Átomos , Moléculas e Partículas

O átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico. Ele apresenta um núcleo com carga positiva (Z é a quantidade de prótons e "E" a carga elementar) que apresenta quase toda sua massa (mais que 99,9%) e Z elétrons determinando o seu tamanho.

Até fins do século XIX, era considerado a menor porção em que se poderia dividir a matéria. Mas nas duas últimas décadas daquele século, as descobertas do próton e do elétron revelaram o equívoco dessa ideia. Posteriormente, o reconhecimento do nêutron e de outras partículas subatômicas reforçou a necessidade de revisão do conceito de átomo.

Os atomistas na antiga Grécia

Por volta de 450 a.C. os átomos de Demócrito (cerca de 460 a.C. - 370 a.C.) deveriam atender às seguintes condições:

Os átomos constituíram toda e qualquer matéria;

Os átomos seriam qualitativamente iguais, diferindo, apenas, na forma, no tamanho e na massa.

Para Demócrito, a grande variedade de materiais na natureza provinha dos movimentos dos diferentes tipos de átomos, que, ao se chocarem, formavam conjuntos maiores, gerando diferentes corpos, com características próprias. Algumas ideias de Demócrito sobre os átomos:

Água: formada por átomos ligeiramente esféricos (a água escoa facilmente).

Terra: formada por átomos cúbicos (a terra é estável e sólida).

Ar: formado por átomos em movimento turbilhonantes (o ar se movimenta - ventos).

Fogo: formado por átomos pontiagudos (o fogo fere).

Alma: formada pelos átomos mais lisos, mais delicados e mais ativos que existem.

Respiração: era considerada troca de átomos, em que átomos novos substituem átomos usados.

Sono: desprendimento de pequeno número de átomos do corpo.

Coma: desprendimento de médio número de átomos do corpo.

Morte: desprendimento de todos os átomos do corpo e da alma.

Os fundamentos de Demócrito para os átomos foram tomando corpo com o passar do tempo. Epicuro (341 a.C. - aproximadamente 270 a.C.)

complementou suas ideias ao sugerir que haveria um limite para o tamanho dos átomos, justificando assim a razão de serem invisíveis.

Acreditava-se que a matéria seria constituída de elementos da natureza como fogo, água, terra e ar, que misturados em diferentes proporções resultariam em propriedades físico-químicas diferentes.

Leucipo e Demócrito imaginaram que a matéria não poderia ser dividida infinitamente, mas partindo-a várias vezes, chegaríamos a uma partícula muito pequena:uma esfera indivisível, impenetrável e invisível. Com a ajuda de Lucrécio,a ideia dos filósofos teve rápida propagação

Estrutura

Os cientistas, por meio de técnicas avançadas, já perceberam a complexidade do átomo. Já comprovaram a presença de inúmeras partículas em sua constituição e desvendaram o comportamento dessas partículas. Mas para construir alguns conceitos que ajudam a entender a química do dia-a-dia, o modelo de átomo descrito por Rutherford-Bohr é suficiente. Na constituição dos átomos predominam os espaços vazios. O núcleo, extremamente pequeno, é constituído por prótons e nêutrons. Em torno dele, constituindo a eletrosfera, giram os elétrons.

O diâmetro da eletrosfera de um átomo é de 10,000 a 100,000 vezes maior que o diâmetro de seu núcleo, e sua estrutura interna pode ser considerada , para efeitos práticos, oca; pois para encher todo este espaço vazio de prótons e nêutrons (ou núcleos) necessitaríamos de um bilhão de milhões de núcleos…

O átomo de hidrogênio é constituído por um só próton com um só elétron girando ao seu redor. O hidrogênio é o único elemento cujo átomo pode não possuir nêutrons.

O elétron e o próton possuem a mesma carga, porém não a mesma massa. O próton é 1836,11 vezes mais massivo que o elétron. Usando, como exemplo hipotético, um átomo de vinte prótons e vinte nêutrons em seu núcleo, e este estando em equilíbrio eletrodinâmico, terá vinte elétrons orbitando em suas camadas exteriores. Sua carga elétrica estará em perfeito equilíbrio eletrodinâmico, porém 99,97% de sua massa encontrar-se-á no núcleo. Apesar do núcleo conter praticamente toda a massa, seu volume em relação ao tamanho do átomo e de seus orbitais é minúsculo. O núcleo atômico mede em torno de 10 - 13 (1 fm) centímetros de diâmetro, enquanto que o átomo mede cerca de 10 − 8 centímetros (100 pms).

Principais características das partículas fundamentais

Massa

Determinar a massa de um corpo significa comparar a massa deste corpo com outra tomada como padrão.

A unidade de massa tomada como padrão é o grama (g). Mas nós muitas vezes utilizamos o Quilograma, que equivale a 1000 vezes a massa de 1 g. Um exemplo disso é quando se diz que a massa de uma pessoa é 45 vezes a massa correspondente à do quilograma.

Ou ainda: 45 kg = 45 x 1000 g = 45 000 g

Como as partículas que constituem o átomo são extremamente pequenas, uma unidade especial teve que ser criada para facilitar a determinação de suas massas. Essa unidade, denominada unidade de massa atômica, é representada pela letra u.

1 u equivale a aproximadamente 1,66 · 10−27 kg (veja artigo Unidade de massa atômica).

As massas do próton e do nêutron são praticamente iguais: medem cerca de 1 unidade de massa atômica. A massa do elétron é 1836 vezes menor que a do próton: essa massa é desprezível, porém é errado dizer que o elétron é desprovido dela.

Carga elétrica

O elétron é uma partícula dotada de carga elétrica negativa. A sua carga, que foi determinada experimentalmente em 1908, equivale a uma unidade de carga elétrica (1 ue). A carga do próton é igual à do elétron, só que de sinal contrário. o próton tem carga eléctrica positiva. O nêutron não possui carga elétrica. Como seu nome indica, ele é neutro.

Interação atômica

Se tivermos dois átomos hipotéticos, cuja carga elétrica seja neutra, presume-se que estes não se afetarão mutuamente por causa da neutralidade da força electromagnética entre si.

A distribuição de cargas no átomo se dá de forma diversa. A carga negativa é externa, a carga positiva é interna, isto ocorre por que os elétrons orbitam o núcleo. Quando aproximamos dois átomos, mesmo estando em perfeita neutralidade interna, estes se repelem, se desviam ou ricocheteiam.

Exemplo típico ocorre no elemento hélio (He) onde seus átomos estão em eterno movimento de mútuo ricochete. Em temperatura ambiente, o gás hélio tem no movimento de seus átomos um rápido ricochete. Ao diminuir a temperatura, o movimento oscilatório diminui, o volume fica menor e a densidade aumenta. Chegaremos teoricamente num ponto em que o movimento de ricochete diminuirá tanto que não se poderá mais retirar energia deste. A este nível térmico, damos o nome de zero absoluto, este é –273,15 °C.

Força de Van der Waals

A carga eletrônica não se distribui de maneira uniforme, algumas partes da superfície atômica são menos negativas que outras. Em função disto, a carga positiva que se encontra no interior do átomo infiltrar-se-á pelas áreas menos negativas externas, por isso haverá uma débil atração eletrostática entre os dois átomos chamada de força de Van der Waals.

Em baixíssima temperatura, os átomos de hélio movem-se muito lentamente, seu ricochete diminui a tal grau que é insuficiente para vencer as forças de Van der Waals, como o átomo de hélio é altamente simétrico, por este motivo as forças atuantes neste elemento são muito fracas. A contração do hélio ocorre e este acaba por se liquefazer a 4,3 graus acima do zero absoluto.

Nos demais gases presentes na natureza sua distribuição de cargas é menos simétrica que no hélio, as forças de Van der Waals são maiores ocasionando uma liquefação em temperaturas maiores.

Atração atômica

Nas regiões externas dos átomos, a distribuição eletrônica se dá em camadas, sua estrutura apresenta a estabilidade máxima se estas estiverem completas. Com exceção do hélio e outros elementos com estabilidade e simetria semelhante, geralmente a camada mais exterior do átomo é incompleta, ou podem possuir excesso de elétrons. Em função disto pode haver a transferência de um ou dois elétrons do átomo em que estão em excesso, para o átomo em que estão em falta, deixando as camadas externas de ambos em equilíbrio.

O átomo que recebe elétrons ganha carga negativa, e o que perdeu não equilibra totalmente sua carga nucléica, positiva. Ocorre então o aglutinamento atômico.

Existe ainda o caso de dois átomos colidirem. Ocorrendo, há o compartilhamento eletrônico entre ambos que passam a ter suas camadas mais externas completas desde que permaneçam em contato. pois eles tem em excesso um números de neutros .

Elementos químicos conhecidos

É importante ter em mente que, átomo, é uma entidade elementar. O conjunto de átomos que apresentam o mesmo número atômico (Z) é chamado de elemento químico. Desta forma, na Tabela Periódica dos Elementos, a idéia de entidade elementar é substituída pela idéia de "conjunto".

É possível ter aproximadamente 10 sextilhões de átomos em uma casa (o algarismo 1 e 22 zeros à direita.

Ex.: Ao procurar pelo Carbono na Tabela Periódica, você deve saber que está procurando pelo Elemento Carbono e não pelo átomo de Carbono.

Se o núcleo de um átomo fosse do tamanho de um limão com um raio de 3 cm, os elétrons mais afastados estariam cerca de 3 km de distância.

Moléculas

Uma vez partilhados eletronicamente os átomos podem possuir entre si uma ligação tão forte que para separá-los é necessária uma quantidade razoável de energia, portanto, permanecem juntos. Estas combinações são chamadas de moléculas, nome derivado do latim que significa pequeno objeto.

Nem sempre dois átomos em contato são suficientes para ter estabilidade, havendo necessidade de uma combinação maior para tê-la.

Para formar uma molécula de hidrogênio são necessários dois átomos deste elemento, uma molécula de oxigênio, necessita de dois átomos de oxigênio, e assim sucessivamente.

Para a formação de uma molécula de água são necessários dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio; metano, necessita de um átomo de carbono e quatro de hidrogênio; dióxido de carbono (bióxido), um carbono, e dois oxigênios e assim sucessivamente.

Existem casos de moléculas serem formadas por uma grande quantidade de átomos, são as chamadas macromoléculas. Isto ocorre principalmente com compostos de carbono, pois o átomo de carbono pode partilhar elétrons com até quatro elementos diferentes simultaneamente. Logo, pode ser possível a constituição de cadeias, anéis, e ligações entre estas moléculas longas, que são a base da chamada química orgânica.

Essa é a base das moléculas que caracterizam o tecido vivo, ou seja, a base da vida. Quanto maior a molécula e menos uniforme a distribuição de sua carga elétrica, mais provável será a reunião de muitas moléculas e a formação de substâncias líquidas ou sólidas. Os sólidos são mantidos fortemente coesos pelas interações eletromagnéticas dos elétrons e prótons e entre átomos diferentes e entre moléculas diferentes.

Em algumas ligações atômicas onde os elétrons podem ser transferidos formam-se os chamados cristais (substâncias iônicas). Nestes, os átomos podem estar ligados em muitos milhões, formando padrões de grande uniformidade. No átomo, sua interação nuclear diminui à medida que aumenta a distância. As moléculas da água por exemplo são chamadas de aguacormicas.

Partículas

O termo partícula deriva do latim particula e significa parte muito pequena, corpo diminuto ou corpúsculo.

Esses minúsculos elementos ou corpúsculos (se assim podemos nos permitir a definir) estão na base de tudo o que existe no Universo, sendo atualmente entendidos como estados da matéria e energia.

Em física, partícula subatômica/subatómica, é a designação genérica daquelas, cujas dimensões são muito menores que as de um átomo. Entre as partículas subatômicas/subatómica, existem determinadas denominações, que foram escolhidas para designar os números quânticos. O conhecimento das propriedades dessas partículas deu-se a partir do final do século XIX.

No decorrer do século XX, foi comprovada a existência de aproximadamente 200 destes corpúsculos. Neste período, foram descobertas muitas das leis que governam as inter-relações e interações entre essas partículas, as forças e campos que regem o Universo. Sua quantidade e complexidade levaram ao desenvolvimento de formulações matemáticas cada vez mais complexas, na tentativa de predizer seu comportamento.

Atualmente, os estudiosos, através de exercícios teóricos e experimentos práticos, buscam teorias para unificar e simplificar o estudo da estrutura universal, cujo tecido se desdobra a cada nova descoberta.

Os Físicos que descobriram alguns desses pequenos elementos utilizaram nomenclaturas que podem ser consideradas ou soar estranhas. Porém, analisando mais profundamente, observaremos que os quarks, por exemplo, chamados de: quark do topo; quark do fundo; quark estranho, quark charmoso, têm razões para receberem estes nomes. Estas nos dão uma ideia aproximada das propriedades singulares desses corpúsculos, cujas dimensões são inferiores à do átomo.

Histórico

No final do século XIX, em 1897, foi descoberta a primeira partícula por Joseph John Thomson, o elétron.

Ernest Rutherford, bombardeando uma chapa metálica com partículas alfa, descobriu que apenas uma pequena fração dessas sofria desvio de trajetória. Com isso, concluiu que as partículas que não se desviavam não encontravam, no metal, obstáculo que causasse a deflexão de sua trajetória. Dessa forma, criou um modelo, no qual os elétrons giravam em torno do núcleo atômico, que considerou a região central do átomo, onde havia a maior parte da massa atômica.

Órbitas

O modelo de Rutherford se baseava em órbitas eletrônicas, isto é, comparáveis a um sistema planetário. O cientista chegou à conclusão de que a maior parte do átomo se encontra vazia, estando praticamente a totalidade de sua massa no núcleo, este sendo em torno de dez mil vezes menor que o átomo.

A quantidade de partículas subatômicas

Depois da descoberta do núcleo em 1911, já foi comprovada a existência de muitas partículas subatômicas. Desde aquela época, foram estabelecidas leis fundamentais da matéria-energia que governam suas inter-relações, predizendo o comportamento das sub-partículas. Isso levou os cientistas a procurarem encontrar soluções teóricas que unifiquem e simplifiquem o estudo da estrutura básica do Universo.

Alguns tipos mais comuns

Partículas alfa que, resumidamente, assemelha-se com o núcleo de hélio emitido em um processo radioativo; partícula beta, elétron ou pósitron emitido num processo de desintegração nuclear, possuidor de energia cinética; íons; elétrons, os prótons; etc.

Classificam-se, também, as partículas elementares, aquelas que se supõe fazerem parte do conjunto de constituintes fundamentais da matéria; estas são caracterizadas por um conjunto de números quânticos: massa; isospin; spin; paridade; carga elétrica; número leptônico; número bariônico; estranheza;(Incluem-se nesta classe os léptons; os mésons; os bárions; o fóton, os bósons W e Z e as respectivas antipartículas).