2 – A estrutura da matéria: Os átomos e os elementos químicos

Introdução
Nesta Unidade, você vai estudar a estrutura da matéria, de modo que conheça o que há de comum em todas as coisas que estão ao seu redor. Verá que vários filósofos e cientistas tentaram descobrir do que a matéria é feita, até que se chegou à teoria mais aceita atualmente: a de que toda matéria é constituída por pequenas unidades, chamadas de átomos. Também verá as diferenças entre elemento, substância e mistura e como é possível separar uma mistura em seus componentes. Por fim, conhecerá algumas propriedades da matéria
 
Os átomos e os elementos químicos
Este Tema inicia-se com uma perspectiva histórica de como os filósofos foram pensando do que seria feita a matéria ao longo do tempo. Você estudará também os átomos e os elementos químicos, noções fundamentais para entender a composição de tudo o que você vê.
 
Os átomos e os quatro elementos
Muitas casas são feitas de tijolos. Mas os tijolos são feitos de quê? Pode-se dizer que são feitos de matéria. Em linguagem científica, matéria é tudo o que possui massa e ocupa lugar no espaço, ou seja, tem volume. Isso, porém, ainda não explica uma importante questão: De que é feita a matéria?
Alguns filósofos gregos, conhecidos como pluralistas, afirmavam que a matéria era feita de algumas poucas substâncias ou partículas. Aristóteles (384-322 a.C.), por exemplo, acreditava que toda matéria era composta de uma mistura de quatro elementos: terra, água, fogo e ar.
 Já Leucipo (século V a.C.) e Demócrito (460-370 a.C.) haviam postulado que a divisão da matéria em partes cada vez menores resultaria em uma unidade indivisível, a qual denominaram átomo. Essa corrente de pensamento ficou conhecida como atomismo. Para eles, os átomos teriam as seguintes propriedades:
  • são eternos, indivisíveis, homogêneos e invisíveis;
  • diferenciam-se em forma e tamanho; e
  • seu agrupamento determina as propriedades da matéria.
Quatrocentos anos depois, o poeta romano Lucrécio (99-55 a.C.) tentou sintetizar as ideias de Demócrito e Epicuro (341-270 a.C.) sobre o atomismo, escrevendo que a matéria seria feita de partículas extremamente pequenas, imutáveis e indivisíveis que não poderiam ser criadas nem destruídas. Eles acreditavam que, embora constituíssem algumas substâncias comuns, essas partículas teriam forma, tamanho e peso diferentes, e que o espaço entre elas seria vazio. Elas ficariam juntas nos corpos por ligações mecânicas e, assim, produziriam a variedade infinita de coisas que são observadas no mundo material.
A densidade de um corpo estaria relacionada à quantidade de espaço vazio entre as partículas, as quais estariam em movimento perpétuo que persistiria por ele mesmo. A natureza do Universo consistiria, então, fundamentalmente, em duas coisas: existiriam as partículas e, também, o vazio.
 
Da alquimia à química moderna
Com o desenvolvimento humano, novos materiais foram sendo descobertos por alquimistas e pesquisadores. Percebeu-se, por exemplo, que era necessário utilizar determinados gases para produzir o fogo e que o ar era uma mistura de vários gases. Assim, diferentemente do que alguns filósofos antigos acreditavam, o fogo e o ar não poderiam mais ser considerados elementos fundamentais, pois eles mesmos seriam compostos por outros elementos mais simples.
Sendo assim, continuava a pergunta: De que seria feita a matéria? Quais seriam os elementos básicos constituintes de toda a matéria existente no Universo?
Durante a 1a Revolução Industrial, na segunda metade do século XVIII, com o desenvolvimento das máquinas a vapor, o estudo dos gases passou a ser muito importante. No início do século XIX, o físico e químico inglês John Dalton (1766-1844) realizou experimentos com gases e descobriu algumas de suas propriedades. Para explicá-las, retomou o modelo atômico dos gregos e, com ele, conseguiu explicar vários fenômenos, como as proporções entre os diversos elementos de uma mistura gasosa. Ele imaginava que os átomos eram bolinhas muito pequenas. Cada elemento químico era composto por um tipo de bolinha indivisível e indestrutível, com determinada massa, que não se alterava em uma reação química.
Nessa época, os cientistas passaram a utilizar novos métodos para analisar suas descobertas, realizando experimentos e utilizando a linguagem matemática para representar as proporções e outras relações entre as grandezas observadas. Surgiu daí a química moderna, cujo objetivo é o estudo da composição e das propriedades da matéria e da energia envolvida em suas transformações.
O conhecimento químico ajuda a explicar diversos fenômenos da natureza e tem muitas aplicações positivas. Ele é responsável por profundos impactos tecnológicos, econômicos e sociais, como a produção de remédios e de novos materiais.
Com o desenvolvimento tecnológico, no final do século XIX, foi possível produzir um tipo de lâmpada ornamental em que se podia observar um raio luminoso, chamado raio catódico. Estudando esse fenômeno, o físico inglês Joseph J. Thomson (1856-1940) demonstrou que esse raio era produzido por partículas de carga negativa, menores e mais leves do que os átomos de Dalton, às quais deu o nome de elétrons.
 
Um novo modelo atômico
O modelo atômico, então, foi modificado. Imaginou-se que o átomo seria, na verdade, composto por duas partes: uma massa de carga positiva com cargas negativas (elétrons) embutidas.
Novas pesquisas foram alterando esse modelo, até que se chegou ao modelo mais aceito atualmente. De maneira simplificada, pode-se dizer que a matéria é constituída por átomos. Estes são formados essencialmente por um núcleo e por elétrons, que circundam o núcleo, em órbitas, como os planetas em torno do Sol.
Os elétrons são partículas de carga negativa. O núcleo é composto por dois outros tipos de partícula: os prótons (carga positiva) e os nêutrons (sem carga elétrica).
Um átomo tem o mesmo número de prótons e elétrons
 
Elemento químico
Elemento químico é um conjunto de átomos que têm a mesma quantidade de prótons em seu núcleo.
Em linguagem científica, os elementos químicos costumam ser representados por uma letra maiúscula ou por duas letras, sendo a primeira maiúscula e a segunda minúscula
Atualmente, são conhecidos 118 elementos químicos. Desses, 98 são naturais e 20 são artificiais ou sintéticos.
Transformações químicas e físicas O mundo em que você vive passa por transformações o tempo todo. Há transformações em que a matéria está envolvida que ocorrem na natureza e outras que são realizadas pelo ser humano.
O aquecimento global, por exemplo, aumenta as temperaturas médias do planeta, provocando mudanças climáticas regionais e globais, além do derretimento de geleiras, podendo levar ao aumento do nível dos oceanos. Outro exemplo é o das indústrias, que transformam matéria bruta em produtos para o consumo das pessoas. Essas transformações podem ser químicas ou físicas:
  • Transformações químicas: são aquelas nas quais os materiais reagem entre si, gerando um novo material; por isso, são, em geral, irreversíveis. É o caso de uma folha de papel queimada, pois, a partir das cinzas, não se poderá mais reconstituir o papel.
  • Transformações físicas: são aquelas nas quais a matéria permanece constante, sendo, em geral, reversível. É o caso do gelo, por exemplo, que depois de derretido pode ser congelado novamente.
 
Substância e mistura
Uma combinação de átomos forma uma molécula. Determinados tipos de moléculas ou átomos, quando combinados, compõem uma substância.
Cada substância possui uma composição química e um conjunto definido de propriedades. Portanto, não é possível encontrar duas substâncias com todas as propriedades iguais.
A água, por exemplo, é uma substância formada por moléculas constituídas por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (fórmula molecular: H2O), e tem como propriedades ser incolor (sem cor), inodora (sem cheiro) e insípida (sem sabor), entre outras.
As substâncias podem ser:
  • inorgânicas, como a água, ou orgânicas, como o metano; e
  • simples, formadas por um único elemento químico, como o ferro (Fe), o alumínio (Al) e o gás hidrogênio (H2); ou compostas, formadas por mais de um elemento, como a água (H2O), o gás carbônico (CO2) e o cloreto de sódio (NaCl), nome químico do sal de cozinha.
Quando duas ou mais substâncias estão juntas, formam uma mistura. Nesse caso, as propriedades de cada substância não se alteram. As misturas podem ser heterogêneas ou homogêneas.
Mistura heterogênea é aquela cujas substâncias podem ser identificadas visualmente, como uma mistura de água e óleo. Já mistura homogênea é aquela em que não é possível distinguir as substâncias visualmente, como água com açúcar ou sal. Na natureza, é mais comum encontrar misturas do que substâncias puras.
 
ORIENTAÇÕES DE ESTUDO
Um procedimento de estudo que também pode ajudar é o fichamento. Essa técnica consiste em destacar e registrar as informações de um texto. Assim, você pode organizar fichas que o auxiliem a retomar o que já estudou.
Ao realizar um fichamento, é importante ter clareza de quais são os objetivos de leitura, ou seja, o que se pretende registrar sobre o texto.
Agora, você vai produzir um fichamento do texto Substância e mistura. Releia o texto e depois grife o que compõe as substâncias e como elas podem ser.
Lembre-se de que um fichamento não é como um resumo. Por isso não há necessidade de incluir nele todas as ideias contidas no texto, mas apenas aquelas que estiverem relacionadas aos seus objetivos de leitura, que, nesse caso, é destacar o que compõe as substâncias e como elas podem ser.
 
Separação de misturas
Existem vários métodos para separar misturas. Os mais utilizados são:
  •  catação: consiste na separação manual de sólidos diferentes, como acontece na limpeza do feijão antes de cozinhá-lo ou na reciclagem do lixo (resíduos sólidos);
  •  decantação: separa substâncias de densidades diferentes. Uma das substâncias fica no fundo ou na superfície do recipiente e pode ser retirada;
  • filtração: separa o líquido de uma mistura sólido-líquido. Utiliza-se um filtro de papel, que funciona como uma peneira microscópica, permitindo a passagem do líquido e retendo o sólido;
  • flotação: separa sólidos de densidades diferentes. Os sólidos são jogados na água (ou em outro líquido) e, enquanto alguns deles afundam, outros permanecem na superfície e podem ser retirados. Esse método é usado, por exemplo, para separar plásticos de outros materiais;
peneiração: separa dois ou mais sólidos de tamanhos diferentes, como pedra e areia, ou sólidos em suspensão em um líquido, como as sementes de um suco.
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