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Coisas
do Átomo Prof.
Luiz Ferraz Netto Isômeros:
Os gêmeos não idênticos da Química Os dois jovens cientistas entraram em contato e tornaram-se amigos por toda a vida. Quando Berzelius soube da descoberta, reconheceu sua tremenda importância, e cunhou o termo isômeros para designar os compostos químicos que têm a mesma composição, mas propriedades diferentes. Despertou-se grande interesse pelo isomerismo e logo foram descobertas muitas substâncias com dúzias de isômeros. Por exemplo, mais de uma centena de compostos podem ser produzidos pela combinação de nove átomos de carvão, dez de hidrogênio e três de oxigênio. O isomerismo dos compostos do carvão ajuda a explicar a enorme quantidade de compostos na química orgânica - número este que aumenta à razão de vários milhares por ano. A
arquitetura da Química Nosso conhecimento de um isômero é completo apenas quando sabemos a estrutura interna ou constituição da molécula. Somente então pode ser estabelecido um método razoável de sintetizar um composto, ou de formá-lo, partindo de materiais mais simples. Um grande progresso neste sentido foi proporcionado em 1858 por Archibald Couper e Friedrich Kekulé. Eles mostraram que o isomerismo podia ser compreendido escrevendo-se fórmulas gráficas para os isômeros. A idéia deles foi representar a união de dois átomos como uma linha (ou ponto), de acordo com a valência do átomo. Podemos ilustrar o conceito escrevendo a fórmula gráfica para o composto hidrocarboneto, metano, CH4. O metano contém um átomo de carbono e quatro de hidrogênio (a).
O carbono tem a valência de quatro, e o hidrogênio, um. Podemos considerar um átomo de carbono como possuindo quatro lugares distintos que têm a tendência de unir-se com outros átomos. O hidrogênio, com a valência um, dispõe apenas de um desses lugares. Assim sendo, cada linha ou ligação representa uma valência igual a um. O átomo de carbono tem quatro ligações de valência associadas com ele, ao passo que cada átomo de hidrogênio tem uma. Outro
hidrocarboneto da mesma série do metano é o propano, C3H8,
que pode ser representado graficamente como em (b), na ilustração
acima. Mas são
possíveis dois arranjos atômicos para o butano, C4 H10:
butano normal e isobutano, (c) e (d) na ilustração acima.
O butano tem uma cadeia direta e o isobutano tem uma cadeia
ramificada. Os compostos exemplificados acima são chamados de hidrocarbonetos saturados, porque os átomos de carbono unem-se por apenas uma ligação de valência. Compostos saturados não podem aceitar hidrogênio adicional. Nos compostos não saturados, um par de átomos de carbono pode ser unido por duas ou três ligações: CH2:CH.CH3 (propeno) e CH...CH [considere os 'três pontos' na vertical](acetileno). A química
orgânica utiliza estes conceitos estruturais para sintetizar os
incontáveis produtos novos que tornaram nossa vida tão agradável. Eles
nos deram os antibióticos, os anestésicos e muitas outras drogas
maravilhosas; milhares de corantes sintéticos; incontáveis plásticos
feitos pelo homem; novos e melhores combustíveis; as "fibras
miraculosas", como o nylon, orlon e dacron;
borracha sintética; melhores fertilizantes e inseticidas para o
agricultor; novos detergentes; e uma quantidade de produtos
indispensáveis que encontram aplicação em todas as fases da atividade
humana. Átomos
de 'eletricidade' Uma das contribuições importantes de Faraday foi a descoberta de que a 'eletricidade' parece existir em múltiplos de pequenas quantidades definidas. A quantidade de 'eletricidade' nesses elétrons ou, quantidade de carga elétrica, para usar o termo moderno, é sempre fixa --- nunca mais nem menos que uma quantidade especificada. Faraday fez tal dedução em decorrência de experiências cuidadosas nas quais uma corrente elétrica foi passada através de vários corpos químicos dissolvidos em água --- a eletrólise das soluções aquosas. Faraday começou com um aparelho semelhante ao abaixo ilustrado, e descobriu que algumas soluções permitem o percurso de corrente elétrica através delas, enquanto que outras não o fazem.
As
substâncias cujas soluções conduzem a 'eletricidade' são chamadas de
"eletrolíticas", e as que não o fazem são chamadas de
"não eletrolíticas".
Faraday deu
então um passo à frente. Passou precisamente a mesma intensidade de
corrente através de várias soluções diferentes e descobriu uma
relação entre o número de átomos liberados pela corrente e a valência
daqueles átomos. Sabemos agora que esses números estão relacionados com a valência do hidrogênio (1), cobre (2), e ferro (3), nos compostos originais HCl, CuSO4, e FeCI3. Estes resultados sugerem que cada espécie de átomo é capaz de conduzir apenas uma quantidade definida de 'eletricidade', igual a um múltiplo da carga existente em um elétron. A menor unidade de 'eletricidade' está associada com o átomo de hidrogênio. O átomo de cobre pode conduzir exatamente duas vezes aquela quantidade, e o átomo de ferro pode conduzir três vezes a mesma quantidade. A lei de
Faraday aponta claramente para a existência de uma quantidade mínima
de 'eletricidade' --- de um átomo elementar de carga. Ela também sugere
que as ligações de valência que mantêm juntos os átomos são de
natureza elétrica. Muitas teorias elétricas foram aventadas nos anos subseqüentes para explicar essas observações. Faraday concebeu compostos divididos em "fragmentos" pela corrente elétrica. Chamou-os de íons (que quer dizer "errantes" em grego), porque eles "passeiam" com uma carga elétrica para um elétrodo ou para o outro, na solução. Outros elaboraram teorias diferentes, mas nenhuma conseguiu aceitação universal. A explicação moderna foi aventada em 1887 por um jovem estudante sueco de Química chamado Svante Arrhenius (1859-1927). Longe de ser imediatamente aceita, a teoria iônica de Arrhenius provocou uma violenta controvérsia, que dividiu o mundo da Química. Mais tarde, Arrhenius recebeu o "Prêmio Nobel de Química de 1903" pelas suas pesquisas. Esta é a maior honra que um químico pode conquistar. Íons
versus Átomos Sua nova e impressionante idéia era simplesmente esta. Quando um sal sólido, como o sal de mesa comum (cloreto de sódio) é dissolvido em água, ocorre uma mudança fundamental. A mudança --- embora invisível --- altera enormemente as propriedades da substância. Tanto a água como o cloreto de sódio são não-condutores de 'eletricidade', mas uma solução de cloreto de sódio em água é boa condutora de 'eletricidade'. Arrhenius disse que as moléculas de cloreto de sódio separam-se ou "dissociam-se" em partículas que Faraday chamou de "íons". Ele declarou ainda, que esses íons não eram causados pela corrente elétrica, mas estavam presentes na solução antes mesmo de ser passada a corrente. Somente esses íons tomam parte nas reações químicas. Esta opinião pouco ortodoxa quase custou a Arrhenius seu grau de doutor. Exceto uns poucos amigos íntimos, todo o mundo científico rejeitou suas idéias revolucionárias. Ele argumentou que os dois íons da molécula de cloreto de sódio eram completamente separados --- livres para flutuarem independentemente em todas as direções, dentro da solução. Nenhuma molécula de NaCl estava presente; somente íons de sódio e de cloro existiam na solução. Se as moléculas se dissociam, perguntaram os céticos, por que a solução permanece clara e branca? Onde estaria a cor amarelo-esverdeada do venenoso átomo de cloro? Arrhenius replicou que o íon de cloro é diferente do átomo de cloro, porque o primeiro contém uma carga elétrica. O átomo não tem carga elétrica, e é eletricamente neutro. A dissociação tinha dividido a molécula de NaCl em íons, em vez de átomos. Hoje em dia, designamos o íon de cloro da seguinte maneira: Cl-, com um sinal menos sobrescrito para mostrar que contém uma unidade de carga negativa. Similarmente, o íon de sódio é escrito como Na+, porque contém uma carga positiva. O número de unidades de carga elétrica em um determinado íon é igual à sua valência no composto de que procede. Radicais
químicos Íons negativos freqüentemente consistem de um não-metal, seja isolado, como para o Cl- (cloro), O-- (oxigênio), ou S--- (enxofre), ou em combinação com outros elementos, NO3-(nitrato), SO4-- (sulfato), CO3-- (carbonato), ClO3- (clorato) ou OH- (hidróxido). Embora poucos íons positivos consistam de mais de um elemento, o íon de amônio, NH4+, é muito comum. Grupos de elementos como estes, que podem ser transferidos de um composto para outro como uma unidade, são usualmente chamados de radicais. Através da teoria
iônica, os campos da Eletricidade e da Química tornaram-se
estreitamente relacionados. As forças que mantêm os átomos juntos
pareciam, mais do que nunca, ser de natureza elétrica. Quando um
eletrólito é dissolvido em água, ele se dissocia em íons de carga
elétrica igual mas oposta. Essas partículas conduzem 'eletricidade'
através da solução durante a eletrólise. A eletrólise é hoje usada extensivamente para incrustar metais caros em objetos feitos de metais mais baratos. É também usada para incrustar metais resistentes à corrosão como o cromo, cádmio e o níquel, em objetos feitos de metais resistentes como o aço, que de outra maneira se enferrujariam excessivamente. A eletrólise é também responsável pela grande indústria de alumínio. Desde 1825, Wöhler tinha isolado alguns pedaços de alumínio no laboratório, mas o processo era demasiado dispendioso para aplicação comercial. O minério comum de alumínio, a bauxita, tem a fórmula Al2O3, que é semelhante ao óxido de ferro Fe2O3, ou hematita. Há séculos que os químicos sabiam que o carbono é capaz de remover o oxigênio da hematita, para produzir ferro metálico. Entretanto, o carbono não pode separar o alumínio do seu companheiro químico, o oxigênio. O alumínio tem atração muito mais forte pelo oxigênio que o carbono. Falando de outra maneira, o alumínio é um agente redutor mais poderoso que o carbono. Se o óxido de
alumínio fosse solúvel na água, teria sido possível separar o metal
passando a corrente pela solução. Infelizmente, a bauxita não se
dissolve na água. Mas mesmo esta dificuldade pode ser vencida se o
composto puder ser fundido a uma temperatura razoavelmente baixa. Como as
soluções aquosas, os compostos fundidos também podem conduzir
'eletricidade'. Lamentavelmente, a bauxita funde-se a uma temperatura
muito elevada --- demasiado elevada para ser comercialmente praticável. Na tabela periódica existem muitos metais cuja extração do minério é ainda custosa e ineficiente. Talvez um lampejo de gênio na mente de algum jovem químico possa logo liberar um ou mais deles para o serviço do homem. As rochas comuns que nos cercam contêm riquezas que podem ser reveladas por um cientista que tenha a idéia certa. Linhas
estranhas no espectro da luz
O observador vê tantas linhas quantas são as cores (ou comprimentos de onda) existentes na fonte de luz. A luz branca comum dá uma quantidade infinita de linhas, que se juntam ou sobrepõem para formar um espectro contínuo. Mas quando Fraunhofer observou a luz solar através de seu espectroscópio, descobriu muitas linhas escuras no espectro, como se certas cores estivessem faltando. Essas linhas mantinham sempre a mesma posição no espectro --- cada uma correspondendo a um determinado comprimento de onda que, de alguma maneira, tinha desaparecido da luz solar. ele constatou as mesmas linhas escuras em todas as formas de luz solar, direta ou refletida pelas nuvens, pela Lua ou pelos planetas. Entretanto, estranhamente, os espectros das estrelas tinham distribuições diferentes de linhas. Em 1859, Gustav
Kirchoff (1824 -1887), trabalhando com Robert
Bunsen (1811 -1899), mostrou que há uma conexão entre essas
linhas e certas espécies de matéria. Kirchoff vaporizou vários
elementos em uma chama não-luminosa, e descobriu que cada elemento produz
uma série característica de linhas brilhantes, quando vista através de
um espectroscópio. Enquanto um sólido incandescente produz um espectro
contínuo de todas as cores, um elemento vaporizado produz apenas uma
série de linhas brilhantes discretas. A localização de tais linhas
brilhantes no espectro - seu padrão de cor - é diferente para cada
elemento. Estava ali, então, um modo novo e maravilhoso de detectar a
presença de um elemento pelas linhas brilhantes reveladoras que ele
emite. Como essas linhas são emitidas por substâncias vaporizadas, são
chamadas "espectros de linha brilhante" ou "de
emissão". Os
elementos insociáveis Em 1892, Lorde Rayleigh (1842 -1919) observou que o nitrogênio do ar é mais denso que o nitrogênio dos compostos químicos. Talvez o gás atmosférico que resta quando são extraídos do ar o oxigênio e o dióxido de carbono não seja nitrogênio puro. Talvez esse gás seja uma mistura de nitrogênio com um ou mais gases até então não descobertos. Lorde Rayleigh e Ramzay planejaram uma série de investigações para isolar o gás desconhecido. Fizeram passar o nitrogênio do ar sobre magnésio quente, que se combina com o nitrogênio para formar nitrito de magnésio, Mg2N2. Quando todo o nitrogênio já se esgotara, ainda restava uma pequena quantidade de gás. Esse gás, que não combinava com qualquer elemento conhecido, foi chamado de argônio, da palavra grega argos: inerte ou inativo. O argônio era cerca de dez vezes mais pesado que o hélio. Depois da descoberta do hélio e do argônio, Ramsay concluiu que devia existir uma família inteiramente nova de elementos. Predisse, e mais tarde descobriu (juntamente com Travers), três novos gases: neônio, criptônio e xenônio. Todos os três foram obtidos do ar líquido em quantidades extremamente pequenas. Em 1909, Ramsay e Gray descobriram um sexto gás da família, o rádon radioativo, que é emitido pelo rádio. Como os outros gases inertes, o rádon (radônio) revelou-se quimicamente inativo. Os seis gases chamados nobres - jamais sonhados, mesmo por Mendeléev - constituíam um novo e estranho grupo de elementos. Mais tarde, foi chamado de grupo zero da tabela periódica. Esses elementos insociáveis recusavam-se a unir com os metais sódio e potássio, que são extremamente ativos. Mesmo o flúor, o mais violento dos não-metais, não podia induzi-los a formar compostos. Além de serem ermitões químicos, esses elementos do grupo zero são incolores e inodoros. Não admira que sua presença tivesse escapado a qualquer observação durante tanto tempo. A despeito de sua inércia aparente, os elementos do grupo zero estão desempenhando trabalho importante. Vários deles são usados nos sinais elétricos; o hélio provê um substituto seguro e efetivo para o hidrogênio utilizado nos balões; e o argônio é usado nos bulbos das lâmpadas elétricas, para aumentar sua duração. Desde a
publicação da Tabela Periódica dos Elementos de Mendeléev,
vinte e três novos elementos foram descobertos, elevando o total para
oitenta e seis. A teoria atômica de Dalton foi comprovada no laboratório
e levou a um conhecimento novo e profundo da própria substância do
mundo. Materiais novos e maravilhosos surgiram dos tubos de ensaio,
modificando completamente o modo de vida antigo. A Química assumiu seu
lugar de direito, ao lado da Física, da Astronomia e das matemáticas,
como uma atividade dinâmica e frutífera do espírito científico. Mas
ainda havia muitas perguntas não respondidas. O átomo supostamente
imutável apresentava provas inconfundíveis de modificação,
transformando-se a si mesmo de átomo para íon. Como podiam as
propriedades do cloro modificar-se tão drasticamente entre os dois
estados? Como a 'eletricidade' desempenha seu papel nesse mistério? Por
que a 'eletricidade' se propaga em íons e não em átomos? Nota: Era 1962, Meil Bartlett, da Universidade da Colúmbia Britânica, produziu um composto de xenônio, platina e flúor. A química dos gases nobres inclui agora muitos compostos, e promete ainda lançar nova luz sobre a natureza da ligação química. *** Segue Gelo,
água e vapor postos a trabalhar ***
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