Elementos Químicos

Um elemento é uma substância química que não pode ser quebrada em quaisquer substâncias mais simples através de reações químicas.

Ele consiste em apenas um tipo de átomo, embora os átomos de um elemento pode, ou não pode, se juntam para formar moléculas (que depende do elemento particular e portanto a estrutura dos seus átomos).

Todos os elementos químicos estão incluídos na Tabela Periódica.

Os elementos químicos são as substâncias mais simples em que a matéria comum podem ser divididas. Todos os outros materiais têm estruturas mais complexas e são formados pela combinação de dois ou mais destes elementos.

Definição

Um elemento químico é atualmente definido como "um tipo de matéria composta de átomos que têm exatamente a mesma carga positiva dos seus núcleos", isto é, o mesmo número atômico.

Esta definição funciona e é perfeitamente justificada, mas é uma definição física.

Química é de cerca de reatividade, obrigações, estruturas e propriedades, os quais dependem dos elétrons aqueles que rodeiam o núcleo e em configurações eletrônicas específicas.

Eventos químicos acontecem com elétrons.

A mecânica quântica acaba de acrescentar à complexidade da química mas não muda nada.

Enquanto é certo que qualquer número atômico impõe uma e apenas uma configuração de electrões, as definições físicas e químicas são equivalentes.

Na mesma linha de pensamento, parece que a tabela periódica dos elementos é definitiva, e os elementos sintéticos de curta duração não pode introduzir novos dados químicos. No entanto, mesmo um único excepção à equivalência das definições poderia abrir novas perspectivas para a química. Até recentemente, este parecia ser simplesmente impossível.

O que é um Elemento Químico?

Elemento Químico pode ser definido como um conjunto formado por átomos de mesmo número atômico (Z).

Eles são representados por símbolos adotados de acordo com critérios internacionais, sendo que esses símbolos são reconhecidos em qualquer língua ou alfabeto, ou seja, o símbolo é o mesmo em qualquer país, por exemplo, a Prata é reconhecida internacionalmente pela sigla “Ag”.

Todos os elementos possuem massa atômica, número atômico, ponto de fusão e ebulição.

Atualmente são conhecidos 114 elementos, sendo que apenas 88 deles são encontrados na natureza (elementos naturais) e o restante são sintéticos (elementos químicos cujos átomos são produzidos artificialmente).

Química

Elementos Químicos

É a ciência que lida com as propriedades, composição e estrutura das substâncias (definidas como elementos e compostos), as transformações que com elas ocorrem e a energia que é liberada ou absorvida durante esses processos. Toda substância, quer seja natural ou produzida artificialmente, é constituída de uma ou mais das mais de cem espécies de átomos que foram identificados como elementos. Estes átomos, por sua vez, são constituídos por partículas mais elementares, que são as estruturas básicas das substâncias químicas; não existe nenhuma quantidade de ouro, oxigênio, mercúrio ou prata, por exemplo, menor que um átomo desta substância. A química, no entanto, não está preocupada com o domínio subatômico, mas com as propriedades dos átomos e as leis que governam suas combinações e como o conhecimento destas combinações podem ser usados para propósitos específicos.

O grande desafio na química é o desenvolvimento de uma explicação coerente do complexo comportamento dos materiais, por que eles são como aparecem, o que os dá suas propriedades intrínsecas, e como interações entre substâncias diferentes podem formar novas substâncias, e a destruição das originais. Nas primeiras tentativas para entender o mundo material em termos racionais, os químicos desenvolveram teorias da matéria que explicam satisfatoriamente tanto o estado permanente quanto as mudanças. A maneira ordenada como átomos "indestrutíveis" formam moléculas pequenas e grandes, ou combinações longas de átomos intercalados, é geralmente aceita como a base do estado de permanência, enquanto que a reorganização dos átomos ou moléculas em arranjos diferentes são referidas em teorias de estados de mudança. Assim, química envolve o estudo da composição atômica e do geometria estrutural das substâncias, bem como as variadas interações entre substâncias que podem promover reações repentinas e violentas. 

A química também preocupa-se com a utilização de substâncias naturais e com a criação de novas, artificiais. Cozimento, fermentação, manufatura de vidro e metalurgia são processos químicos que datam dos primórdios da civilização. Hoje, vinil, teflon, cristais líquidos, semicondutores e supercondutores representam os frutos da tecnologia química. O século XX presenciou avanços dramáticos na compreensão da maravilhosa e complexa química dos organismos vivos, e a interpretação molecular da saúde e da doença despertam grandes expectativas. A química moderna, sustentada por instrumentos cada vez mais sofisticados, estuda materiais menores que um simples átomo e maiores e mais complexos que o DNA (Ácido Desoxirribonucléico), que contém milhões de átomos. Novas substâncias podem ser projetadas para apresentar características desejadas e então sintetizadas.

A velocidade com que o conhecimento químico continua crescendo é espantosa! Até agora, mais de 8.000.000 de substâncias químicas diferentes, naturais ou artificiais, foram caracterizadas e produzidas. Este número era menor que 500.000 antes de 1965.

Intimamente relacionados com os desafios intelectuais da química são aqueles relativos à indústria. Em meados do século XIX o químico alemão Justus von Liebig comentou que o desenvolvimento de uma nação poderia ser medido pela quantidade de ácido sulfúrico produzido. Esse ácido, essencial para muitos processos de manufatura, continua ainda hoje sendo o principal produto químico produzido nos países industrializados. Como Liebig reconheceu, um país que produza grandes montantes de ácido sulfúrico possui uma indústria química forte e, por conseqüência, uma forte economia. A produção, distribuição e utilização de uma larga escala de produtos químicos é comum em todos os países altamente desenvolvidos. De fato, pode-se dizer que a "idade do ferro" da civilização está sendo substituída pela "idade do polímero", pois em alguns países o volume total de polímeros produzidos excede o de ferro.

O Escopo da Química

Há muito tempo já não é possível para uma única pessoa possuir todo o conhecimento da química. Por isso as pessoas dividem seus interesses em áreas específicas da química para poderem se comunicar de acordo com eles. Com o passar do tempo um grupo de químicos com interesses de pesquisas específicos tornaram-se os fundadores de uma área de especialização. Essas áreas de especialização emergiram nos primórdios da história da química, como por exemplo química orgânica, inorgânica, físico-química, química analítica e industrial, além da bioquímica. Houve, entretanto, um crescimento muito pronunciado nas áreas de polímeros, química ambiental e medicinal durante o século XX. Além disso, muitas especialidades novas continuam a surgir, como por exemplo pesticidas, química forense e computacional.

Química Analítica

A maior parte dos materiais que ocorrem naturalmente na Terra, como madeira, minerais ou o próprio ar são misturas de muitos compostos diferentes e substâncias químicas distintas. Cada substância pura (como oxigênio, ferro ou água) possui uma gama de propriedades características que lhes dá sua identidade química. Ferro, por exemplo, é um metal comumente prateado brilhante que funde a 1.535ºC , é muito maleável e combina facilmente com oxigênio para formar substâncias como hematita e magnetita. A detecção de ferro em uma mistura metálica, ou em um composto como a magnetita, é relativa a uma área da química analítica denominada análise qualitativa. A medição do teor real de uma determinada substância em uma mistura é chamada de análise quantitativa. A medição analítica quantitativa determina, por exemplo, que o ferro constitui 72,3%, em massa, da magnetita, e o mineral é normalmente visto como uma areia escura ao longo das praias e bancos de areia.

Através dos anos, os químicos descobriram reações que indicam a presença de muitas substâncias elementares de elementos químicos específicos, mesmo em quantidades muito pequenas. A coloração amarela proporcionada a uma chama em contato com sódio é visível se a amostra que está sendo incinerada possuir uma quantidade menor que uma parte por bilhão (ppb) de sódio. Estes testes analíticos permitiram aos químicos identificar os tipos e quantidades de impurezas em muitas substâncias e a determinar propriedades de materiais muito puros. As substâncias utilizadas em experimentos comuns de laboratório normalmente possuem níveis de impurezas menores que 0,1%. Para aplicações especiais, algumas podem possuir níveis menores que 0,001%. A identificação de substâncias puras e análises de misturas químicas permitem que todas as outras disciplinas químicas se desenvolvam.

A química analítica nunca teve tanta importância quanto nos dias de hoje. A demanda por uma grande variedade de alimentos saudáveis, energia abundante, bens de consumo e técnicas de laboratório tomam um papel de destaque no desenvolvimento das sociedades modernas. Nunca antes o tratamento dos resíduos químicos foi levado tão a sério quanto hoje. A destruição do meio ambiente ocorre desde o surgimento da civilização, e os problemas com a poluição cresceram proporcionalmente a população mundial. As técnicas da química analítica estão concentradas também em manter seguro o meio ambiente. As substâncias indesejáveis nas águas, ar, solo e alimentos devem ser detectadas, seu foco de origem identificado e técnicas economicamente viáveis para sua remoção e neutralização devem ser desenvolvidas. Uma vez que os poluentes atingiram alta toxicidade, tornou-se urgente sua detecção em níveis muito abaixo dos nocivos.

Químicos analíticos trabalham para desenvolver técnicas e instrumentos cada vez mais acurados e sensíveis.

Instrumentos de análise sofisticados, posteriormente acoplados a computadores, promoveram a precisão necessária para os químicos identificarem substâncias e atingirem baixíssimos níveis de detecção. Uma técnica analítica largamente utilizada é a cromatografia gasosa (CG), que separa diferentes componentes de uma mistura gasosa passando-a através de uma coluna longa e estreita preenchida por um material que interaja de maneira adequada com esses componentes. Essa diferente interação faz com que os gases passem através da coluna com diferentes velocidades. Enquanto os gases separados fluem pela coluna, pode-se passá-los apor outro instrumento analítico denominado espetctrômetro de massa (MS), que separa as substâncias de acordo com a massa de seus íons constituintes. A combinação CG-MS pode rapidamente identificar individualmente os componentes de uma mistura química em concentrações que podem ser menores que uma parte por bilhão. Sensibilidades iguais ou maiores podem ser obtidas quando técnicas adequadas forem utilizadas, como absorção atômica, polarografia, ativação de nêutrons, espectrometria de plasma, etc. A velocidade das inovações instrumentais é tal que os instrumentos analíticos tornam-se obsoletos 10 anos após seu desenvolvimento. Os instrumentos modernos são mais acurados e rápidos, e são também empregados nas químicas ambiental e medicinal.

Química Inorgânica

A química moderna, que data, aproximadamente, da aceitação da lei de conservação de massa, no final do século XVIII, focou inicialmente aquelas substâncias que não estavam associadas a seres vivos. O estudo destas substâncias, que normalmente possuem muito pouco ou nenhum carbono, constitui a disciplina denominada química inorgânica. Os estudos iniciais tentavam identificar as substâncias mais simples - chamadas de elementos - que são os constituintes de todas as substâncias mais complexas. Alguns desses elementos, como ouro e carbono, são conhecidos desde a antigüidade, e muitos outros foram descobertos e estudados durante o século XIX e início do século XX. Hoje, mais de 100 são conhecidos. O estudo de compostos inorgânicos simples, como o cloreto de sódio (sal de cozinha comum) levou ao desenvolvimento de alguns conceitos fundamentais da química moderna, como por exemplo a lei das proporções em massa. Essa lei estabelece que por mais pura que seja uma substância química, seus elementos constituintes estão sempre presentes em proporções fixas em massa (por exemplo, para cada 100g de cloreto de sódio existem exatamente 39,3 gramas de sódio e 60,7 gramas de cloreto). A forma cristalina do sal consiste em átomos de sódio e cloreto intercalados, havendo um átomo de sódio para cada átomo de cloreto. Como é formado por apenas dois elementos, cloro e sódio, é chamado de substância binária.

Compostos binários são muito comuns na química inorgânica, e não possuem grande variedade estrutural. Por este motivo, o número de compostos inorgânicos é limitado apesar do grande número de elementos que podem reagir entre si. Se três ou mais elementos são combinados em uma substância, as possibilidades estruturais tornam-se maiores.

Após um período de aquiescência no início do século XX, a química inorgânica tornou-se novamente uma excitante área de pesquisas. Compostos de boro e hidrogênio, conhecidos como boranos, possuem propriedades estruturais únicas que forçaram a uma mudança no entendimento da arquitetura de moléculas inorgânicas. Algumas dessas substâncias possuem propriedades estruturais que antes acreditava-se que ocorriam apenas em compostos de carbono, e alguns polímeros inorgânicos foram produzidos.

Cerâmicas são materiais compostos de elementos inorgânicos combinados com oxigênio. Por séculos os objetos cerâmicos foram produzidos aquecendo-se fortemente uma pasta de minerais em pó. Apesar de materiais cerâmicos serem duros e estáveis a temperatura muito elevadas, eles são normalmente quebradiços. Atualmente, as cerâmicas são fortes o suficiente para serem utilizadas como peças das turbinas de aviões. Existe a esperança de que as cerâmicas irão um dia substituir o aço em componentes de motores de combustão interna. Em 1987, uma cerâmica especial contendo ítrio, bário, cobre e oxigênio, cuja fórmula aproximada é YBa2Cu3O7 foi descoberta como um supercondutor a temperaturas aproximadas de 100K. Um supercondutor não oferece resistência à passagem de uma corrente elétrica, e esse novo tipo de cerâmica pode ser bem utilizada em aplicações elétricas e magnéticas. A produção de um supercondutor cerâmico é tão simples que pode ser preparado em um laboratório ginasial. Esta descoberta reafirma a imprevisibilidade da química, como descobertas fundamentais podem continuar ocorrendo com equipamentos simples e materiais baratos.

Muitas das mais interessantes descobertas na química inorgânica têm ligação com outras disciplinas. A química dos organometálicos investiga compostos que contém elementos inorgânicos combinados com unidades ricas em carbono. Muitos compostos organometálicos têm grande importância industrial como catalisadores, que são substâncias capazes de acelerar a velocidade de uma reação mesmo quando presentes em quantidades muito pequenas. Algum sucesso foi obtido no uso desses catalisadores na conversão de gás natural em substâncias mais interessantes quimicamente. Os químicos também criaram grandes moléculas inorgânicas que contém uma pequena quantidade de átomos metálicos, como platina, cercados por diferentes estruturas químicas. Algumas destas estruturas, denominadas clusters metálicos, possuem características metálicas, enquanto outras reagem similarmente a sistemas biológicos.

Traços de metais são essenciais nos processos biológicos como a respiração, funções nervosas, e metabolismo celular. Processos desta natureza são objeto de estudo da química bioinorgânica. Tempos atrás, acreditava-se que as moléculas orgânicas representassem a forma de distinguir as propriedades químicas de criaturas vivas. Hoje sabe-se que a química inorgânica também tem papel vital nessa área.

Química Orgânica

Compostos orgânicos são baseados na química do carbono. O carbono é único na variedade e tamanho das estruturas que podem surgir das conexões tridimensionais de seus átomos. O processo de fotossíntese converte dióxido de carbono e água em compostos como oxigênio e carboidratos. Tanto a celulose, substância que dá estrutura rígida às plantas, e o amido, o produto de armazenamento de energia nas plantas, são carboidratos poliméricos. Carboidratos simples produzidos por fotossíntese constituem a matéria-prima para os compostos orgânicos mais complexos encontrados nos reinos animal e vegetal. Quando combinados com quantidades variáveis de oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, enxofre, fósforo e outros elementos, as possibilidades estruturais dos compostos de carbono tornam-se ilimitadas, e seu número excede em muito o total de todos os compostos não orgânicos.

O principal foco da química orgânica é o isolamento, purificação e o estudo estrutural dessas substâncias naturais. Muitos produtos naturais são simples moléculas, como por exemplo o ácido fórmico (HCO2H) das formigas e o álcool etílico (C2H5OH) formado pela fermentação das frutas. Outros produtos naturais, como a penicilina, vitamina B12, proteínas e ácidos nucléicos são extremamente complexos. O isolamento de substâncias puras de seus organismos naturais torna-se difícil devido à baixa concentração que pode estar presente. Uma vez isolados na forma pura, entretanto, técnicas instrumentais modernas podem revelar detalhes estruturais de quantidades pesando menos que um milionésimo de grama.

A correlação entre as propriedades químicas e físicas dos compostos com suas características estruturais é de domínio da físico-química orgânica. Conhecidas as características estruturais dos compostos, estes podem ser divididos de acordo com classes semelhantes denominadas grupos funcionais. Uma vez conhecido o grupo funcional de uma substância, outras podem ser produzidas para apresentar os mesmos efeitos desejáveis. O preparo, sob condições controladas de laboratório, de compostos específicos é denominado síntese química. Alguns produtos são mais fáceis de sintetizar que coletá-los e purificá-los de suas fontes naturais. Toneladas de vitamina C, por exemplo, são sintetizadas anualmente. Muitas substâncias sintéticas apresentam novas propriedades e têm usos especiais.

Plásticos são um exemplo, como muitos fármacos e produtos químicos para agricultura.

Um desafio constante para a síntese química é a complexidade estrutural da maioria dos compostos orgânicos. Para sintetizar uma substância desejada, os átomos devem ser colocados juntos na ordem correta e com as propriedades tridimensionais próprias. Do mesmo modo que uma pilha de tijolos e concreto podem ser arranjados de maneiras diferentes para construir prédios diferentes, também um número determinado de átomos podem ser colocados juntos de várias maneiras para produzir diferentes moléculas. Apenas um arranjo estrutural dentre as muitas possibilidades será idêntica à molécula no meio natural. O antibiótico eritromicina, por exemplo, contém 37 átomos de carbono, 67 de hidrogênio e 13 de oxigênio ao redor de um único átomo de nitrogênio. Mesmo quando colocados juntos na ordem correta, esses 118 átomos podem dar origem a 262.144 estruturas diferentes, onde apenas uma possui as características da eritromicina natural.

A grande abundância de compostos orgânicos, seu papel fundamental na química da vida e sua diversidade estrutural tornou seu estudo especialmente desafiador e excitante. A química orgânica é a maior área de especialização entre os vários campos da química.

Bioquímica

O entendimento da química de corpos inanimados durante o século XIX desviou esforços para interpretar os processos biológicos dos organismos vivos em termos de estrutura molecular e reatividade e permitiu o surgimento da bioquímica. Bioquímicos empregam técnicas e teorias da química para explicar a base molecular da vida. Um organismo é investigado segundo a premissa de que seus processos biológicos são conseqüência de milhares de reações químicas ocorrendo de maneira altamente integrada. Os bioquímicos estabeleceram que a transferência de energia entre as células rege, entre outras coisas, a estrutura química das membranas celulares, o código e a transferência da informação hereditária, as funções musculares e nervosas e os caminhos biosintéticos. De fato, as biomoléculas apresentam funções similares em organismos diferentes como bactérias e os seres humanos. O estudo das biomoléculas, entretanto, apresenta muitas dificuldades. Estas moléculas são muito grandes e exibem uma grande complexidade estrutural; além disso, as reações químicas que elas produzem são normalmente excessivamente rápidas. A separação das duas fitas de DNA, por exemplo, ocorre em um milionésimo de segundo. Velocidades de reação tão altas são possíveis somente durante a ação de biomoléculas chamadas enzimas. Enzimas são proteínas conhecidas pela sua grande capacidade catalisadora e por sua estrutura química tridimensional.

Não surpreendentemente, as descobertas bioquímicas tiveram grande impacto no tratamento de doenças. Muitos erros metabólicos foram detectados como especificamente genéticos. Outras doenças são provocadas por disfunções nos caminhos bioquímicos.

Freqüentemente, os sintomas de uma doença podem ser aliviados utilizando-se drogas e a descoberta dos meios de ação e degradação dos agentes terapêuticos é outra grande área de estudos da bioquímica. Infecções bacterianas podem ser tratadas com sulfonamidas, penicilina e tetraciclinas, e a pesquisa das infecções virais revelaram a ineficiência de aciclovirais contra o vírus da herpes. Existe muito interesse nos detalhes da carcinogênese e tratamento quimioterápico do câncer. É sabido que, por exemplo, o câncer pode ser originado quando moléculas cancerígenas reagem com ácidos nucléicos e proteínas, interferindo em sua função normal. Os cientistas desenvolveram métodos que podem identificar moléculas tidas como carcinogênicas. A esperança, é claro, é que o progresso na prevenção e tratamento do câncer irá crescer quando a base bioquímica da doença for totalmente entendida.

A base molecular dos processos biológicos constitui ferramenta essencial para o desenvolvimento das disciplinas da biologia molecular e biotecnologia. A química desenvolveu métodos para determinar de forma rápida e precisa a estrutura das proteínas e do DNA. Além disso, métodos de laboratório eficientes para a síntese de genes estão sendo estudados. Talvez, a correção das doenças genéticas por substituição dos genes defeituosos por outros normais venha a ser possível.

Físico-Química

Muitas disciplinas da química focam determinadas classes de materiais que compartilham propriedades químicas e físicas comuns. Outras especialidades podem focalizar não em uma classe de substâncias, mas sim em suas interações e transformações. O mais antigo destes campos é o da físico-química, que procura medir, correlacionar e explicar os aspectos quantitativos dos processos químicos. O descobrimento e a investigação de regularidades na química, também chamadas de leis da natureza, constituem a realidade da físico-química.

O químico anglo-saxão Robert Boyle, por exemplo, descobriu no século XVII que, à temperatura ambiente, o volume de uma determinada quantidade de gás diminui proporcionalmente ao aumento de pressão no sistema. Assim, para um gás em temperatura constante, o produto de seu volume (V) e pressão (P) é igual a uma constante - ou seja, PV = constante. Esta relação aritmética tão simples é válida para quase todos os gases na temperatura ambiente e a pressões iguais ou menores que a atmosférica. Estudos subseqüentes mostraram que esta relação perde sua validade a pressões mais altas, mas expressões mais complicadas porém com uma melhor correlação experimental podem ser desenvolvidas.

Por muito tempo durante o século XVIII, acreditou-se que a fonte da regularidade matemática em sistemas químicos fosse resultado de forças contínuas e campos que cercam os átomos, criando elementos químicos e compostos. Pesquisas no século XX, entretanto, mostraram que o comportamento químico é melhor interpretado pelo modelo da mecânica quântica que das estruturas atômica e molecular. A área da físico-química que está largamente empenhada nesse sentido é a química teórica. Químicos teóricos fazem uso extensivo de computadores para ajudá-los a resolver complexas equações matemáticas. Outras áreas de interesse da físico-química incluem a termodinâmica, que lida com o relacionamento entre calor e outras formas de energia, e a cinética química, que procura medir e entender as velocidades das reações químicas.

A eletroquímica investiga a relação entre corrente elétrica e as mudanças químicas. A passagem de uma corrente elétrica através de uma solução química provoca mudanças nos constituintes das substâncias que podem ser, inclusive, reversíveis - isto é, sob diferentes condições as substâncias alteradas vão promover uma corrente elétrica. Baterias comuns contém substâncias químicas que, quando colocadas em contato através de um circuito elétrico fechado, liberarão corrente elétrica a uma voltagem constante até que essas substâncias sejam consumidas. Atualmente existe muito interesse em instrumentos que possam utilizar energia solar para promover reações químicas cujos produtos sejam capazes de estocar energia. A descoberta destes instrumentos poderiam tornar possível a utilização em massa da energia solar.

Existem muitas disciplinas dentro da própria físico-química que estão mais preocupadas com as propriedades gerais das substâncias e suas interações entre elas que com as substâncias propriamente ditas. A fotoquímica é uma especialização que investiga as interações da luz com a matéria. Reações químicas iniciadas pela absorção da luz podem ser muito diferente daquelas que ocorrem de outras maneiras. A vitamina D, por exemplo, é formada no corpo humano quando o esteróide ergosterol absorve radiação solar; ergosterol não se transforma em vitamina D no escuro.

Uma divisão da físico-química que está crescendo rapidamente é a química de superfície. Ela examina as propriedades químicas das superfícies, recorrendo freqüentemente a instrumentos que possam fornecer todas as características dessas superfícies. Sempre que um sólido é exposto a um líquido ou um gás, a reação ocorre inicialmente em sua superfície, e como resultado suas propriedades podem mudar dramaticamente. Alumínio é um caso típico; ele é resistente a corrosão justamente porque a superfície do metal puro reage com oxigênio para formar um filme de óxido de alumínio, que serve como barreira protetora ao interior do metal de uma futura oxidação. Muitos catalisadores executam sua função fornecendo uma superfície reativa onde as substâncias possam efetivamente reagir.

A Metodologia da Química

A química é uma ciência cumulativa. Durante os séculos, o número de observações e fenômenos estudados cresceu largamente. Entretanto, nem todas as hipóteses e descobertas são imutáveis. Algumas delas são descartadas quando novas observações ou explicações mais satisfatórias surgem. Durante esse tempo, a química teve um grande espectro de modelos explicativos para fenômenos químicos que foram questionados e melhorados. Eles agora têm o título de teorias, pedaços interconectados de ferramentas explicativas que se correlacionam bem com os fenômenos observados. Quando novas descobertas são feitas, elas são incorporadas a teorias existentes sempre que possível. Entretanto, como ilustra a descoberta de supercondutores a altas temperaturas, em 1986, as teorias aceitas nunca são suficientes para predizer o curso de futuras descobertas. A descoberta de mudanças vão continuar possuindo papel de destaque no futuro da sofisticação teórica.

Química e Sociedade

Pelos primeiros dois terços do século XX, a química foi vista por muitos como a ciência do futuro. O potencial dos produtos químicos para o enriquecimento das sociedades pareceu ser ilimitado. Maior ainda, entretanto, e especialmente na mente do público em geral, os aspectos negativos da química vieram à tona. O despejo de lixo químico em locais de capacidade limitada resultaram em problemas ambientais e de saúde pública de enormes proporções. O uso legítimo de drogas para tratamentos médicos supervisionados de certas doenças foi corrompido pelo mau uso de drogas que alteram o comportamento individual. A palavra químico foi usada de maneira pejorativa. Houve, como resultado, a preocupação de que os benefícios trazidos pelo uso do conhecimento químico não compensassem os riscos.

É relativamente fácil subestimar o papel central da química na sociedade moderna, mas os produtos químicos são essenciais caso a população mundial necessite ser agasalhada, alojada e alimentada. As reservas mundiais de combustíveis fósseis serão eventualmente esgotadas, e novos processos e materiais químicos promoverão uma fonte alternativa de energia. A conversão de energia solar em formas mais concentradas e de fácil utilização, por exemplo, levará a grandes descobertas na química. À longo prazo, soluções aceitáveis para controle e diminuição da poluição não serão possíveis sem o conhecimento químico. Essa verdade é expressa pelo aforismo "problemas químicos requerem soluções químicas". A intuição química levará a um melhor entendimento do comportamento dos materiais sintéticos e naturais e à descoberta de novas substâncias que ajudarão as gerações futuras a melhor suprir suas necessidades e lidar com seus problemas.

Elementos Químicos - Tabela

Tabela Periódica

Alguns elementos já eram conhecidos pelo homem desde a antigüidade, a saber, ouro, prata, cobre, ferro, chumbo, estanho, mercúrio e enxofre.

Destes, sete são metais, tendo inclusive surgido uma teoria que tal seria o número máximo possível de metais existentes, cada qual associado a cada um dos corpos celestes então conhecidos.

Ainda no tempo da Alquimia, mais quatro elementos foram conhecidos no estado livre: arsênio, antimônio, bismuto e fósforo.

O assim chamado "arsênico"dos gregos e romanos, consistia em seus sulfetos naturais, um deles o "ouropimenta" (corruptela de "ouropigmento"), nome dado ao mineral constituído de sulfeto de arsênio. Não se sabe ao certo quem primeiro o obteve em estado elementar; costuma-se atribuir o feito a Alberto, o Grande (Albertus Magnus, 1193-1280), dominicano alemão, que obteve o metal pelo aquecimento de ouropimenta com sabão. Paracelsus, no séc. XVI, mencionou um processo de obtenção de arsênio pelo aquecimento do "arsênico" dos antigos com cascas de ovos.

O antimônio, tal como o arsênio, também já era conhecido dos antigos provavelmente só na forma de sulfeto, que era usado para o escurecimento das pálpebras das mulheres. A imperatriz Cleóprata, do Egito, fazia uso desse composto para a pintura das pálpebras dos olhos.

Berthelot acreditava que o antimônio metálico já era conhecido dos antigos caldeus, baseado na análise de um vaso, feito de antimônio quase puro. É possível também que os gregos e romanos já obtivessem antimônio elementar, porém não distinguiam perfeitamente de outros metais, empregando o nome genérico de "chumbo" para aqueles moles, escuros e facilmente fusíveis.

Georgius Agricola, no século XVI, já tinha familiaridade com o antimônio metálico, cuja descrição aparece no seu "De natura fossilium".

Na literatura alquímica existem referências abundantes ao antimônio. A obra mais famosa a respeito é o "Carro triunfal do antimônio", atribuída ao monge beneditino Basilius Valentinus, que teria vivido no século XV. Porém o estilo do trabalho parece demasiado moderno para tal época.

Nicolás Lémery (1645-1715) publicou, em 1707, o seu "Tratado sobre o antimônio", no qual o estuda sobre todos os aspectos, inclusive descrevendo a preparação do antimônio metálico e suas propriedades.

O bismuto metálico já era conhecido no século XV, do qual se tem objetos de arte nos quais aparece esse metal. Os primeiros tipos de imprensa de Gutenberg, deste século, eram de bronze; em torno de 1450, contudo, passou-se a usar tipos de uma liga que possuía bismuto. Paracelsus, em uma de suas obras, fez uma ligeira alusão a esse metal, e Agricola o descreve com muito mais pormenores. No "De re metallica" existem várias receitas para sua obtenção.

Agricola considerava o bismuto um metal específico, mas tal não era a opinião vigente na época: a maioria o considerava uma espécie de chumbo.

Somente no século XVIII é que sua identidade como um elemento à parte se tornou concensual.

Parece certo que o primeiro a obter o fósforo elementar tenha sido Hennig (ou Henning) Brand, de Hamburgo, alquimista e médico que viveu no século XVII. Foi obtido a partir da urina humana. Trata-se de um capítulo interessante e curioso da história da Química.

No século XVIII vão ser preparados e reconhecidos vários novos elementos. Entre os metais, o cobalto (1735), a platina (1740-1741) , o zinco (1746), o níquel (1757), o manganês (1774), o molibdênio (1781), o telúrio (1782), o tungstênio (1785) e o crômio (1798). Entre os não metais o nitrogênio, o cloro, o hidrogênio e o oxigênio.

No século XIX, vamos encontrar o grande desenvolvimento da Química Orgânica, a qual atrai o interesse de grande número de químicos. Embora um número menor de químicos continuasse se dedicando ao ramo mais antigo, a Química Inorgânica, os resultados desta na época não foram menos importantes, tendo sido descobertos muitos novos elementos, em número maior do que todos os conhecidos até então.

Durante a primeira metade do século foram utilizados os métodos químicos típicos do momento, principalmente por Berzelius e seus discípulos, nos trabalhos que resultaram na descoberta de diversos elementos químicos. Humphry Davy (1778-1819), utilizando o fenômeno da eletrólise, isolou o sódio, o potássio, o cálcio, o magnésio, o bário e o estrôncio. O isolamento do sódio e do potássio forneceu aos químicos uma ferramenta formidável para o isolamento de outros elementos.

O próprio Davy empregou o potássio para reduzir o ácido bórico a boro. Berzelius utilizou o método de fusão de potássio com óxidos metálicos para isolar o silício (1824), o zircônio (1824), o titânio (1825) e o tório (1828). Da mesma forma, Antoine-Alexandre-Brutus Bussy (1794-1882) obteve magnésio (1831) (Davy o havia obtido antes, por eletrólise, em quantidade muito pequena) e berílio (1828), também isolado ao mesmo tempo por Friedrich Wohler (1800-1882).

Neste período também foram descobertos quase todos os metais do grupo da platina e completada a família dos halogênios, com exceção do flúor, extremamente reativo, só isolado em 1886 por Henri Moissan (1852-1907) e, naturalmente, do astatínio, elemento sintético. Também foi iniciado o estudo das terras raras, principalmente por Johann Gadolin (1760-1852), Carl Gustav Mosander (1797-1858) e Berzelius; porém, os primeiros metais lantanídios isolados só o foram quase no final do século, por Carl Auer von Welsbach (1858-1929) e outros.

A descoberta de um elemento novo por métodos puramente químicos, requeria uma quantidade razoavelmente grande do elemento no material onde ocorria.

Desde que alguns elementos mais raros ocorrem em quantidades muito pequenas nos minerais, a probabilidade de serem descobertos pelos métodos clássicos era muito pequena, a menos que houvesse suspeita de sua existência. Esta situação se alterou com a descoberta, em 1859, da análise espectroscópica. Nesse ano, Robert Bunsen (1811-1899), que havia deixado de trabalhar em Química Orgânica, iniciou o estudo sistemático das cores que os diferentes elementos conferiam à chama. Bunsen trabalhou com o físico Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), constituindo em um dos primeiros trabalhos em colaboração deste tipo, entre químicos e físicos.

Já em 1758, Andreas Sigismund Marggraf (1709- 1782) havia notado as cores que os sais de sólido e de potássio conferiam à chama. Em 1822, o astrônomo Herschel (1792-1871) observou a existência de linhas brilhantes e de espaços escuros nos espectros de tais chamas. Bunsen e Kirchhoff construíram um instrumento novo, o espectroscópio, com o qual podiam localizar tais raias com precisão. Demonstraram que cada elemento possuía linhas características, que não eram afetadas pela presença de outros elementos, e também que bastavam quantidades diminutas do elemento para produzir seu espectro. Com tal instrumento passou-se a dispor de um método, de sensibilidade nunca antes atingida, para indicar a presença de elementos desconhecidos em minerais. Convém aqui abrir um parênteses e citar algumas observações mais antigas relativas à espectroscopia. No século XVI, o alquimista Leonhard Thurneysser (1531-1596) já havia percebido o fato de que várias substâncias conferiam cores características à chama. Thomas Melvill, em 1752, observou a cor amarela da chama da "solda". Wollaston, em 1802, observou bandas discontínuas ao examinar a chama de uma vela através de um prisma. Joseph Fraunhofer, em 1814, construiu um finíssimo prisma, com o qual descobriu as raias escuras do espectro solar. Henry Fox Talbot, em 1834, distinguiu o lítio do estrôncio com o auxílio de um prisma.

Bunsen e Kirchhoff, usando seu espectroscópio, descobriram dois novos metais alcalinos, o césio (1860) e o rubídio (1861), nomes que lhes foram dados em virtude das bonitas linhas azuis e vermelhas dos respectivos espectros.

No século XIX, não apenas foram descobertos vários elementos novos, mas também foram feitas determinações mais precisas dos pesos equivalentes e atômicos dos diferentes elementos. O trabalho mais cuidadoso nesse campo, foi o realizado por Jean Servais Stas (1813-1891), em Bruxelas. Porém, ainda persistiu por muito tempo uma confusão entre peso atômico e peso equivalente, conseqüência do não entendimento preciso da diferença entre átomo e molécula, em particular em relação aos corpos simples. Nem o próprio Berzelius percebeu isto.

Este passo foi dado ainda cedo no século XIX, por Lorenzo Romano Amadeo Avogadro (1776-1856), mas sua lúcida proposta ficou esquecida por quase 50 anos . Para tal esquecimento muito deve ter contribuído Berzelius, que não aceitou a hipótese de Avogadro, uma vez que uma das conseqüências dessa hipótese era contraditória com a teoria dualística da afinidade de Berzelius. É curioso que J.B.A. Dumas (1800-1884), em 1832, desmentiu a hipótese de Avogadro, a partir de experiências que fez com vapores de enxofre, fósforo, arsênio e mercúrio, o que é curioso, pois escolheu justamente espécies de comportamento anômalo, que muito divergem da conduta ideal dos gases.

A confusão entre peso equivalente e peso atômico e a não distinção clara entre átomos e moléculas, gerou uma confusão na Química durante toda a primeira metade do século XIX. Urgia repensar os conceitos fundamentais. Foi para isto que Friedrich August Kekulé (1829-1896), Karl Weltzien (1813-1870) e Charles Wurtz (1817-18840 organizaram uma reunião em Karlsruhe, em 1860, que veio a ser o primeiro congresso internacional de Química. Nesta reunião, a contribuição realmente expressiva foi a de Stanislao Cannizzaro (1826-1910), Professor de Química da Universidade de Gênova. Cannizzaro estava muito bem familiarizado com as idéias de seu patrício Avogadro, e as vinha empregando regularmente em seus cursos. Durante o Congresso, Cannizzaro defendeu as idéias de Avogadro. Num trabalho de Cannizzaro, distribuído por um amigo seu no final da reunião, era revisado o desenvolvimento histórico dos conceitos de átomo e molécula, empregando-se a hipótese de Avogadro. Cannizzaro empunha os resultados da aplicação da hipótese, a saber, adotava como unidade de referência para os pesos atômicos o peso de meia molécula de hidrogênio. Assim, construiu uma tabela corrente de pesos moleculares de muitos compostos.

A partir deste congresso, os químicos foram rapidamente aceitando a diferença entre átomos e moléculas, assim como a tabela moderna de pesos atômicos, baseada nessa diferença, eliminando a confusão entre peso atômico e peso equivalente. Talvez o químico mais influente, entre os prontamente convertidos às idéias de Avogadro, tenha sido Lothar Meyer que em 1864 publicou em Breslau o livro "Die Modernen Theorien. du Chimie und ihre Bedeutung für die Chemiche Statik", baseado naquelas idéias, e que se tornou popular entre os químicos.

Embora os fundamentos da Química estivessem sendo assim aos poucos assentados, ainda faziam falta regras que sistematizassem o comportamento dos diferentes elementos.

A organização dos elementos químicos

A primeira tentativa de generalização das relações entre os elementos, só foi possível quando já tinha sido descoberto um grande número deles.

No princípio do século XIX já se conhecia um número suficiente para se destacar dentre eles alguns grupos assemelhados: os halogêneos, os metais alcalinos e os metais do grupo da platina mostravam bem essas analogias. Também a determinação dos pesos atômicos por Berzelius, ofereceu um conjunto de números, a partir dos quais se podia tentar alguma espécie de classificação. Johann Wolfgang Dobereiner (1780-1849) foi o primeiro a empreender essa tarefa, em 1829, quando chamou a atenção para a existência de grupos de três elementos, com propriedades químicas semelhantes, que chamou de tríades.

Exemplos: cloro, bromo , iodo; cálcio, estrôncio, bário; enxofre, selênio, telúrio; ferro, cobalto, manganês.

Em cada tríade, o peso atômico do átomo central é aproximadamente a média aritmética daqueles dos extremos.

Dumas ampliou estas observações, mas tal teoria só tinha valor classificatório, não permitindo previsões. Ademais, enquanto houvesse a confusão entre pesos equivalentes e atômicos, não poderia haver muito progresso em qualquer classificação baseada nesta última propriedade. Depois que esta questão ficou bem assentada, puderam surgir propostas mais elaboradas a respeito.

Em 1862 e 1863, o geólogo francês A. E. Béguyer de Chancourtois (1819-1886), ordenou os elementos conforme seus pesos atômicos, segundo uma disposição helicoidal (hélice telúrica), verificando que elementos assemelhados caíam sobre uma mesma geratriz do cilindro envolvente da hélice. Em 1864 seu trabalho ainda permanecia ignorado.

John Alexander Reina Newlands (1837-1898), ordenando os elementos em ordem crescente de seus pesos atômicos, observou que, em geral, todos aqueles pertencentes ao mesmo grupo se dispunham sobre linhas horizontais, sempre que, a cada oito elementos escritos, o oitavo iniciasse uma nova coluna. Newlands, que possuía uma formação musical, chamou a este comportamento de "lei das oitavas". Sua proposta foi ridicularizada.

Tanto na construção de Chancourtois, quanto na de Newlands, está implícita a idéia de periodicidade das propriedades dos elementos.

A lei periódica, em formulação explícita, foi enunciada quase simultaneamente por Lothar Meyer e por Dimitri Ivanovich Mendeleiev (1834-1907). Ambos desenvolveram suas idéias quando preparavam seus livros. O de Meyer, "Modernas teorias da química", continha o germe de sua hipótese, a partir do qual ampliou suas idéias até que, em 1868, elaborou a tabela numa forma quase definitiva. Não a publicou até 1870, depois do aparecimento da versão de Mendeleiev. Este construiu sua tabela quando sistematizava as idéias para seu famoso livro "Princípios de Química"(São Petersburgo, 1868-1870), do qual foram feitas numerosas edições em russo, alemão, inglês e francês. Logo após o aparecimento do artigo em russo, onde propunha a tabela, surgiu uma tradução alemã.

É possível que Meyer tivesse modificado um pouco sua versão da tabela, depois de conhecer a de Mendeleiev, e também é provável que este fosse influenciado pela de Meyer em sua versão posterior. Contudo, ambos têm seu mérito.

Ambos ordenaram os elementos segundo seu peso atômico em ordem crescente, e observaram a recorrência de suas propriedades. Meyer chamou a atenção em particular para a periodicidade das propriedades físicas (ex. volume atômico) e Meleleiev se concentrou mais nas químicas. Ambos deixaram espaços vagos para serem encaixados elementos ainda não conhecidos. Mendeleiev foi mais ousado, prevendo as propriedades desses possíveis elementos ainda não conhecidos.

Quando em 1874, Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) descobriu espectroscopicamente o gálio, Mendeleief mostrou que se tratava do eka-alumínio previsto por ele; em 1879, Lars Fredrik Nilson (1840-1899) descobriu o escândio, que Per Theodore Cleve (1840-1905) demonstrou ser o eka-boro.

Em 1885, Clemens Alexander Winkler (1838-1904) isolou o germânio, cuja posição na tabela, duvidosa por algum tempo, foi demonstrada pelo próprio Winkler que era a do eka-silício. Todas essas concordâncias conferiram um grande prestígio à tabela periódica.

A tabela, em sua versão original, não era perfeita. Havia, por ex., a inversão entre o iodo e o telúrio. Isto só foi solucionado no século XX, quando se demonstrou que a periodicidade se dava não em relação ao peso atômico, mas em função de uma grandeza mais fundamental, o número atômico, descoberto por H.G.F.

Moseley. Também parecia inicialmente não haver lugar para mais nenhuma família. Por isso, foi grande a surpresa quando se descobriu uma família nova, a dos gases nobres.

A descoberta dos gases nobres

Em 1892, John William Strutt, Barão de Rayleigh (1842-1919), percebeu que o "nitrogênio" obtido por separação de todos os demais gases conhecidos do ar, tinha maior densidade do que o nitrogênio preparado a partir dos seus compostos. William Ramsay (1852-1916) suspeitou da presença de algum novo gás no primeiro caso. Fez passar nitrogênio atmosférico sobre magnésio incandescente, separando assim aquilo que era realmente nitrogênio autêntico. Restou uma pequena quantidade de um gás inativo. Isto o fez recordar de uma experiência feita por Cavendish, em 1785 (!), quando produziu repetidas vezes faíscas elétricas através de misturas de ar atmosférico e oxigênio, em quantidades convenientes, o que resultava no consumo quase completo dos gases; após a separação dos produtos de reação, Cavendish encontrou uma pequena quantidade de ar residual, "não maior do que 1/120 do total". Lord Rayleigh repetiu a experiência e confirmou os resultados de Cavendish. Trabalhando com grandes quantidades de ar, Rayleigh e Ramsay, conjuntamente, isolaram em 1895 um novo gás, o qual demonstraram que não se combinava com nenhum outro elemento. Recebeu o nome de argônio, ou preguiçoso.

Ramsay então se lançou à procura de uma fonte mais abundante do novo gás. W.F. Hillebrand (1853-1925), havia examinado certos minerais de urânio, nos Estados Unidos, dos quais havia obtido um gás inerte que havia suposto tratar-se de nitrogênio. Ramsay obteve um pouco desse gás e comprovou que não se tratava, na sua maior parte, nem de nitrogênio, nem de argônio.

O exame espectroscópico conduziu a um resultado extremamente curioso: possuía uma linha espectral idêntica a uma que, em 1868, os astrônomos P.J.C. Jansen (1824-1907) e J.N. Lockyer (1836-1920) haviam observado no espectro solar. Na ocasião, Lockyer havia opinado que tal raia, que não se ajustava a de nenhum elemento então conhecido, deveria estar associada a um elemento novo existente no Sol e desconhecido na Terra, para o qual propôs o nome de ‘hélio". Agora tal elemento era encontrado em nosso planeta!

Não parecia haver lugar para esses novos elementos na tabela periódica. Por fim, Ramsay se aventurou a sugerir a criação de uma nova família, o grupo zero, formada por elementos de valência nula. Mas, uma nova família implicava na existência de ainda outros elementos, cuja busca logo se iniciou. De pronto foram descobertos o criptônio, o neônio e o xenônio, por Ramsay e seu assistente Morris William Travers (1872-1961), em 1898, por meio da destilação fracionada do ar líquido. O último dos elementos da família foi isolado em 1900, a partir do tório, por Lord Rutherford (1871-1937). No início foi chamado de "emanação".

Posteriormente foi identificado como memboro da família dos gases nobres, pelo próprio Rutherford e por Frederick Soddy (1877-1956), sendo denominado radônio.

A sistematização das químicas inorgânica e orgânica estava quase concluída nos fins do século XIX. Ambas haviam se desenvolvido por métodos quase que puramente químicos, pois os primeiros avanços da Físico-Química, que ocorreram nesse século, pouca influência tiveram sobre os restantes domínios da Química.

A descoberta da estrutura dos átomos, que ocorreu no início do século XX, não apenas deu um novo impulso às químicas inorgânica e orgânica, como contribuiu para uni-las à Físico-Química. Esta união, que só iria ocorrer com mais intensidade com o avançar do século XX, iria produzir novos e bons frutos.