada na fronteira entre França e Suiça, a estrutura, que demorou vinte anos para ser construída, iniciou os primeiros testes em setembro de 2008.

Pesquise o custo envolvido na produção do LHC no site