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Coisas no
Ar
(parte 2)
(Da
alquimia à química)
Prof.
Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br
Por
que
a natureza tem horror ao vácuo?
Nos
Diálogos Referentes a Duas Novas
Ciências, Galileu ilustra como uma
observação da vida diária
¾ a que os filósofos
nunca deram atenção
¾ podia ter levado a
uma compreensão mais precisa do ar.
Vi uma vez uma cisterna na
qual tinha sido instalada uma bomba. O braço da bomba
puxava seu êmbolo e a válvula para a parte superior, de
tal maneira que a água se elevava por atração, e não
por um impulso, como no caso das bombas que têm o pistão
colocado lá em baixo (na cisterna). Essa bomba
trabalhava perfeitamente, enquanto a água da cisterna
se mantivesse acima de determinado nível; mas, abaixo
daquele nível, a bomba deixava de trabalhar. Quando
primeiro observei esse fenômeno, pensei que a bomba
tinha se desarranjado, mas o operário que chamei para
repara-la disse-me que o defeito não estava na bomba,
mas na água (nível), que tinha caído muito baixo para
que pudesse ser elevada em toda aquela altura; e
acrescentou que não é possível, seja para uma bomba,
seja para qualquer outra máquina que trabalhe pelo
principio da atração, elevar a água um fio de cabelo a
mais do que dezoito cúbitos (cerca de 10 metros); seja a
bomba grande ou pequena, este ‚ o limite extremo de
elevação.
Galileu refere-se à bomba de
"sucção" comum
(aspirante-premente)
mostrada na ilustração a seguir.
Operação
da bomba elevatória, comum na época de Galileu
Elevando-se o pistão como na
parte (a), aumenta-se o volume da câmara, mas a
arruela de couro do pistão impede o ar de entrar na
câmara pela parte de cima. A água se eleva na câmara
porque a pressão atmosférica na superfície da água do
poço é superior à pressão na câmara. No curso de
descida, parte (b), a válvula é forçada a
fechar-se, e a água passa pelo lado da arruela de couro
para o espaço que fica acima do pistão.
No movimento para cima,
seguinte, parte (c), mais água é admitida na
câmara, enquanto que uma parte da água que fica acima
do pistão é descarregada.
Na época de Galileu, os
cientistas acreditavam que a água é aspirada para a
bomba porque a natureza tem horror ao vácuo
¾ o antiq üíssimo
horror vacui. Galileu foi o primeiro a cogitar
por que esse horror cessava subitamente na altura de
dezoito cúbitos, ou cerca de 10 metros, como diríamos.
Aquilo era obviamente um efeito, que reclamava
uma causa.
Isto levou
Evangelista Torricelli
(1608
-1647), discípulo de
Galileu, a especular sobre a altura a que o horror
vacui podia elevar uma coluna de mercúrio. Sabia
que o mercúrio é cerca de quatorze vezes mais pesado que
a água, e por isso suspeitou que a referida altura
seria de um quatorze avos de dezoito, ou cerca de 21/2
pés (cerca de 0,76 metros). A experiência foi realizada
com o auxílio de um tubo de vidro de cerca de 6 pés de
comprimento, que foi fechado em uma das extremidades.
Encheu o tubo com mercúrio, vedando a extremidade aberta
com um dedo. O tubo foi então invertido e colocado com a
extremidade vedada pelo dedo mergulhada em uma tina
aberta de mercúrio, conforme se ilustra.
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Barômetro de Torricelli
Embora
inicialmente encha o tubo, o mercúrio cai a
uma altura de cerca de 29 polegadas (75 cm),
quando a extremidade é aberta em uma tina de
mercúrio.
Torricelli
concluiu que a pressão da atmosfera apenas
pode sustentar uma coluna de mercúrio
daquela altura. |
Quando o dedo foi retirado,
o mercúrio do tubo desceu para uma altura de cerca de
trinta polegadas acima da superfície do mercúrio da
tina. Nenhum ar podia ter entrado no tubo, e assim o
espaço livre acima da coluna de mercúrio foi
subseqüentemente chamado de Vácuo de Torricelli.
Torricelli suspeitou que a
coluna de mercúrio era sustentada pela força nascida
pela pressão atmosférica que atuava sobre a superfície
livre do mercúrio. Atribuiu as pequenas variações do
nível da coluna às alterações diárias da pressão
atmosférica. Mais tarde, Blaise
Pascal (1623
-1662) descobriu que a
altura da coluna era continuamente reduzida à medida que
o aparelho era levado por uma montanha acima. O
instrumento de Torricelli é agora chamado de
barômetro.
O
principio
do barômetro
Podemos compreender o
princípio do barômetro supondo que o ar têm peso.
Imaginemos uma coluna de ar, tendo sua seção reta com
uma área de 1 polegada quadrada. A coluna estende-se da
superfície da Terra até o topo da atmosfera. Sabemos
agora que tal coluna de ar pesa 14,7 libras, se
desprezarmos as pequenas variações que ocorrem de dia
para dia. Qualquer outra coluna de ar tendo a mesma área
de seção pesa precisamente o mesmo. É conveniente,
portanto, referirmo-nos à pressão do ar
¾ o peso ou a força
que atua na unidade de área. A pressão da atmosfera é
simplesmente igual a 14,7 libras por polegada quadrada
(1 quilograma-força por centímetro quadrado).
Observamos que a pressão‚
independente da área da seção que estivermos
considerando. Se selecionarmos uma área de 10 polegadas
quadradas, a coluna de ar pesará dez vezes mais, e a
pressão será exatamente a mesma.
Devemos a
Pascal o passo seguinte
para nossa compreensão do barômetro. Em 1653, ele
mostrou que a pressão exercida sobre um fluido (líquido
ou gás) é transmitida igualmente em todas as direções.
Sabemos que a atmosfera pressiona a superfície do
mercúrio com uma pressão de 14,7 libras por polegada
quadrada. De acordo com o princípio de Pascal,
essa pressão é exercida em todas as partes do mercúrio.
Ela também atua no mercúrio
que está no fundo do tubo. Mas não há ar no topo do
tubo, capaz de pressionar a coluna de mercúrio. A
pressão atmosférica no fundo do tubo é contrabalançada
somente pela coluna de mercúrio. Como o mercúrio é tão
mais pesado que o ar, uma coluna de trinta polegadas
pesa precisamente o mesmo que uma coluna de ar que tenha
a mesma seção, e que se estenda até ao topo da
atmosfera. As duas colunas se equilibram exatamente,
porque ambas produzem a mesma pressão sobre o
reservatório de mercúrio.
Nota: Para explicar isso
hoje, basta mencionar que o mercúrio da cuba age
simplesmente como uma balança de pratos iguais e de
diâmetro igual ao do tubo; em um dos pratos coloca-se a
coluna de ar e no outro a coluna de mercúrio
(ambas as colunas com vácuo no topo).
Como
pesar
o ar
Utilizando a
bomba de ar, tanto Guericke como Boyle verificaram mais
tarde o fato de que o ar tem peso . Isto foi feito
pesando um recipiente de metal ou vidro antes e depois
de o ar ter sido expelido dele. Ambos os cientistas
verificaram que o recipiente perdeu peso quando o ar foi
removido. Boyle descobriu que "a proporção da gravidade
(peso) do ar para a água, com o mesmo volume, é de 1
para 938". Em seus Discursos e Demonstrações sobre
Duas Novas Ciências, Galileu apresenta a relação
como sendo 1: 400. O dado verdadeiro, para a temperatura
ambiente e ao nível do mar, é de cerca de 830.
A
elasticidade
do ar
Boyle publicou os
resultados de suas experiências com a bomba de ar (seu
"novo motor pneumático") em 1660. Essas experiências
sugeriram-lhe que o ar tem uma certa elasticidade.
A pressão aplicada a um
volume de ar confinado obriga-o a comprimir-se em um
volume menor. Quando essa pressão é removida, o ar
recupera seu volume anterior.
Após ler o livro de Boyle,
Richard Towneley sugeriu ao autor uma hipótese "que
supõe que as pressões e expansões estão em proporções
recíprocas (inversas)". Imaginou, em outras palavras,
que dobrando a pressão exercida sobre o ar faria seu
volume reduzir-se à metade. Boyle logo provou que a
idéia de Towneley estava correta, e esta se tornou
conhecida como lei de Boyle.
Boyle utilizou um tubo curvo
para sua experiência, como se mostra na parte (a)
da ilustração a seguir.
Aparelho
de Boyle para medir a "mola de ar"
A perna menor do tubo foi
hermeticamente fechada, e a perna maior ficou aberta e
em contato com a atmosfera. Então, ele derramou mercúrio
no tubo e inclinando freqüentemente o tubo,
permitiu que escapasse uma parte do ar preso na perna
menor. Após muitos ajustamentos, o mercúrio elevou-se
exatamente na mesma altura, em ambas as pernas. A
pressão do ar na perna fechada era então necessariamente
igual à pressão atmosférica que pressionava o mercúrio
na perna aberta. Se as duas pressões fossem desiguais, o
mercúrio não teria subido tão alto na perna que tivesse
a pressão maior. Assim sendo, Boyle concluiu que o ar
encerrado na perna fechada tinha uma pressão igual a uma
atmosfera ¾
14,7 libras por polegada quadrada.
Ele então derramou mais mercúrio, como na parte (b)
do diagrama, até que o ar encerrado na perna menor fosse
reduzido por compressão, ocupando apenas metade do
espaço que ocupava ..., anteriormente; lançamos nossos
olhos para a perna maior do tubo ..., e observamos, com
prazer e satisfação, que o mercúrio do tubo maior estava
29 polegadas mais alto que o outro.
Podemos compreender este
resultado relembrando a experiência de Torricelli. O ar
que pressiona o mercúrio na perna aberta da parte (a)
é igual em pressão a uma coluna de mercúrio de 29 ou 30
polegadas de altura, dependendo da pressão atmosférica.
Uma tal coluna de mercúrio
produziria uma pressão de 1 atmosfera, a pressão inicial
atuando na parte fechada. Na parte (b), Boyle
verificou que uma coluna de mercúrio de 29 polegadas de
altura reduziu o volume do ar encerrado à metade de seu
volume inicial. Entretanto, devemos adicionar a essas 29
polegadas outras 29 ou 30 polegadas adicionais de
mercúrio, equivalentes à pressão atmosférica. Afinal de
contas, a pressão atmosférica continua pressionando o
mercúrio na perna aberta.
É claro, portanto, que a
pressão do ar encerrado na parte (b) corresponde
a cerca do dobro da pressão do mesmo ar na parte (a).
Igualmente, a redução do volume foi produzida
dobrando-se a pressão que atua sobre o ar encerrado.
Boyle repetiu a experiência
para muitas pressões e volumes diferentes, encontrando
que o volume era sempre inversamente proporcional à
pressão aplicada. Em termos matemáticos,
Volume
proporcional a (1/pressão) ou
Volume =
k/pressão ou V = k/P
onde k é uma
constante de proporcionalidade, dependendo das unidades
nas quais são medidos o volume e a pressão.
O
inicio
da química científica
Os alquimistas,
iatroquímicos e metalurgistas tinham obtido importantes
resultados práticos na altura da metade do século
dezessete, mas pouco tinham feito para promover uma
compreensão científica dos processos químicos. O
desenvolvimento da ciência da Química é um exemplo
clássico da interdependência da experiência e da teoria.
Ressalta a importância de combinar os fecundos fatos
experimentais com as idéias teóricas iluminadas que
levam à compreensão e à unidade. Embora as teorias de
Aristóteles fossem estéreis sem a prova experimental, o
uso da experimentação sem a orientação teórica foi um
trabalho cego. Antes que pudesse emergir uma ciência da
massa de fatos químicos conhecidos, teria que surgir uma
teoria que estivesse em estreita concordância com a
experiência.
Três
grandes obstáculos permaneciam no caminho da evolução da
Química.
O
primeiro
era o fato ainda não
reconhecido de que o ar
¾ agora uma
substância pesada ¾
entra em muitos processos químicos como um componente ou
reagente invisível.
O
segundo
era a crença errônea de que
o fogo é o elemento universal de análise, por
meio do qual os compostos químicos são separados em seus
elementos.
O
terceiro
era a severa limitação
colocada diante dos teoristas pelo pequeno número de
elementos básicos.
Os aristotelianos ou
peripatéticos acreditavam ainda nos quatro
antigos elementos de Empédocles: terra, água, ar e fogo.
Os seguidores de Paracelso favoreciam outros
princípios ou elementos: sal, enxofre e mercúrio.
Dependendo da preferência pessoal, outros selecionavam
um ou dois elementos de cada lista.
O pequeno número de
elementos básicos levou a atribuir o mesmo nome a muitas
substâncias diferentes. Também a falta de uma lista de
elementos e compostos aceita por todos levou à confusão
e à falta de compreensão mútua entre os químicos.
O fato de que qualidade
ocultas, espíritos e formas substanciais
fossem invocadas para explicar as reações químicas
confirmava a opinião geral de que a Química era uma
espécie de mágica ou, na melhor das hipóteses, uma arte.
As pesquisas de Galileu na
mecânica tinham estabelecido um modelo de pesquisa
científica em uma ciência afim. Era tempo agora de uma
reavaliação crítica das teorias químicas comuns da
época. Também se fazia necessário um método científico
para conduzir e interpretar a experimentação química.
Boyle e Hooke penetraram
nesse vazio intelectual e lançaram os fundamentos da
ciência da Química.
O
Químico Cético
Dos muitos livros escritos por Boyle, o mais
importante foi O Químico Cético,
que apareceu em 1661. Boyle começou atacando a idéia de
que há somente um pequeno número de elementos químicos
fundamentais. Ele compara essa preconcepção do mundo a
um homem tentando decifrar um livro no qual "ele fosse
familiarizado com apenas três letras". "O Livro da
Natureza", observou ele, pode necessitar de mais que
três ou quatro elementos para sua compreensão. Boyle
tinha finalmente banido a idéia dos gregos de que a
Química podia, como a Geometria, ser desenvolvida
logicamente, partindo de alguns poucos princípios
auto-explicativos. Prosseguiu mais além, dividindo todas
as substâncias puras em duas classes. Uma delas continha
as substâncias que haviam, até ali, resistido a todas as
tentativas de decomposição ou divisão em substâncias
mais simples que elas próprias. A essas ele chamou de
elementos verdadeiros.
A segunda classe de substâncias puras inclui aquelas
que, por um meio ou por outro, podem ser decompostas em
substâncias mais simples. A essas, ele chamou de
compostos.
A idéia de que as
preconcepções teóricas deviam dar lugar aos fatos
experimentais tinha finalmente encontrado um campeão
entre os químicos.
Boyle atacou também a noção
de que o fogo é o método universal de separação de todos
os compostos em seus elementos.
Salientou que o vidro não pode ser "analisado" pelo
fogo, muito embora todos os químicos soubessem que ele
contém minerais (areia e óxido de cálcio) e as cinzas de
plantas queimadas (soda ou potassa). Acrescentou que
mesmo quando o fogo separa uma substância em novos
corpos químicos, estes não são elementos
necessariamente. Para ilustrar, a madeira produz fuligem
e cinzas quando queimada, e óleo, espíritos, água e
carvão, quando destilada. Seguramente, todas estas
substâncias não são elementos.
Boyle também observou a
importância do ar nas reações químicas. Se o carvão for
queimado em ar livre, será reduzido a cinzas, mas não
se calcinará de maneira alguma se for aquecido ao rubro
em um vaso fechado. Seu interesse pelo ar e pelo fogo
quase levou Boyle à descoberta do oxigênio. Ele
compreendeu que apenas uma parte do ar era necessária
para a combustão:
"Deve
haver no resto da atmosfera alguma substância
singular devido à qual o ar é tão necessário à
manutenção da chama."
Com a ajuda de sua bomba de
ar, Boyle mostrou também que alguma coisa existente no
ar é necessária para a vida animal. Embora tivesse
falhado em identificar essas "partes" do ar, ele deu
vida à idéia de uma substância vital contida no ar. Cem
anos depois, Lavoisier iria
provar que o oxigênio é necessário tanto para a vida
como para a combustão.
Hooke e outros expandiram as
idéias de Boyle nos campos da combustão e da respiração.
Hooke mostrou que a parte do ar consumida por uma chama
é a mesma parte consumida na respiração. Demonstrou
também que um rato viveria mais tempo em um vaso
contendo ar comprimido do que em um outro contendo ar à
pressão normal. Em 1663, Wren
sugeriu que o ar contém vapores salitrosos que
sustentam a vida, e Hooke estendeu o conceito para
incluir a combustão. Em 1665, Hooke provou
experimentalmente que as sementes necessitam de ar para
se desenvolverem.
Muito progresso tinha sido
conseguido, desde a invenção do barômetro e da bomba de
ar. O ar tomara-se conhecido como uma substância
material que sustenta a vida e influencia certas reações
químicas. Representava um terceiro estado da matéria. A
compressibilidade ¾
conforme descrito pela Lei de Boyle
¾ era uma
característica da matéria no estado de vapor
(gases, mais precisamente).
A teoria da matéria teve que
levar em conta este fato. Demócrito ensinara que a
matéria consiste de
átomos distintos separados
por espaços vazios, conceito este que se encaixava bem
com a observação da compressão. Assim, a idéia do átomo
parecia muito mais plausível do que nas épocas
anteriores. A ocasião parecia propícia para um grande
desenvolvimento teórico da Química, mas este não veio
senão muito tempo depois.
O calor, por exemplo, era
ainda um elemento químico, em vez de um ramo da Física.
Ao contrário do ar, os espíritos ainda não eram
compreendidos como substâncias químicas em estado
gasoso. Os golpes de discernimento que ocorreram aqui e
ali estavam destinados a serem asfixiados pela mera
especulação, perdendo-se para os outros cientistas. A
troca de comunicações era pequena entre os químicos,
devido a uma tradição de segredo e à falta de uma
terminologia precisa que facilitasse a comunicação.
Alguns progressos nessas áreas estavam então começando a
ocorrer na Mecânica, sob a influência de
Newton e outros. Não
obstante, os químicos não tinham uma noção adequada dos
progressos realizados pelos físicos do século dezessete.
Ainda
transcorreria uma centena de anos às apalpadelas,
antes que a precisão dos físicos se transmitisse à
arte da Química.
A revolução da Química não
podia ocorrer até que os químicos tivessem apreendido
suficientemente a Física para manter ambas as ciências
constantemente diante do espírito.
Segue:
Coisas no ar (III)
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