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ÁTOMO: Esse Desconhecido (Parte 3B)

terça-feira, 8 de julho de 2008

No final do século XVIII, os químicos haviam identificado muitas substâncias, principalmente no estado gasoso, e os estudos de Lavoisier e Proust indicavam que essas substâncias eram constiuídas por pequenas partículas que definiam a característica química de cada uma delas.

Estava faltando arrumar as interpretações sobre essas partículas que resultavam das pesquisas daquela época.

Fundamentado na lei das proporções fixas desenvolvida por Proust, o químico inglês John Dalton (1766-1844) propôs, em 1803, um modelo atômico ao estabeler que:

1- cada elemento é constituído de um número de átomos, todos com a mesma massa fixa;

2- Elementos diferentes são identificados por serem constituídos por átomos com massas diferentes;

3- Os compostos são formados pela união de pequena quantidade de átomos na forma de moléculas (do latim: pequena massa);

É importante observar que as pesquisas posteriores sobre a estrutura da matéria, comprovaram que essas propostas não estão corretas.

Porém, considerando as dificuldades científicas e tecnológicas existentes no início do século XIX, o modelo atômico de Dalton foi importante por representar uma “primeira aproximação” muito útil para a continuação das pesquisas que melhoraram esse modelo conforme mais e melhores informações foram obtidas e tornaram irreversível a interpretação atômica associada à estrutura da matéria.

Uma das perguntas relacionadas com a existência do átomo diz respeito ao seu tamanho e ao valor de sua massa. As respostas só se tornaram possíveis quando o número de Avogadro foi medido.

Em 1811, o químico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) propôs a seguinte hipótese:

- “sob as mesmas condições de temperatura e pressão, volumes iguais de todas as substâncias gasosas contêm a mesma quantidade de moléculas, independente de suas propriedades químicas e físicas”.

Em consequência dessa hipótese, estabeleceu-se a idéia de que em um mol de qualquer substância existe sempre a mesma quantidade de átomos ou moléculas: o número de Avogadro.

Se fosse conhecido o valor exato do número de Avogadro, seria possível determinar a massa atômica da substância.

Naquela época só se tinha idéia de que deveria ser um valor muito grande e passaram mais de cinqüenta anos até a determinação do número de Avogadro.

Em 1865, com a contribuição das pesquisas teóricas do físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) e do físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906), que fazem a análise do comportamento dos gases supondo que os mesmos tenham uma estrutura atômica, foi possível prever teoricamente o valor do número de Avogadro.

Usando métodos experimentais cada vez mais acurados desenvolvidos para avaliar os resultados teóricos de Maxwell-Boltzmann, foi possível determinar o valor de partículas por mol, atualmente aceito.

Em um mol existem 602.300.000.000.000.000.000.000 partículas.

Com esse resultado foi possível determinar as massas dos diversos átomos e fazer uma estimativa do volume dos mesmos.

Foi um avanço enorme!

Supondo que os átomos tenham a forma esférica e que nos sólidos estão de tal modo empacotados que ficam em contato, obtém-se o valor aproximado da ordem de (1/100.000.000) centímetros para o diâmetro de um átomo.

Esse valor estimado significa que devemos colocar 100 milhões de átomos lado a lado para preencher a distância de 1,0 centímetro.

Essa foi a primeira estimativa relacionada com o volume do átomo esférico e foi esse o modelo atômico que prevaleceu durante todo o século XIX.

Depois desse pequeno, mas importante passo, só em 1897 começaram a acontecer novas descobertas relacionadas com o átomo.

Então as preocupações passaram a ser outras, como serão apresentadas nas próximas publicações.

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ÁTOMO: esse desconhecido (parte 3A)

sexta-feira, 27 de junho de 2008

3.A- A Teoria Atômica do Século XIX

Ao final do século XVIII, os químicos começam a considerar além das propriedades qualitativas, também os aspectos quantitativos dos resultados das reações químicas.

O químico mais proeminente na sedimentação dessa nova fase foi Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), considerado o pai da química moderna.

Lavoisier estabeleceu em 1789, a partir do enorme conjunto de informações que acumulara em suas pesquisas, que em qualquer reação química dentro de um sistema fechado, a massa total se mantém inalterada: a massa dos reagentes é igual à massa do produto da reação.

É o princípio de conservação da massa!

No prefácio do seu livro Elementos de Química, publicado em 1789, Lavoisier escreve:

“… se, pelo termo elemento fazemos referência aos átomos simples e indivisíveis dos quais se compõe a matéria, é muito provável que não saibamos nada sobre os mesmos; porém se aplicamos o termo elemento … para expressar a idéia da menor partícula que a análise química pode alcançar, devemos admitir como elementos todas as substâncias nas quais, por qualquer meio, podemos decompor os corpos.”

E continua manifestando a sua percepção científica:

“Nada nos autoriza a afirmar que essas substâncias haverão de ser consideradas tão simples que não sejam compostas de dois ou mais elementos; porém, considerando que esses elementos não podem ser separados (uns dos outros), ou até o momento não descobrimos a maneira de separá-los, essas substâncias serão considerados como substâncias simples e nunca deveríamos supô-las como compostas até que a experiência e a observação nos tenham mostrado.”

A partir do princípio de conservação da massa, ficou mais fácil medir separadamente a massa de cada componente em uma reação química.

Os trabalhos desenvolvidos pelo químico francês Joseph Louis Proust (1754-1826) nessa área, o levaram a formular, em 1797, a lei das proporções fixas ou definidas, a qual traduz o fato de sempre se encontrar a mesma proporção numérica entre as massas dos constituintes de determinada substância composta, independente de qualquer modo de preparação da substância.

Ou seja, agora era possível medir a proporção entre as massas dos componentes da substância e essa medida resultava sempre na comparação de números inteiros, nunca fracionários.

Isso significou que a lei de Proust estabeleceu uma maneira experimental para comprovar razoavelmente a hipótese atômica, tanto para admitir a existência do átomo como para garantir a sua indivisibilidade, tal qual imaginara Democritus.

OBS: Essa parte será completada com as contribuições de John Dalton e de Amedeo Avogadro.

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ÁTOMO: Esse Desconhecido (Parte 2B)

quinta-feira, 19 de junho de 2008

Continuando a exposição do modelo gasoso de Boyle.

2B – Retomada do Atomismo no século XVII
A segunda proposta de Boyle, conhecida como o modelo cinético dos gases, supõe que os corpúsculos do gás não estão sempre em contato, por isso não necessitam ter dimensões variáveis e nem formar um conjunto estático, mas devem estar em agitação contínua, movendo-se por todo o espaço vazio disponível e talvez submergidos em um “fluido sutil” turbulento que preenche todo o espaço.

Dessa maneira, os corpúsculos mantinham certo vazio entre si e podiam ser forçados a se aproximar, diminuindo o vazio entre si durante a compressão, ou a se afastar, aumentando o vazio entre si durante a expansão.

Com exceção da introdução do “fluido sutil” turbulento, ou éter, como a causa do movimento dos átomos, o modelo cinético de Boyle tornou-se a base para explicar o comportamento dos gases.

Com um pouco de cuidado é possível aplicar a teoria atômica para explicar a composição dos líquidos e dos sólidos.

Passo a passo o desenvolvimento da interpretação de elemento, ou de partícula elementar, foi se confrontando com a concepção aristotélica dos quatro elementos: terra, água, ar e fogo.

Como a terra é facilmente separável em diferentes substâncias, a mesma não pode ser considerada uma partícula elementar.

Mais de um século após Boyle, a água e o ar foram separados em substâncias simples e o fogo foi definido pelos químicos, não como uma substância, mas como uma forma de energia.

Desse modo, nenhum dos elementos da concepção grega de matéria sobrevive à nova interpretação e às evidências experimentais.

O atomismo retomado pela lógica científica usada por Boyle, reacendeu entre os químicos o interesse na busca do átomo.

É a partir desse período que são identificados vários átomos diferentes, superando muitas dificuldades tecnológicas inerentes a esse tipo de pesquisa, pois não podemos esquecer que até hoje não conseguimos “ver”, de fato, o átomo.

OBS: A próxima parte apresentará o desenvolvimento do átomo durante o século XIX.

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ÁTOMO: Esse Desconhecido (Parte 2A)

sábado, 14 de junho de 2008

É possível que entre a concepção filosófica de Democritus – apresentada na Parte 1 – e a retomado do modelo atômico no século XVII, tenham surgido outros modelos para tentar compreender e explicar a constituição da matéria.

Afinal são 16 séculos desde Lucretius!

Porém, até o momento não consegui informações a esse respeito, por isso avanço na proposta inicial.

2A- Retomada do Atomismo no Século XVII

Durante o século XVII, vários estudiosos como Francis Bacon (1561-1626), René Descartes (1596-1650), Pierre Gassendi (1592-1655), Robert Boyle (1627-1691), Isaac Newton (1642-1727) e outros utilizaram a interpretação atômica para descrever diversos fenômenos, apesar da característica puramente especulativa.

Um passo fundamental aconteceu em 1643, quando o italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) sugeriu que o ser humano vive no fundo de um “mar de ar”, a atmosfera, cujo peso exerce pressão sobre todas as coisas. A medida da pressão atmosférica foi realizada com um equipamento que ficou conhecido por barômetro (do grego, bare = pressão e metros = medida).

O resultado mais importante dessa experiência foi a identificação do vácuo na parte superior do tubo vertical do barômetro, o qual era obtido quando a substância barométrica – no caso, o mercúrio – esvaziava gravitacionalmente parte do tubo até atingir o estado de equilíbrio, quando o peso da substância dentro do tubo fica igual ao peso do ar externo.

Desse modo, ficou evidente que o vácuo existe.

Em conseqüência, por volta de 1650 a bomba de vácuo foi inventada por Otto von Guericke (1602-1686) e em 1657, o inglês Boyle começa a realizar experiências com os gases supondo que são constituídos por partículas.

Nessa época já era conhecida a propriedade de expansão e compressão dos gases contidos em um recipiente, sem alterar a quantidade de substância, e em 1660, Boyle comunica o resultado de seu estudo experimental sobre a expansão e a compressão do ar contido em um recipiente:

- A PRESSÃO sobre o gás é inversamente proporcional ao VOLUME de gás.

Para Boyle era difícil compreender como isso podia acontecer se a matéria gasosa fosse contínua.

Era bem mais coerente supor que a matéria gasosa era composta de corpúsculos atômicos e apresentou dois modelos para tentar descrever esse comportamento.

O primeiro, denominado de modelo estático, propõe que se um gás é constituído por partículas em repouso e em contato umas com as outras, a grande compressibilidade dos gases exige que os mesmos corpúsculos constituintes sejam compressíveis como pequenos pedaços de algodão.

Sendo uma boa descrição para a compressão gasosa, esse modelo estático não conseguia explicar a propriedade de expansão indefinida dos gases em todas as direções, pois para isso era preciso supor que cada átomo seria capaz de crescer sem limite, durante a expansão.

Para superar essa deficiência do modelo estático, foi adicionada a hipótese de que os corpúsculos se repeliam durante a expansão.

Claro que se tornou necessário identificar o tipo de força de repulsão que agiria entre os átomos enquanto o gás era expandido.

Não podia ser a força gravitacional porque, até onde se conhece, a mesma é sempre atrativa e, naquela época, a força gravitacional era a hipótese utilizada para compreender porque a matéria sólida ou líquida se mantinha coesa ao invés de expandir-se como a matéria gasosa.

(No século XX, a força eletromagnética é identificada com a coesão da matéria).

Sem sugerir qualquer agente físico responsável pela repulsão, Newton apoiou a descrição estática no seu livro Principia, ao demonstrar que se uma quantidade de gás é composta de partículas que se repelem mutuamente com uma força que varia com o inverso do quadrado da distância entre si, então a pressão do gás é inversamente proporcional ao volume do mesmo.

Desse modo, as duas hipóteses conduziam a concordância com a lei empírica de Boyle.

OBS: Logo será apresentada a continuação da parte 2.

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ÁTOMO: Esse Desconhecido (Parte 1)

quinta-feira, 5 de junho de 2008

A base do modelo atômico que até agora sobrevive a todas as experiências, vai completar 100 anos em 2013.

Aqui vou abordar alguns aspectos históricos que podem suscitar melhor compreensão a respeito do desenvolvimento desse modelo atômico.

1- Origem Ocidental do Atomismo

A concepção do modelo atômico no ocidente europeu está vinculada às primeiras teorias da estrutura da matéria resultante de dedução filosófica realizada pelos filósofos rotulados de materialistas em contraponto aos filósofos idealistas.

Há fragmentos interessantes do trabalho-poema Pery Physeos (Sobre a Natureza), do filósofo grego Parmênides (séc. VI AC) – nascido em Elea, cidade no sul da Italia – no qual o mesmo afirma que “o que é, é”, “o que não é, não é”, “o que é, não pode vir a ser o que não é” e “o que não é não pode vir a ser o que é”, concluindo pela impossibilidade de qualquer mudança no mundo. Desse modo, as mudanças observadas ao nosso redor, são apenas ilusões dos sentidos.

A primeira especulação filosófica registrada confere aos filósofos gregos pré-socráticos Leucipus de Mileto (ou de Eleia) e Democritus de Abdera (ambos do séc. V AC) e, posteriormente, a Epicurus de Samos (séc. IV AC), a proposta e o desenvolvimento da primeira teoria atômica considerando que a matéria é divisível de fato – conforme nos mostra a experiência diária – porém essa divisão não continuaria indefinidamente, devendo apresentar um limite quando fossem identificadas as partículas indivisíveis, pois então não seria mais possível cortá-las.

Essas partículas são os eternos e imutáveis corpúsculos atômicos, para os quais não havia explicação e nem a necessidade de haver, pois dotados de uma forma definitiva, não tinham cor, nem cheiro ou sabor e nem temperatura; eram separados entre si pelo espaço vazio e, pelas diferentes posições e movimento nesse espaço vazio, era produzida a ampla variedade de fenômenos perceptíveis ao ser humano.

Para Democritus, essas partículas são os eternos e imutáveis corpúsculos atômicos.

Em suas próprias palavras – “as únicas coisas que existem são os átomos e o espaço vazio; qualquer outra coisa é mera opinião” – fica patente a construção ocidental do átomo, do verdadeiro núcleo objetivamente real da matéria e de todos os fenômenos.

Os filósofos gregos considerados idealistas, como Platão (séc. IV a.C) e Aristóteles (séc. IV a.C), não concordavam com o conceito de atomismo.

Platão concebia as menores partículas de matéria apenas como formas geométricas e, como Empédocles de Agrigentum (séc. V AC), admitia a terra, a água, o ar e o fogo como os quatro elementos estruturais da natureza.

Na concepção platônica, as menores partículas do elemento terra tinham a forma de cubos, as menores partículas do elemento água tinham a forma de icosaedros, em forma de octaedros eram as partículas do elemento ar e de tetraedros aquelas do elemento fogo, pois a forma é característica para as propriedades do elemento.

Ao contrário de Democritus, Platão considerava que as menores partículas podiam ser alteradas, destruídas ou reconstituídas, pois todas podiam ser resolvidas em triângulos.

Com essa concepção, as menores partículas já não são indivisíveis e os triângulos deixam de ser matéria porque não possuem dimensões espaciais.

Conforme Platão, não existe mais algo efetivamente material e sim uma forma matemática, ou uma construção intelectual, pois o universo pode ser uniformemente inteligível a partir da simetria matemática, a imagem, a idéia.

Mas o poeta romano Lucretius (séc. I AC) retomou a teoria atômica de Demócritus em sua obra De Rerum Natura (Sobre a natureza das coisas), na qual o tema fundamental é que toda a matéria é composta de duas realidades: o sólido constituído pelos átomos e o espaço vazio, no qual os átomos se movem.

Sem dúvida, essa proposta tinha apenas cunho filosófico, pois até o século XVII DC, nenhuma conseqüência frutífera e concreta fora obtida dessa concepção atômica.

OBS: Na seqüência vamos abordar o advento científico do modelo atômico.

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