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Autores:Lúcio Vega, Thais Araújo e Ródnei Souza

2013

COLÉGIO OFICINA

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1. A Formação dos Núcleos AtômicosO que é o Universo? Do que ele é feito? Como ele se formou? Porque o nosso

planeta não explode ou é engolido pelo Sol? O que é a vida e como ela foi formada? O que nós somos? Essas são perguntas que povoaram a mente do homem desde quando ele ganhou a capacidade de pensar, há mais de 300.000 anos atrás. Quais foram as respostas que o ser humano encontrou? O departamento de CIÊNCIAS NATURAIS (FÍSICA, QUÍMICA e BIOLOGIA) começará o ano traçando um panorama sobre o nascimento e a evolução de toda a natureza conhecida pelo homem, desde a parte mais ínfima da matéria até os grandes sistemas planetários, passando pelo maravilhoso fenômeno da vida. Esperamos que você se divirta conosco nessa grande aventura e passe a olhar com encantamento o mundo que nos cerca.

Para contar essa história, precisaremos voltar ao passado remoto, há cerca de 13,7 bilhões de anos atrás, quando não existia o Universo. O que criou o Universo e por que a matéria e a energia obedecem a certas leis invioláveis que conduziram o Universo a ser o que ele é hoje? Ninguém pode responder a essas perguntas. Essa lacuna no espirito humano geralmente é preenchida pela religião. Para separarmos o que sabemos do que não sabemos, vou criar um personagem que chamarei de “o Arquiteto” do Universo. Para as religiões, ele pode ser Alá, Buda, Jeová, Oxalá, etc. Para uma pessoa que não adote religião, o Arquiteto pode ser uma vontade universal, a essência primitiva, ou a “força” de Star Wars. Tudo que não souber explicar, deixarei a cargo do Arquiteto.

A evolução do Universo é a história entre duas energias opostas em eterno conflito. Uma é movimento, repulsão, instabilidade, bagunça, agitação, desorganização, vibração, calor, etc. A outra é união, atração, aglomeração, organização, ordem, estabilidade, quietude, moderação, frio, etc. Você verá que como o Arquiteto criou forças para organizar o Universo que nasce com uma energia de desordem. O primeiro ato do Arquiteto foi criar os tijolos do universo, o que iria virar tudo que conhecemos hoje.

De uma só vez, ele criou toda a ENERGIA que precisava. Era uma quantidade enorme de energia primitiva que apareceu em um único ponto de tamanho bilhões de vezes menor que a cabeça de um alfinete. Esta energia era muito agitada o que lhe dava uma vontade incontrolável de se espalhar pelo espaço vazio. Para que o Universo se transformasse no que é hoje, o Arquiteto criou a SUPER FORÇA, cuja função era de aprisionar essa energia primitiva para formar a MATÉRIA.

A Superforça foi aprisionando a energia primitiva em pequenos pedaços, formando as primeiras partículas chamadas de QUARK DONW(d). Como eram formada por uma energia super agitada, os quarks d saíram do ponto do seu nascimento para todas as direções com uma rapidez e agitação indescritíveis. Assim, o Universo nasceu muito quente, parecendo uma grande explosão. Por isso, tal fenômeno é chamado de BIG BANG, a maior explosão de todos os tempos. Portanto, toda a matéria do Universo surgiu em forma de quarks. A GRANDEZA FÍSICA que mede a quantidade de matéria é a MASSA cuja unidade mais conhecida é o GRAMA(g). Antes deste texto, sabíamos que 400 g de presunto possui duas vezes mais massa que 200 g de queijo. Agora, sabemos que isso significa ter o dobro de energia condensada na sua matéria.

É importante deixar claro que o momento da criação dos quarks d é um evento único. Quando o Universo ficou maior e mais frio, a Superforça deixou de existir, dando origem a 4 forças-filhas. Nunca mais os quarks d seriam formados novamente pela natureza. Hoje, os cientistas tentam recriar este momento nos aceleradores de partícula para que a Superforça reapareça revelando os segredos da criação e do Arquiteto.

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Entretanto, existia alguma coisa dentro do quark d que estava muito agitada e que apenas a Superforça conseguia segurar. Com o seu desaparecimento, uma de suas forças-filhas, a FORÇA NUCLEAR FRACA, tentou controlar o interior dos quarks d, mas sem sucesso. 5/8 dos quarks d explodiram gerando três novas partículas: o QUARK UP (u), quase do tamanho do quark d; o minúsculo NEUTRINO () e a PARTÍCULA BETA () que também é chamada de ELÉTRON. Os neutrinos não serão mais importantes, mas os elétrons serão fundamentais para a formação de tudo. Por sua culpa, este processo leva o nome de DECAIMENTO BETA. Nesse momento, já se passaram menos de 1s desde o Big Bang. O Universo tinha o tamanho de Salvador e era constituído por quarks u, quarks d e elétrons, em um ambiente muito quente.

Na verdade, quando os quarks d nasceram eles carregavam a marca da ELETRICIDADE, o que chamamos de CARGA ELÉTRICA. Dizemos que ele nasceu com uma pequena carga elétrica NEGATIVA, que chamaremos de – q. Quando ele expeliu o elétron, este tinha três vezes mais eletricidade negativa que o quark d: –3q. Se o quark d tinha –q com uma partícula de – 3q no seu interior, significa que existia outra partícula com +2q. Como o neutrino nasceu eletricamente neutro, daí o seu nome, o quark u nasceu com uma carga elétrica POSITIVA de +2q. O nome Up significa “acima” do zero (positivo) e o nome Donw significa “abaixo” do zero (negativo). O Arquiteto criou a carga elétrica para que uma terceira força-filha se manifestasse: a FORÇA ELÉTRICA. Essas marcas da eletricidade (carga elétrica) permitiram selecionar o que sofreria atração elétrica e o que sofreria repulsão elétrica, visto que a força elétrica obedecia a uma lei incorruptível:

Partículas que possuem cargas elétricas iguais se repelem e as que possuem cargas elétricas diferentes se atraem.

Você pode estar pensando que o próximo processo seria os elétrons (negativos) se unirem aos quarks u (positivos) através da força elétrica. Entretanto, a força elétrica não era tão forte para promover essa união já que o Universo estava muito quente, logo, as partículas estavam muito agitadas.

Os elétrons eram estáveis, mas, a força nuclear fraca não seria capaz de estabilizar os quarks u por muito tempo. Nesse momento entra em ação a FORÇA NUCLEAR FORTE, a maior de todas as forças da natureza. O Arquiteto planejou para ela se manifestar apenas na presença de quarks u e quarks d. Sua função é unir quarks diferentes. Entretanto, só conseguia força suficiente para estabilizar a matéria, em aglomerados com dois quarks iguais unidos a um quark diferente. Os aglomerados de quarks formados são chamados de NEUTRONS (n) e PRÓTONS (p), formados a menos de 1s do Big Bang.

Se um nêutron possui dois quarks d e um quark u, sua carga elétrica é nula: (–q)+(–q)+(+2q)= 0. Por ser eletricamente neutro, ele ganhou o nome nêutron. Já o próton, formado por dois quarks u e um quark d, tem uma carga elétrica exatamente oposta ao elétron: (+2q)+(+2q)+(–q) = +3q. O próton, o elétron e o nêutron serão as partículas estáveis que formaram todos os corpos do Universo. Por isso elas são chamadas de PARTÍCULAS ELEMENTARES. O arquiteto planejou para que elas se diferenciassem eletricamente sendo duas com o mesmo poder elétrico, mas, naturezas diferentes, e uma sem a eletricidade. Por uma questão histórica, costuma-se adotar a intensidade da carga elétrica do próton ou do elétron como referência chamando-a de CARGA ELEMENTAR (e).

A força nuclear forte era tão forte que os prótons e os nêutrons passaram a se atrair quando chegavam próximos uns dos outros, ou seja, quarks que pertenciam a aglomerados vizinhos ainda trocavam forte de atração. Entretanto, o universo bebe ainda era muito quente, ou seja, os prótons e nêutrons estavam muito agitados para que a força nuclear forte os unisse. À medida que o tempo passou, o Universo ficou mais frio e as partículas se acalmaram mais. Passado 3 minutos, com o universo do tamanho do sistema solar, a temperatura do Universo já tinha reduziu o suficiente para que a força nuclear forte unissem prótons a nêutrons formando os primeiros NÚCLEOS ATÔMICOS.

É claro que a aproximação de prótons gerava uma força elétrica repulsiva que representava uma oposição à formação dos núcleos atômicos. Por isso, só formaram núcleos atômicos com um ou dois prótons nesses 3 minutos de vida do Universo. A força fraca e a forte são chamadas de nucleares porque elas são as responsáveis pela formação e manutenção dos núcleos atômicos.

u

d

Próton: +e

d

u

Nêutron: 0

AS PARTÍCULAS ELEMENTARES

u

elétron: – e

d

u

d

FeleFele

Fele

Fforte

Fforte

Fforte

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Cerca de 75% dos núcleos atômicos do Universo tinham um próton unido a um, dois ou três nêutrons. Por terem a mesma quantidade de prótons, ou NÚMERO ATÔMICO (Z), dizemos que esses grupamentos pertencem ao mesmo ELEMENTO QUÍMICO que é chamado de HIDROGÊNIO(H), cujo Z = 1. Esses três aglomerados são os ISÓTOPOS do hidrogênio. 25% dos núcleos atômicos continham dois prótons no núcleo. Eles são os isótopos do elemento químico HÉLIO(He), cujo Z = 2. Até hoje, esse percentual não alterou muito.

Foram necessários mais 800.000 anos para o Universo se esfriar ao ponto da força elétrica unir elétrons (negativos) aos núcleos (positivos) de hidrogênio e hélio para formar os ÁTOMOS eletricamente neutros. Essa história será contada com mais detalhes no próximo texto.

Se nada mais acontecesse, o Universo continuaria se expandindo e se esfriando, formado apenas por átomos de hidrogênio e de hélio que não se atraiam mais eletricamente e se espalhavam por uma distância inimaginável. Neste cenário, a FORÇA GRAVITACIONAL, a quarta força-filha da superforça, interferiu. A GRAVIDADE nada mais é que o fenômeno associado a uma força de atração fraquíssima entre massas, entretanto, é uma força que não desaparece se a distância entre as partículas for grande. A 1 metro de distância, um núcleo de hidrogênio não atrai mais outro núcleo de hidrogênio através da força forte, pois ela some com o afastamento entre essas partículas, mas a gravitacional ainda existe.

Como ela é muito fraca, precisou de muito tempo para produzir efeito significativo. Durante 200 milhões de anos (4% de sua idade atual) gigantescas concentrações de hidrogênio foram se aglomerando formando nuvens de átomos de hidrogênio e hélio cada vez mais densas e quentes. Quando núcleos de hidrogênio ficam tão próximos em um ambiente tão quente, eles colidem e se fundem virando núcleos de hélio. Essas FUSÕES NUCLEARES liberavam muita energia em forma de luz e calor. Assim, foram formadas a primeira geração de ESTRELAS.

A fusão dos hidrogênios aquecia a estrela e aumentada a quantidade de hélio. Sob essas condições, surgia uma nova fusão, agora entre os núcleos de hélio que formaram elementos químicos de maior número atômico. Assim, três núcleos de hélio formam um núcleo de carbono (Z=6); dois núcleos de carbono se juntam para formar magnésio (Z = 12) e assim por diante, formando uma variedade de elementos químicos cada vez mais pesados até chegar ao núcleo de ferro (Z = 26). Os nêutrons e prótons do ferro estão tão bem ligados que mesmo sob as condições do centro das primeiras estrelas, eles não se fundem.

Quando vai terminando o combustível dessas estrelas, ele queima mais rápido, liberando uma gigantesca quantidade de energia em forma de explosão, o que libera, por todo o espaço em forma de POEIRA CÓSMICA, os novos elementos formados nas estrelas. Assim, nasceram e se espalharam os elementos químicos mais leves. Depois da primeira geração de estrelas, a poeira cósmica ficou mais pesada, pois apareceram elementos mais pesados que o hidrogênio. A maior atração gravitacional fez surgir estrelas com mais massa e, consequentemente, gerando uma explosão muito maior ao morrer. Esses eventos são chamados de SUPER NOVAS.

Pn

nn

n

nn

Pn

nn

P

n

nn

n

nn

P n

nn

P

Pn

nn

P

n

nn

n

nn

Isótopos de hidrogênio Isótopos de hélio

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Se o Sol tivesse 4 vezes mais massa iria gerar uma super nova quando morresse, daqui a 6,5 bilhões de anos. Os elementos mais pesados ainda não se formam nos centros dessas gigantescas estrelas. Quando essas explodem, a velocidade que lançam suas camadas internas contra as mais externas gera colisões tão violentas que promovem a fusão nuclear e a produção de núcleos mais pesados que o ferro como ouro (Z=78), cobre (Z=29), prata (Z=47), mercúrio (Z =80), etc.

Parece que o Arquiteto não queria que os núcleos ultrapassassem 92 prótons (urânio), assim, a medida que o tamanho do núcleo aumenta, a força nuclear forte diminui muito enquanto a força elétrica não diminui tanto. O limite natural dos núcleos atômico é o do elemento químico urânio. Todos os outros elementos químicos como número atômico acima do urânio são artificiais e instáveis.

A grande moral da história, é que, de uma forma ou de outra, todos os corpos, inclusive os nossos, são formados por poeira de estrelas que morreram há muito tempo.

Exercícios 01TarefaCrie um desenho ou uma colagem que apresente as interações e os aglomerados que elas formaram. O

esquema mais criativo ficará exposto na sala durante toda a unidade.

Grupo 01: Fixação De VocabulárioNeste texto apresentamos 41 novos vocábulos (palavras em caixa alta, negrito e itálico). As questões a

seguir tentarão te ajudar a fixar o significado a cada um desses termos.

Questão 01 (classificação das ciências)Nossos saberes foram agrupados em 4 áreas do conhecimento: Ciências Naturais (N), Ciências Humanas

(H), Código e Linguagens (CL) e Matemática (M). Identifique a que área pertence as 15 disciplinas que serão oferecidas a vocês no 1º ano do Colégio Oficina:

( ) Geografia ( ) Artes ( ) Sociologia ( ) Filosofia ( ) Biologia

( ) História ( ) Inglês ( ) Literatura ( ) Química ( ) Língua Portuguesa

( ) Física ( ) Espanhol ( ) Redação ( ) Educação Física ( ) Matemática

Questão 02 (símbolos)No texto, dez vocábulos ganharam símbolos próprios: , e, p, H, n, , u, d, Z, He. Tente identificar quais os

símbolos associados aos nove vocábulos abaixo:

a) Próton: ___ d) Quark Down: ___ g) Número atômico: ___

b) Quark Up: ___ e) Nêutron: ___ h) Neutrinos: ___

c) Elétron: ___ f) Carga elementar: ___ i) Hidrogênio: ___

Questão 03 (diferença entre as massas de partículas subatômicas)Esta questão tratará da composição das partículas nucleares sob o olhar de suas massas. Sabendo que a

massa do próton é 99,86% da massa do nêutron e lembrando da constituição dos quarks, preencha os espaços:

1) A diferença entre o nêutron e o próton é apenas em um quark que no nêutron é _____ e no próton é

______ . Como o quark ____ possui mais massa que o quark ____, o neutro possui ________ massa que o próton.

2) De acordo com a informação quantitativa apresentada no enunciado, a massa do neutrino e a do elétron

juntas são ____________________ comparadas à massa do quark u ou do quark d.

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Questão 04 (propriedades das partículas subatômicas)Fomos apresentados a 8 partículas. Identifique suas características com um x dentro das :

Partícula Quanto à carga elétrica Quanto à massa Interage com o outro através da força

Neutrinos positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Quak u positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Quar d positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Elétrons positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Nêutrons positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Prótons positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Núcleos positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Átomos Neutros positiva negativa neutra

é significante é insignificante

elétrica fraca gravitacional forte

Questão 05 (carga elétrica em partículas subatômicas)a) Em três regiões do espaço existiam algumas partículas. Lembrando que a unidade de carga elétrica é

chamada de carga elementar (e), determine a carga elétrica total da região A, da região B e da região C.

b) A região A _________________ (atrai/repele) eletricamente a região B. A região B __________

(atrai/repele) eletricamente a região C. A região A __________ (atrai/repele) eletricamente a região C.

Gravitacionalmente, todas essas regiões se ______________ (atraem/repelem).

Questão 06 (apropriação de vocábulos diversos)1) O nascimento do Universo muitas vezes é chamado de ____________________. Durante o nascimento,

a _________________ conseguiu prender a __________ em pequenas quantidades formando os

________________.

2) Foi o fenômeno das ______________________ que permitiu a produção de elementos químicos com

números atômicos maiores que o do Ferro.

3) Foi a ______________________ que conseguiu transformar a poeira cósmica em estrelas.

4) No átomo existem os prótons, os nêutrons e os elétrons que são chamadas de ______________________

_________________. O que uniu os elétrons ao núcleo foi a ___________________________________.

Região A Região B Região C

n

p

u

d

d

Núcleo de He

u

Núcle

o de H

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Questão 07 (isótopos e elemento químico)a) O elemento químico oxigênio possui três isótopos. Qual a característica desses núcleos atômicos que

determinam que eles pertencem ao mesmo elemento químico? ________________________________________

___________________________________________________________________________________________.

b) Defina com as suas palavras o significado de isótopos de um elemento químico: __________________

___________________________________________________________________________________________

c) NÚMERO DE MASSA (A) é a soma da quantidade de prótons com a quantidade de nêutrons de um

núcleo atômico. Desenhe um isótopo do hidrogênio e um isótopo de hélio que tenham o mesmo A.

Grupo 02: Desenvolvimento de Habilidades MatemáticasAs questões a seguir servirão para você treinar a relação entre número atômico e número de massa,

vinculando-as ao conceito de elemento químico e seus isótopos.

Questão 08 Atualmente ainda existem núcleos instáveis que emitem naturalmente partículas e energia na busca de uma

estabilidade energética. Essas substâncias são chamadas de SUBSTÂNCIAS RADIOATIVAS. Existem dezenas de substâncias radioativas. Vamos conhecer os dois processos que elas sofrem para ganhar mais estabilidade.

Ao lado você observa um corpo cujos núcleos dos seus átomos pertencem, em sua maioria, ao elemento químico plutônio (Z=94). Neste caso é o isótopo plutônio-244, o que significa possuir no núcleo com A = 244. Este núcleo possui muita força elétrica de repulsão, por isso é muito instável. Um mecanismo que o núcleo se utiliza para conseguir mais estabilidade é reduzir a quantidade de força elétrica emitindo uma PARTÍCULA ALFA que é um núcleo de hélio com dois nêutrons. Chamamos tal processo de DECAIMENTO ALFA. É o que acontece com o plutônio-244.

Depois de emitir a partícula alfa, o núcleo atômico pertencerá a outro elemento químico chamado de urânio. Entretanto, esse material decai muito lentamente, precisando de 80 milhões de anos para metade dele se transformar em uranio. Responda:

a) Quantos nêutrons existem no interior do núcleo do plutônio-244?

b) Quantos prótons existem no núcleo do elemento químico urânio?

c) Usando o mesmo critério do nome “plutônio-A”, como devemos chamar o isótopo de urânio formado pelo decaimento alfa tratado na questão?

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Questão 09O homem produz artificialmente material radioativo para usar principalmente em

exames médicos e tratamento contra câncer (radioterapia). Um exemplo disso é o césio-137. O césio (55p) que encontramos na natureza (césio-133) possui 78 nêutrons e é estável. Já com 82 nêutrons fica instável, levando apenas 30 anos para que metade se transforme em um isótopo estável do bário. Em 1987, em Goiânia, o Brasil teve a infeliz oportunidade de sentir os efeitos da radiação no ser humano quando apenas 20g deste material matou 600 pessoas e gerou 6.000 toneladas de material contaminado.

A intensidade da força nuclear forte depende de um certo equilíbrio entre a quantidade de nêutrons e de prótons revelado pela Física Quântica. Em alguns núcleos instáveis, se aumentarmos o número de prótons e diminuirmos o número de nêutrons, mesmo que aumente a força elétrica de repulsão, a força nuclear forte aumenta mais, aumentando também a estabilidade. Este é o caso do césio-137. Isso é possível através de outro tipo de decaimento nuclear natural. Nesses casos, em um nêutron dentro do núcleo do césio-137 ocorre o decaimento beta como estudamos no texto e em sala. Lembra?

Após analisar o que o decaimento beta produzirá no nêutron que decairá, determine quantos prótons e nêutrons existem no núcleo do isótopo do bário que resulta dessa transformação nuclear.

Questão 10 As estrelas foram o berço da maioria dos 92 elementos químicos produzidos naturalmente. Lá ocorre a

fusão nuclear como as apresentadas abaixo. Determine o número atômico e o número de massa dos elementos que são gerados em cada uma dessas reações nucleares de fusão:

a) prótio + trítio = Z = A =

b) hélio-4 + hélio-4 = berílio Z = A =

c) berílio + hélio-4 = carbono Z = A =

d) carbono + hélio-4 = oxigênio Z = A =

e) oxigênio + trítio = flúor Z = A =OBS.: Os isótopos do hidrogênio ganharam nomes específicos: PRÓTIO quando possui um nêutron;

DEUTÉRIO quando possui dois nêutrons e TRITIO quando possui três nêutrons.

Questão 11 A fusão nuclear é uma energia limpa, pois ela não gera lixo radioativo, tão

prejudicial ao homem. Infelizmente, os reatores nucleares ainda não trabalham com a fusão nuclear. Nos reatores, a reação nuclear começa emitindo um nêutron em direção ao núcleo instável como o urânio-235. A colisão promove a FISSÃO NUCLEAR, ou seja, o urânio-235 se divide em estrôncio-95, xenônio-139, 2 nêutrons e muita energia térmica. Os dois nêutrons liberados reproduzirão o processo em outros átomos de urânio-235, gerando uma reação em cadeia.

O problema é que os dois elementos gerados são altamente radioativos (lixo nuclear). Infelizmente, a fusão nuclear só pode acontecer em altíssima temperatura como no interior das estrelas ou em explosões atômicas, devido à repulsão elétrica. Ainda não conseguimos produzir a FUSÃO A FRIO, ou seja, uma fusão nuclear com temperaturas menores.

Se o urânio-238 possui 92 prótons e o estrôncio-88 (estável) possui 50 nêutrons, determine a quantidade de prótons e nêutrons do xenônio-133 (estável).

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2. A Eletrosfera e a formação de Substâncias

Como vimos no texto anterior, após uma expansão de cerca de mais de 800.000 anos, o Universo atingiu uma temperatura menor que permitiu a interação entre partículas como os elétrons (carga elétrica negativa) aos prótons (carga elétrica positiva) concentrados em um núcleo para formar os ÁTOMOS eletricamente neutros. Para um átomo ser eletricamente neutro o número de prótons deve ser igual ao número de elétrons, pois, assim cada carga positiva é anulada por uma carga negativa.

Observe na figura anterior os valores de temperatura e os eventos correspondentes. Qual a relação existente?

Os primeiros átomos só se combinaram depois de 800 mil anos após a explosão quando a energia do Universo já havia diminuído bastante. Pode-se concluir que os átomos se ligam com o objetivo de se tornarem mais estáveis, ou seja, com menor conteúdo de energia.

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ENERGIA

ESTABILIDADE

Átomos isolados

Átomos ligados

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Como ocorrem as ligações entre os átomos? No século XIX acreditava-se que as menores partículas da matéria eram os átomos. Porém com o século XX, o avanço das ciências e tecnologia tornou possível a descoberta de várias partículas subatômicas já citadas no texto anterior:

A identidade de cada átomo, porém, está ligada ao número de cargas positivas em seu núcleo, o número de prótons, ou seja, seu número atômico. Assim, um átomo que possui dois prótons no seu núcleo é um átomo do elemento hélio (He), se o átomo tiver um próton a mais (Z = 3), é um átomo do elemento Lítio (Li).

Os Alquimistas buscavam a pedra filosofal que seria capaz de realizar a transmutação, ou seja, transformar um elemento químico em outro, especificamente, transformar em ouro.

Inspirada nos Alquimistas, a autora britânica J. K. Rowling criou um mundo fantástico de magia na série Harry Porter. Muitos significados filosóficos aparecem durante a série de livros e filmes de sucesso.

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Mesmo com uma visão mística sobre a natureza, os Alquimistas não sabiam que essa transformação no núcleo atômico já acontecia nas estrelas, como já vimos. O domínio do conhecimento sobre fusão e a fissão nuclear permitiu aos cientistas criar novos elementos químicos.

A quantidade muito grande de elementos químicos que foram sendo descobertos ao longo da história da Ciência, fez com que os cientistas organizassem tais elementos em uma tabela, permitindo uma melhor investigação das propriedades dos elementos e dos compostos formados por estes. A tabela periódica atual foi construída ordenando de forma crescente o número atômico (Z) dos elementos químicos.

A tabela periódica é considerada uma das grandes invenções da humanidade, pois, todos os elementos químicos do Universo conhecido estão classificados, além, de elementos sintetizados em laboratórios especiais. Conhecendo como usar a tabela, você vai poder criar hipóteses fundamentadas para as propriedades dos elementos.

Além do estudo sobre o núcleo atômico, outra região do átomo continua sendo desvendada: a ELETROSFERA. Essa é a região do átomo onde é possível se encontrar os elétrons. Ao longo da história das ciências, vários modelos têm sido propostos para explicar como é a eletrosfera e como se comportam os elétrons. Estudaremos alguns destes modelos. Agora é importante destacar que as interações possíveis entre os átomos ocorrem através dos elétrons e sofre influência de todas as forças presentes no átomo.

Devido a presença de cargas, as propriedades do átomo, incluindo as envolvidas numa ligação, resultam de interações eletrostáticas entre suas partículas. Ou seja, cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem.

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* As m a ssa s a tô m ic a s ind ic a d a s e ntre p a rê nte se s sã o re la tiva s à d o isó to p o m a is e stá ve l.

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IO

DÚBN

IO

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BÓHR

IO

1,008 4,003

39,10 83,8074,92 78,96 79,9072,5969,7244,9640,08 47,88 55,8552,00 58,6950,94 58,9354,94 63,55 65,38

85,47 131,3121,7 127,6 126,9118,7114,888,9187,62 91,22 101,195,94 106, 492,91 102,9(98) 107,9 112,4

132 ,9 (222)209 ,0 (209) (210)207,2204 ,4SÉRIE DO S

LAN TAN ÍD IO S

SÉRIE DO S ACTN ÍD IO S

137,3 178,5 190,2183,8 195,1180,9 192,2186,2 197,0 200 ,6

(223)

138 ,9

(227) 232,0 (231) 238 ,0 (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (260)

140,1 140,9 144,2 (145) 150,4 152,0 157,3 158,9 162,5 164,9 167,3 168,9 173,0 175,0

(226) (261,1) (265)(263,1) (269)(262,1) (266)(262,1)

1 2

19 3633 34 35323120 21 22 2624 2823 2725 29 30

37 5451 52 5350493938 40 4442 4641 4543 47 48

55 8683 84 85828156 72 7674 7873 7775 79 80

87

57

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

88 104 108106 110105 109107

Li N eN O FCBLÍTIO

NEÔN

IO

NITR

OGÊN

IO

OXIG

ÊNIO

FLÚOR

CARB

ONO

BORO

6,941 20,1814,01 16,00 19,0012,0110,81

3 107 8 965

N a ArP S CSiAM gSÓDI

O

ARGÔ

NIO

FÓSF

ORO

ENXO

FRE

CLOR

O

SILÍCI

O

ALUM

ÍNIO

MAG

NÉSIO

23,00 39,9530,97 32,06 35,4528,0826,9824,30

11 1815 16 17141312

BeBERÍL

IO

9,012

4

SÍM BO LO

NOME

DO

ELEM

ENTO

ELÉT

RONS

NAS

CAM

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Ele m e nto s d e Tra nsiç ã o

SÉRIE DO S LAN TANÍDIO S

SÉRIE DO S AC TIN ÍDIO S

C LASSIFIC AÇ ÃO PERIÓ DIC A DO S ELEM EN TO S(c o m m a ssa s a tô m ic a s re fe rid a s a o isó to p o 12 d o c a rb o no )

I

II

III

IV

V

VI

VII

11 A

22 A

33B

44B

55B

66B

77B

8 10 111B

1 22B

1 33A

1 44A

1 55A

1 66A

1 77A

1 88A

98B

(Num e ra ç ã o lUPAC )(Num e ra ç ã o a ntig a )

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As interações, tanto as atrações entre cargas opostas quanto as repulsões entre cargas iguais, são sempre mais intensas quando as cargas são maiores e as distâncias entre elas são menores. As relações entre as cargas e a distância entre elas podem ser constatadas pela Lei de Coulomb: a força sobre uma carga q2 a uma distância r da carga q1 é dada por:

Na equação da Lei de Coulomb, sendo K uma constante, identifique as grandezas diretamente proporcionais e inversamente proporcionais. Estas relações estão presentes nas interações entre as partículas que compõem o átomo e nas interações entre dois ou mais átomos. Em geral, pode-se afirmar que as interações, tanto as atrações entre cargas opostas quanto as repulsões entre cargas iguais, são sempre mais intensas quando as cargas são maiores e as distâncias entre elas são menores.

Da interação ou ligação entre os átomos surgem as substâncias simples e os compostos (ou substancias compostas). Os compostos são substâncias puras constituídos por dois ou mais átomos de um ou mais elementos combinados. São representados por fórmulas químicas.

Exemplos: água – H2O; gás oxigênio – O2; ozônio – O3.

As substancias diferenciam-se das misturas por apresentarem uma relação definida entre seus elementos, sendo, portanto, mais complexos. Como exemplo, o gás oxigênio (O2) e o gás ozônio (O3) que são substâncias diferentes, com propriedades diferentes, apesar de serem constituídos pelo mesmo elemento oxigênio (O), podem formar uma mistura gasosa em diferentes proporções. Assim, teremos uma mistura de proporções indefinidas de dois compostos que possuem uma composição definida.

Através das observações das propriedades das substâncias e do estudo e investigação dos seus componentes, o homem pode associar cada propriedade aos elementos que compõem uma substância, ou um composto, e a forma como estes elementos se encontram ligados.

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Substâncias simples são formadas por átomos do mesmo elemento químico (mesmo número atômico). São aquelas que não formam novas substâncias quando sofrem decomposição.

Exemplos: gás hidrogênio (H2), gás oxigênio (O2), enxofre sólido (S).

Substâncias compostas são formadas por átomos do mais de um elemento químico (diferentes números atômicos). São aquelas que formam novas substâncias quando sofrem decomposição.

Exemplos: água – H2O (pode ser decomposta em gás hidrogênio (H2) e gás oxigênio (O2); cloreto de sódio – NaCl (pode ser decomposta em sódio metálico (Na0) e gás cloro (Cl2).

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Os átomos sempre se ligam para adquirir uma maior estabilidade (menor energia). Em geral, essa estabilidade é adquirida com a transferência total (ligação iônica) ou com compartilhamento (ligação covalente) dos elétrons da camada de valência.

Na ligação iônica as forças eletrostáticas atraem as partículas com cargas elétricas opostas. A ligação iônica é formada pela transferência de um mais elétrons, de um átomo para o outro, para produzir íons.

Ao contrário da ligação iônica, a transferência total dos elétron não acontece na ligação covalente, pois, resulta do compartilhamento dos elétrons envolvidos, e estes ficam sob influência dos dois núcleos envolvidos na ligação.

A estabilidade da ligação covalente pode ser atribuída a atração entre os elétrons e os dois núcleos, durante o compartilhamento. Porém, há, ao mesmo tempo, uma repulsão entre os dois núcleos e entre as nuvens de elétrons dos átomos ligados.

De acordo com o tipo de ligação entre os elementos de um composto podemos classificá-los em:

Observação: a quantidade de átomos em um metal depende do tamanho do metal, por isso, a representação inicialmente sugerida para um composto metálico como o ferro era: Fe∞ (infinito). Atualmente, basta o símbolo do elemento para representar o metal.

Veja na tabela a seguir como o tipo de ligação química pode ser relacionada às propriedades dos sólidos.

Ligações e Propriedades dos SólidosTipo de sólido IÔNICO MOLECULAR COVALENTE METÁLICOUnidades do

retículo Cátions e anions Moléculas Átomos Íons positivos

Tipo de ligação

intermolecular

Iônicas – atração eletrostática

Dipolo – dipolo; Forças de London Covalente

Atração entre o gás de elétrons e os íons

positivos

Dureza Razoavelmente Duro, quebradiço Mole Muito duro Mole a duro

P. F. Razoavelmente Alto Baixo Muito baixo Médio a alto

Condutividade Baixa Baixa Baixa Boa a ótimaExemplo MgCl2 I2 C (diamante) Na (sódio metálico)

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Íons são átomos ou grupos de átomos ligados que perderam ou ganharam um ou mais elétrons. A diferença entre as cargas positivas e negativas dos íons resulta na caga do íon,

resultando em: Cátions – íons positivos Anions – íons negativos

Iônicos – quando o tipo de ligação envolvida é iônica, o que ocorre entre metais e ametais. Exemplo: NaCl (sal de cozinha); Moleculares – o tipo de ligação predominante é a ligação covalente. Exemplo: HCl (ácido clorídrico), O2 (gás oxigeno), H2O (água).Metálicos – os elementos se unem através de ligações chamadas metálicas para formarem os compostos. Ocorre entre os elementos metálicos da tabela periódica. Exemplo: Fe (Ferro), Ag (prata), Au (ouro), Cu (cobre).

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A próxima tabela permite termos uma noção da importância do estudo dos elementos químicos e das substâncias:

Elementos Químicos Encontrados no Corpo Humano

Elemento QuímicoPercentagem

da massa corporal total

Observações

Oxigênio (O) 65,0Constituinte da água e das moléculas orgânicas; necessário para a respiração celular, portanto, a produção de energia para as células.

Carbono (C) 18,5 Encontrado em toda molécula orgânica

Hidrogênio (H) 9,5 Constituinte da água, de todos os alimentos e da maioria das moléculas orgânicas.

Nitrogênio (N) 3,2 Constituinte de todas as proteínas e ácidos nucleícos (DNA e RNA)

Cálcio (Ca) 1,5 Presente nos ossos e dentes; necessário a muitos processos como a coagulação sangüínea e a contração muscular.

Fósforo (P) 1,0Componente de muitas proteínas, ácidos nucleícos e trifosfato de adenosina (ATP); necessário para a estrutura normal de ossos e dentes.

Potássio (K) 0,4É o cátion (K+) mais abundante dentro das células; importante na condução de impulsos nervosos e contração muscular.

Enxofre (S) 0,3 Componente de muitas proteínas

Sódio (Na) 0,2É o cátion (Na+) mais abundante fora das células; essencial no sangue para manter o equilíbrio de água; necessário para a condução de impulsos nervosos e contração muscular.

Cloro (Cl) 0,2É o anion mais abundante (partícula negativamente carregada, Cl-) fora das células; essencial no sangue e no fluxo intersticial para manter o equilíbrio de água.

Magnésio (Mg) 0,1 Necessário para muitas enzimas funcionarem apropriadamente

Iodo (I) 0,1 Vital à produção de hormônios pela glândula tireóide.

Ferro (Fe) 0,1Os cátions (Fe2+ e Fe3+) são componentes da hemoglobina (proteína fixadora de oxigênio no sangue) e de algumas enzimas necessárias par a produção de ATP.

Fonte: http://www.corpohumano.hpg.ig.com.br/generalidades/quimica/quimica_05.html

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3. O Sistema Solar, o Planeta Terra e os Estados FísicosVocê já brincou de rodar segurando uma criança? Percebe que ela se mantem em um movimento

circular se você continuar mantendo sua rapidez e força. O mesmo acontece com os planetas, ao se movimentar em torno do Sol. O corpo sempre deseja manter a sua rapidez e seguir em linha reta mantendo a direção do seu movimento (LEI DA INÉRCIA). A força que fazemos na criança ou a que o Sol aplica gravitacionalmente no planeta evita que o corpo siga apenas a vontade inercial. Se a criança tiver muito rápida, você só conseguirá evitar que ela siga em linha reta se aplicar uma força grande. Se ela estiver lenta, você não pode aplicar uma força grande que mudará bruscamente a sua direção, trazendo-a para junto de você. A formação dos planetas do sistema solar tem tudo a ver com isso.

No início, o sistema solar era apenas uma enorme nuvem de poeira cósmica (NEBULOSA) formada por 98% de hidrogênio e hélio. A presença de outros elementos garante que o Sol não é uma estrela da primeira geração. Dizemos que a matéria na nebulosa se encontra no ESTADO FÍSICO GASOSO.

Aos pouco, essa poeira cósmica foi se aglutinando gravitacionalmente para formar o Sol com as suas reações nucleares de fusão, principalmente com o hidrogênio. Mas, 0,14% da massa da nebulosa inicial tinha rapidez compatível com a força gravitacional que o centro da nebulosa (o que vai virar o Sol) para provocar um movimento orbital. Como a criança rodando presa à você, estas partículas passaram a orbitar o Sol e aos poucos foram se aglomerando até formar os PLANETAS, mais ou menos no mesmo tempo que a nebulosa foi se transformando no Sol. Portanto, os planetas e o Sol se formaram na mesma época, a cerca de 4,6 bilhões de anos, 1/3 da idade do Universo.

Os planetas mais próximos do Sol ficaram com elementos químicos mais pesados e os mais afastados são ricos de elementos químicos mais leves. A Terra é composta por 32% de ferro (Z=26) e 30% de oxigênio (Z=8), 15% de magnésio (Z=12) e 14% de enxofre (Z=16). O oxigênio aparece na constituição da água (H2O) com o hidrogênio e das rochas com os outros elementos.

À medida que as partículas foram se aglomerando, ficava mais quente, logo, os planetas foram se formando quente. Entretanto, como os elementos químicos já eram muito pesados e a massa destes astros são menores, nos planetas não ocorre a fusão nuclear como nas estrelas. Entretanto, os corpos quentes tendem a liberar calor e ficar mais frio. O mesmo aconteceu com os planetas, cuja periferia se esfriou mais rápido que o interior.

A diminuição da temperatura permitiu que os aglomerados de átomos se ligassem através das FORÇAS DE LIGAÇÕES QUÍMICAS (forças elétricas entre átomos vizinhos), formando uma estrutura rígida chamada de RETICULADO CRISTALINO, onde cada átomo poderia vibrar confinado em uma pequena região. Neste caso, dizemos que a matéria mudou do estado gasoso para o ESTADO SÓLIDO.

INÉRCIA

Forç

a

INÉRCIA

Força

esfriando

ESTADO SÓLIDOPartículas não podem sair para outros lugares, só podem vibrar.

partículas separadas

ESTADO GASOSO: movimento livre

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Assim, surgiu a camada sólida na superfície da Terra, a CROSTA TERRESTRE. Inicialmente era cheia de vulcões, pontos de ligação entre o interior e o exterior da Terra.

A atividade vulcânica emitiu a grande maioria dos gases que formaram a ATMOSFERA primitiva. Os elementos majoritários eram nitrogênio N2, vapor de água (H2O) e dióxido de carbono CO2. Os componentes minoritários eram Amônia NH3 e Metano CH4.

Como esses gases estavam muito quentes e agitados, eles tenderiam a deixar a Terra se ela não tivesse massa suficiente para gerar uma atração gravitacional que conseguiria segurar estes gases gravitacionalmente e formar a sua atmosfera.

No interior da Terra, a matéria não estava no estado sólido, pois os átomos não conseguiam formar o reticulado cristalino por causa da alta temperatura. Entretanto, a força gravitacional forçava os átomos a se aproximarem. Essa aproximação fazia com que as de atração elétrica entre átomos vizinhos fossem parcialmente ativadas e os átomos não ficassem tão soltos quanto no estado gasoso, podendo se movimentar para todos os lados, mas, sempre próximos uns dos outros. Dizemos que nessa situação, a matéria se encontra no estado físico LÍQUIDO.

Quando a atmosfera se estabeleceu, ela também passou a esfriar mais a suas camadas mais externas que a camadas mais internas. Além disso, o ar também sofre força gravitacional, o que ajuda as moléculas ficarem mais próximas e se transformarem em líquido (LIQUEFAÇÃO ou CONDENSAÇÃO). Isso aconteceu com o vapor de água quando chegavam a camadas mais elevadas e frias. Assim surgiram as chuvas que, no início, viravam vapor quando chegavam nas camadas mais quentes da atmosfera (EBULIÇÃO ou VAPORIZAÇÃO). Entretanto, o vapor quente quando subia liberava calor nas camadas mais altas da atmosfera. As chuvas constantes ajudaram a Terra a se esfriar.

Com o esfriamento da Terra, a água conseguiu chegar até a superfície e formar rios, mares e oceanos. Se a Terra estivesse muito próxima do Sol, o vapor de água não iria se condensar quando chegasse a grandes altitudes, pois essas regiões estariam quentes. Se a Terra tivesse muito distante do sol, ela se esfriaria muito e a água estaria na forma de gelo. Sem água liquida muitas reações químicas não acontecem inclusive as que permitiram a formação da vida. Estávamos na posição certa.

Nos lugares que os raios colares passam de raspão, polo norte e polo sul, a crosta se resfriou o suficiente para que a água passasse do estado líquido para o estado sólido (SOLIDIFICAÇÃO), formando as CALOTAS POLARES. Portanto, a Terra possui água em todos os estados físicos.

Abaixo você possui um quadro com todas as mudanças de estado físico bem como um gráfico que mostra uma característica interessante das mudanças de estado físico: elas ocorrem em uma temperatura constante. Acredito que você saiba que a água congela a 0ºC e ferve a 100ºC. Essas são as temperaturas ou PONTOS de solidificação/fusão e vaporização/liquefação da água, respectivamente. Outras substâncias possui esses pontos em temperaturas diferentes.

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A última característica da Terra primitiva que permitiu o surgimento da vida foi a presença de tempestades elétricas que surgiam com as carregadas nuvens de chuva. Os raios eram constantes em toda a superfície da Terra. O que representaria um perigo eminente para o homem, foi a faísca de energia necessária para a formação dos primeiros compostos orgânicos, os tijolos dos seres vivos.

Exercícios 03Grupo 01: Fixação De VocabulárioNeste texto apresentamos 16 novos vocábulos (palavras em caixa alta, negrito e itálico). As questões a

seguir tentarão te ajudar a fixar o significado a cada um desses termos.

Questão 01 (Inércia)A lua está orbitando a Terra. A Lua não segue em linha reta

porque a Terra está aplicando uma força de atração

__________________ que evita que ela obedeça a sua vontade

_________________. A Lua não cai na Terra porque esta força não é

capaz de mudar bruscamente a ___________________ do movimento

da Lua. Se pudéssemos desligar a força de atração que a Terra exerce

na Lua, a Lua iria _____________________________________ .

Questão 02(Inércia)Uma nave espacial saiu da Terra e foi para o espaço sideral, longe da

influência dos planetas. Se esta nave, quando atingir a velocidade de 300 km/h,

desligar os seus motores, a direção do seu movimento iria ________________

_________________ e sua velocidade iria ________________________

_________________. O que garante isso é a lei ________________________.

Questão 11 (apropriação de vocábulos diversos)Sobre a formação do sistema solar, o Sol e os planetas tiveram origem de uma mesma

_____________________ que é uma imensa nuvem de poeira cósmica. Os astros principais que ficaram orbitando

o Sol são chamados de ________________, mas existem outros como asteroides e cometas. Nós vivemos em um

desses astros sobre a sua ____________________________ solidificada e respirando elementos da

_______________________ .

Questão 03 (Estados Físicos)Lembre do movimento de patinadores em uma pista de patinação, o de abelhas em um colmeia e o de

alunos em uma aula de ginástica com jump. Esses três movimentos se assemelham aos movimentos das partículas em amostras nos três estados físicos. Identifique que estado físico estaria associado a que movimentação abaixo.

________________________ ________________________ ________________________

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Questão 04 (Estados Físicos)1) Uma amostra se apresenta no estado gasoso quando seus átomos estão se movimentando com total

_____________________ de tal forma que não existe a presença da força __________________ entre partículas

vizinhas. A amostra se encontra no estado sólido quando seus átomos formam uma estrutura bem definida

chamada de _______________________________. O estado líquido é um estado intermediário em decorrência da

uma aproximação dos átomos por conta geralmente da __________________. No estado líquido as forças

____________________ estão parcialmente ativadas, impedindo que os átomos se movimentem livremente.

2) Quanto maior a temperatura de uma amostra, existe mais probabilidade dela se encontrar no estado

_________________. Quando menor for a temperatura de uma amostra, existe mais probabilidade dela se

encontrar no estado __________________.

Questão 05 (Mudança de Estado Físico)Cada fotografia representa o momento que já estará ocorrendo a mudança de estado físico ou que

esta mudança estará iminente. Identifique-as colocando os seus nomes nos espaços vazios.

Gelo seco colocado em copo

com água

Chumbo líquido colocado em uma forma ao ar livre.

Iceberg longe da geleira

Gotas de água que se formam no

vidro

Roupa secando no varal Água fervendo

Questão 06 (leitura gráfica e alterações térmicas)Na Antártica, um cientista pegou um pedaço de

gelo colocou dentro de uma panela que estava sobre uma chama. Usando o termômetro, o cientista fez o gráfico ao lado.

a) Qual a temperatura do gelo quando começou a receber calor da chama?b) O processo ____ é a fusão do gelo e o processo _____ é a ebulição da água. c) No processo A, o H2O estava no estado _____________ e aumentando a sua temperatura. No processo

C, o H2O estava no estado _____________ e aumentando a sua temperatura. No processo E, o H2O estava no estado _____________ e aumentando a sua temperatura.

d) No processo _____ , líquido e sólido estão presentes. No processo ___ , líquido e gasoso estão presentes. e) Quando o H2O está mudando de estado, ele não muda de ______________________ .

4. Origem da Vida

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Entre as hipóteses existentes para explicar a origem da vida, aquela mais aceita é a hipótese da origem por evolução química. Essa hipótese foi inicialmente formulada de maneira independente na década de 20 pelos cientistas Oparin e Haldane, e se baseia no surgimento dos seres vivos a partir da matéria inanimada, mais especificamente, a partir de associações moleculares que permitiram a formação de moléculas cada vez complexas e estas, por sua vez, associaram-se culminando na formação dos seres vivos.

Apesar de existirem pequenas diferenças entre as hipóteses desses cientistas, basicamente eles propuseram que os primeiros seres vivos surgiram a partir de moléculas orgânicas que teriam se formado na atmosfera primitiva e depois nos oceanos, a partir de substâncias inorgânicas. Ambos os cientistas acreditam que as condições da Terra antes do surgimento dos seres vivos eram muito diferentes das atuais. As erupções vulcânicas eram bastante freqüentes, liberando grande quantidade de gases e de partículas para a atmosfera. Esses gases e partículas ficaram retidos por ação da força da gravidade e passaram a compor a atmosfera primitiva.

Os autores também compartilhavam a opinião a respeito da constituição da atmosfera primitiva e propuseram que ela era formada principalmente por metano (CH4), amônia (NH3), gás hidrogênio (H2) e vapor d’água (H2O). Nessa época, a Terra continuava o processo de resfriamento, os vapores-d’água condensavam-se originando nuvens, que provocavam chuvas constantes. Isso permitiu o acúmulo da água nas depressões da crosta, formando os mares primitivos.

As descargas elétricas e as radiações e teriam fornecido energia para que algumas moléculas presentes na atmosfera se unissem, dando origem a moléculas maiores e mais complexas: as primeiras moléculas orgânicas. Por não haver a cobertura da camada de ozônio na atmosfera, como existe hoje, as radiações, especialmente, as ultravioletas, atingiam a Terra com grande intensidade.

As moléculas orgânicas formadas eram arrastadas pelas águas das chuvas e passavam a se acumular nos mares primitivos, que eram quentes e rasos. Esse processo repetindo-se ao longo de muitos anos, teria transformado os mares primitivos, em verdadeiras “sopas nutritivas”, ricas em matéria orgânica.

Acredita-se que essas moléculas se agregaram formando COACERVATOS, conjunto de moléculas orgânicas reunidas em grupos, envoltos por moléculas de água. É válido ressaltar que os coacervatos não são considerados seres vivos, e sim, uma forma primitiva de organização de substâncias orgânicas em um sistema

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semi-isolado do ambiente, com possibilidade de realizar trocas com o meio externo, e de manter um meio interno protegido, onde as reações químicas poderiam ocorrer de modo mais controlado. Não se sabe como a primeira célula surgiu, mas acredita-se que, possivelmente, sistemas equivalentes ao coacervato surgiram, envoltos por membrana, e com capacidade de reprodução e regulação das funções internas. Podemos dizer, portanto, que os coacervatos foram um ensaio, um esboço da primeira célula.

A possibilidade de ter ocorrido evolução gradual dos sistemas químicos foi testada pela primeira vez pelo químico norte-americano Stanley Miller. Ele construiu um aparelho que simulava as condições da Terra primitiva e introduziu nele todos os componentes que provavelmente constituíam a atmosfera naquela época: amônia, hidrogênio, metano e vapor d’água.

A água ao ser fervida, transforma-se em vapor e promove a circulação em todo o sistema, em um só sentido. No balão em que se encontra a mistura gasosa ocorrem descargas elétricas, simulando os raios que, na Terra primitiva, deviam ocorrer com freqüência. Após as descargas elétricas os materiais são submetidos a um resfriamento para simular a condensação nas altas camadas da atmosfera, que provoca as chuvas. A parte em U desse sistema simula os mares primitivos, que recebiam as chuvas e os compostos formados na atmosfera. Pela análise da água contida nessa parte em U pode-se verificar a formação das moléculas orgânicas, dentre elas alguns aminoácidos, unidades que formam as proteínas.

Enfim, este resultado demonstrou que as possíveis condições da Terra primitiva eram capazes de produzir algumas das moléculas orgânicas complexas que constituem os seres vivos, o que apóia, sem sombra de dúvidas, a hipótese da origem da vida por evolução química.

5. O Átomo na História

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A partir da idéia inicial de matéria e energia, e do átomo e suas partículas elementares, uma pergunta pode estar no ar: como começou a surgir esse conhecimento?

Vamos começar investigando uma história muito antiga. Desde o aparecimento do homem, as observações das propriedades dos materiais permitiram um acúmulo de conhecimentos empíricos que levaram este homem a questionar a natureza fundamental da matéria, ou o que exatamente era responsável por tais propriedades.

Figura 2: Homo erectus – 600 mil anos. Fonte: http://educadultos.wikispaces.com/Prehistoria+-+im%C3%A1genes.

Figura 3: Evolução da espécie humana. Fonte: http://pomarao.blogspot.com/2009_10_01_archive.html.

Figura 1 : Homo habilis – 3,3 milhões de anos. Fonte: http://www.enciclopedia.com.pt/articles.php?article_id=1321.

Observe as figuras 1, 2 e 3. Nelas podemos constatar que a representação de cada hominídeo apresenta o domínio de um objeto. Qual a relação entre os objetos e a evolução da espécie humana? É possível afirmar que o desenvolvimento do homem depende das descobertas de novos materiais e das propriedades da matéria?

A observação da Natureza pode ser considerada a primeira forma de aquisição de conhecimento, mas, somente a partir do surgimento da filosofia grega questionou-se de forma mais doutrinária ou estruturada o conhecimento a cerca da natureza da matéria e sua divisibilidade. Os filósofos gregos foram os criadores da concepção atomística da matéria e, ao mesmo tempo, condenaram tal concepção ao abandono por séculos até que ressurgiu na Idade Moderna.

PRÉ – HISTÓRIADescoberta do fogo.

Química: como tudo começou?IDADE ANTIGA

Domínio da prata, vidro e outros metais; Conhecimento prático de algumas operações químicas.

IDADE MÉDIASurge a alquimia:Elixir da vida eterna;Pedra filosofal.

IDADE MODERNASurge a química médica;Química como ciência exata.

IDADE CONTEMPORÂNEAGrandes nomes da química;Tabela periódica.

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O conhecimento como doutrina dos filósofos gregos deve-se, segundo Aguillar (1983), a quatro fatores responsáveis pelo desenvolvimento da sua cultura e da sua ciência:

1. uma grande curiosidade intelectual, que os levou a absorver conhecimentos e técnicas de outras culturas mais complexas;2. a ausência de uma organização administrativo-religiosa que impusesse pautas rígidas de comportamento e conduta;3. o pequeno tamanho das cidades-Estados, que facilitava a participação ativa de todos os cidadãos nos assuntos públicos, e sua proximidade física com as técnicas de produção; e4. sua tendências à reflexão e seu aperfeiçoamento à argumentação e a dialética, que os impelia a contrastar as idéias de cada um com as idéias dos demais (AGUILLAR, 1983, apud, CHASSOT, 2004, p. 44)

A filosofia grega é normalmente dividida em três períodos segundo a ordem cronológica e a evolução das idéias:

I. Período pré-socrático (séc. VII-V a.C.) - Problemas cosmológicos. Período Naturalista: o interesse filosófico é voltado para o mundo da natureza;

II. Período socrático (séc. IV a.C.) - Problemas metafísicos1. Período Sistemático ou Antropológico: o período mais importante da história do pensamento grego (Sócrates, Platão, Aristóteles), em que o interesse pela natureza é integrado com o interesse pelo espírito e são construídos os maiores sistemas filosóficos, culminando com Aristóteles;

III. Período pós-socrático (séc. IV a.C. - VI p.C.) - Problemas morais. Período Ético: em que o interesse filosófico é voltado para os problemas morais, decaindo, entretanto a metafísica;

Existe apenas um bem, o saber, e apenas um mal, a ignorância.

Sócrates

Figura 4: A morte de Sócrates. Obra de Jacques-Louis David (1787).Fonte: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jacques-Louis_David_-_The_Death_of_Socrates_-_WGA6058.jpg .

Essa subdivisão expressa à característica fundamental do pensamento grego: o dualismo, caracterizado pelo problema metafísico e o problema teológico.

Os filósofos pré-socráticos tentaram resolver o problema metafísico buscando um único elemento primordial do Universal que fosse a causa material do fenômeno do ser. Logo, tal elemento primordial não poderia sofrer transmutações. Assim, Tales de Mileto (624-546 a.C.) considerou a água como este elemento. Seu discípulo, Anaximandro (610 – 547 a. C.), propôs que a água não poderia ser tal elemento devido a possibilidade

1 A metafísica (do grego antigo μετα [metà] = depois de, além de; e Φυσις [physis] = natureza ou física) é uma das disciplinas fundamentais da filosofia. Os sistemas metafísicos, em sua forma clássica, tratam de problemas centrais da filosofia teórica: são tentativas de descrever os fundamentos, as condições, as leis, a estrutura básica, as causas ou princípios primeiros, bem como o sentido e a finalidade da realidade como um todo ou dos seres em geral.

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de transmutações como a neve, concebendo, então, uma substância indeterminada, ou ilimitada, o “ apeiron”2. Para Anaxímenes de Mileto (570-500 a.C.) o ar (o pneuma apeiron) seria o tal elemento primordial até para a própria água a que se transformaria por compressão. Xenófones da Jônia (570-460 a.C.) concebeu a terra a matéria prima do Universo.

Até o século V a. C. duas concepções se opunham na filosofia grega: a de Heráclito de Éfeso e a de Parmênides. Heráclito afirmava ser o fogo o princípio universal responsável pelo contínuo fluxo e permanente mudança de todas as coisas. Concebeu a matéria como resultante da interação de opostos formando uma unidade, o Logos.

Segundo Parmênides de Eléia (ou Ekéia), havia uma substância indestrutível como sujeito de propriedades diversas, a qual denominou de SER e a considerou como único e invariável. Chamou de ilusões dos sentidos a percepção das mudanças, pois, as considerava impossíveis.

Você pode perceber então um contraste entre as duas concepções. Heráclito traz a ideia de um eterno “vir a ser” e Parmênides, por sua vez, a idéia de um “Ser imutável”.

Figura 5: Heráclito de Éfeso, nascido por volta de 540 a.C.. Fonte: http://www.brasilescola.com/filosofia/heraclito.htm

Na tentativa de conciliar as concepções opostas de Heráclito e Parmênides, os filósofos gregos estabeleceram como ponto de partida um pressuposto: “o Ser acha-se manifesto em determinadas substâncias invariáveis, cuja mistura e separação dá origem as mudanças do mundo”. Em outras palavras, a matéria, em uma visão macroscópica, não seria só formada por um único elemento, mas haveria um constituinte no âmbito microscópico que comporia o elemento e é a mudança da composição (mistura e separação) que resulta em todas as variações da matéria (ARAUJO, 2002).

Dessa tentativa de conciliação surge com Leucipo de Mileto (figura 7) uma visão pela qual todas as coisas no Universo, considerado por ele infinito e composto de uma parte cheia e outra vazia, são formadas por um único tipo de partícula fundamental, eterna, imperecível e indivisível que se movimentava no vazio de forma giratória segundo a razão e a necessidade.

Figura 7 :Leucipo de Mileto (460-380 a.C.). Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Leucipo.

Entretanto, foi Demócrito (479 – a 380 a.C.) que chamou a partícula fundamental de Leucipo de átomo. A palavra “átomo” tem origem do grego e significa “sem divisão”.

Os átomos só poderiam ser percebidos pela razão devido ao seu tamanho infinitamente pequeno e diferiam uns dos outros pela sua forma e posição no vazio, o que explicaria as diversas propriedades das substâncias.

Algumas características do atomismo de Demócrito (figura 8):

Não há senão átomos e vazios; Os mundos são infinitos;

2 O apeíron: substância eterna, indestrutível, infinita, dotada de movimento e invisível. (CHASSOT, 2004, p.40)

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Figura 6: Parmênides. Fonte:http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Parmenides.jpg

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Um vórtice cósmico seleciona os átomos segundo a grandeza, originando os quatro elementos; Todas as coisas são combinações de átomos; Também a alma e os corpos celestes são combinações de átomos; A diferente combinação de átomos explica todos os fenômenos; As qualidades sensíveis são aparentes; Não há senão átomos e vazio, portanto, as percepções também são combinações de átomos; O átomo não tem qualidades sensíveis, perceptíveis somente nos compostos; O átomo jamais sofre qualquer tipo de modificação; O átomo não sente os efeitos do ambiente em que se encontra (NICOLA, 2005)

A partir das características citadas, reflita:

Qual a concepção que você tem sobre o átomo? Quais das características citadas concordam com o que você sabe sobre átomo?

Analise sua concepção diante da descrição atribuída a Demócrito.

Como podemos perceber, não só o material estava vinculado a concepção atomística de mundo. O campo da percepção também era explicado por Demócrito como sendo proveniente da interação do átomo com o homem.

Por convenção existe o doce, [ e ] por convenção o amargo, por convenção o quente, por convenção o frio, por convenção a cor; na realidade, porém, átomos e vazio. (Sexto Empírico, “Contra os Matemáticos”, VII, 135 ; DK 68 A 9, apud, ARAUJO, 2002).

No atomismo de Demócrito a percepção das imagens só é possível porque os átomos do objeto saem deste e chocam-se contra o olho de quem observa o objeto. Aqui temos outro ponto intrigante, as cores que vemos são resultados da parte da energia refletida após a interação da luz com a matéria. O conceito de decomposição do espectro da luz surge somente com Newton no século XVII e as ideias sobre a interação da luz com a matéria são consolidadas com a física quântica e as ideias de Einstein, século XIX.

Gregory Vlastos (1945) considera a felicidade nos termos atomísticos ao colocá-la como resultado de certa configuração de “átomos da alma”(!). Para os atomistas existiam átomos que formavam a alma e seriam responsáveis, através de mudanças na forma ou na sua arrumação, pelas ações positivas ou negativas oriundas de estímulos como, por exemplo, a comoção. O rearranjo dos átomos no vazio é responsável pela determinação da realidade da sensação e do pensamento. Este último é resultante do choque entre os átomos dos objetos e os átomos da alma. O conhecimento válido é o que percebe que a realidade é constituída por átomos e vazios, ou seja, o conhecimento sensível.

E assim, excluem ao mesmo tempo os aspectos teológicos e a concepção do acaso como causa de todas as coisas. A concepção atomística e sua base fundamentalmente materialista reduziram o Ser, portanto, a atividade prática e a esfera dos valores dos limites do átomo e do vazio.

Chassot, ao citar novamente Aguilar, revela as duas razões que restringiram a aceitação do atomismo grego:o seu materialismo total sem lugar para os valores espirituais e a impossibilidade de se obter conclusões verificáveis pela experimentação apesar de proporcionar explicações para cada caso, como por exemplo, as queimaduras que são dolorosas porque “os átomos de fogo são duros e espinhosos” (CHASSOT, 2004. p.44).

No período socrático, o retorno do interesse pelo espírito, pelo dualismo, encerrou as concepções atomísticas ao período anterior durante muitos séculos. A concepção que determinou a constituição de todas as coisas do Universo foi a dos quatro elementos: terra, ar, água e fogo. Foi Empédocles (490 – 435 a. C.) que primeiro concebeu o Universo como resultado da interação dos quatro elementos fundamentais e indestrutíveis.

Sócrates (470 – 431 a. C.) e seu mais importante discípulo, Platão (c. 427 – 348 ou 347 a.C.) não explicaram a matéria através dos átomos, sendo que Platão chegou até mesmo a condenar a experimentação como algo ruim.

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Figura 8 – Demócrito. Fonte: http://www.filosofia.com.br/historia_show.php?id=19. Acesso em 29/08/2010.

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Figura 9: Sócrates. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3crates.

Aristóteles (382 – 322 a. C.), importante filósofo que concebia a verdade no mundo empírico, também discordou do atomismo e retomou as ideias de Empédocles, mas, acrescentou um quinto elemento constituinte dos corpos celestes: o éter. Suas doutrinas passaram a ser aceitas sem restrições durante mais de um século e estava baseada em uma concepção da matéria contínua. A matéria poderia ser transformada em outra a partir da mudança das qualidades primárias: frio, quente, úmido e seco.

Figura 11: Busto de Aristóteles no Museu do Louvre. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Arist%C3%B3teles.

Por vários séculos as concepções sobre os átomos apareciam de maneira esporádica e imprecisa, principalmente, enquanto durou o predomínio da filosofia cristã sobre o conhecimento científico, passando pela alquimia já na Idade Média e a Renascença. Como exemplo de atomistas anteriores a Idade Moderna, pode-se citar, o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) que falou da corporeidade dos átomos em seu livro Das revoluções dos Corpos Celestes; e o físico e astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1642), considerou que os átomos ígneos (do calor) eram menos rápidos e, portanto, menos penetrantes do que os átomos luminosos (da luz).

Também o filósofo e matemático francês Pierre Gassendi (1592-1655) propôs a idéia de que o átomo era uma parte real, porém invisível e indivisível da matéria, ao fazer pela primeira vez a distinção entre átomo e molécula (diminutivo da palavra latina 'moles', que significa massa ou quantidade de matéria). Gassendi foi aceito e divulgado na Inglaterra, influenciando o físico e químico inglês Robert Boyle (1627-1691) e seu assistente, o físico inglês Robert Hooke (1635-1703).

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Figura 10 : Platão, em detalhe da Escola de Atenas, de Rafael Sanzio (c. 1510). Stanza della Segnatura. Palácio Apostólico, Vaticano. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Plat%C3%A3o.

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Figura 12: Robert Boyle. Fonte: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/76496/Robert-Boyle.

Outro inglês a defender e a expor as idéias atomísticas, foi o físico e matemático Isaac Newton (1642-1727) em seu livro Óptica. Entretanto, foi em 1803 que foi retomada a antiga idéia de átomo (figura 15) pelo químico inglês John Dalton (1766 – 1844).

Figura 14. Dalton. Fonte: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/150287/John-Dalton.

Dalton estabeleceu postulados com base na indestrutibilidade de minúsculas partículas que compunham a matéria: o átomo. Os “átomos simples” seriam indivisíveis e existiriam “átomos compostos” capazes de se decompor nos primeiros. Com apenas uma idéia, a existência do átomo, Dalton foi capaz de explicar todas as leis ponderais3 que regiam as transformações químicas. Para Dalton, cada elemento consistia em seu próprio tipo de átomos, cada qual com tamanho e peso característicos (idéia de peso atômico) e, ainda que ao houvesse tecnologia na época para obtenção de resultados experimentais, supôs que os compostos tivessem a composição constante devido à combinação de um número constante de átomos.

3 As leis ponderais são generalizações que ocorrem sem restrições referentes à massa das substâncias participantes de uma reação. FONSECA, Martha R. M da. Interatividade Química: cidadania, participação e transformação. volume único.São Paulo: FTD. 2003. p. 52.

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Figura 13: Robert Hooke. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Hooke.

Figura 15 - Modelo atômico de Dalton.Dalton, no séc. XIX, retomou a ideia dos átomos como constituintes básicos da matéria. Para ele os átomos seriam partículas pequenas, indivisíveis e indestrutíveis. Cada elemento químico seria constituído por um tipo de átomos iguais entre si. Quando combinados, os átomos dos vários elementos formariam compostos novos. Fonte: http://www.fisicaequimica.net/atomo/historia.htm.

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Os modelos atômicos que sucederam ao modelo de Dalton consistem, na verdade, em modelos aperfeiçoados de acordo com evidências experimentais obtidas a partir do avanço tecnológico da época. Como exemplo, no final do século XIX e início do século XX, descobertas científicas importantes como os elétrons, a natureza da luz, o eletromagnetismo e a radioatividade propiciaram aos cientistas novos conhecimentos que não permitiam mais a explicação da constituição da matéria a partir de átomos maciços e indivisíveis. Surgiram então, o modelo atômico de Thomson (1897), de Rutherford (1911), o modelo de Bohr (1913) e o de Sommerfeld (1915).

Você provavelmente já ouviu falar do modelo “pudim de passas” de J. J. Thomsom (figura 16). Os livros didáticos de nível médio costumam citar esse como o primeiro modelo que indica a existência de partículas sub-atômicas (as cargas negativas).

Em 1902, o primeiro modelo de átomo que leva em consideração a existência de prótons e elétrons é proposto pelo irlandês William Thomson Kelvin, conhecido como lord Kelvin. Nesse modelo, o átomo é constituído de uma esfera de uma substância com carga positiva uniforme, cujo raio é da ordem de 10 -10m, na qual estavam imersos os elétrons, de tal forma que ele era eletricamente neutro. Lord Kelvin concluiu que o átomo tornava-se estável quando ele continha de um a seis elétrons, conforme figura 17 (CRUZ; CHAMIZO; GARRITZ, 1991).

Z = 1 Z = 2 Z = 3 Z = 4 Z = 5 Z = 6

Figura 17. Modelo de Kelvin - com a disposição eletrônica mais estável para os primeiros seis átomos (adaptada de Cruz; Chamizo; Garritz, 1991, p. 125).

Em 1904, novamente o inglês J. J. Thomson propõe outro modelo, mostrado na figura 18, porém não faz referência a lord Kelvin e o estende em 1907 para átomos com mais de seis elétrons (ibid.).

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Figura 16 - Modelo atômico de Thomsom. Fonte: http://rived.mec.gov.br/atividades/quimica/estruturaatomica/atividade3/atividade3.htm.

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Figura 18. Modelo de Thomson para um átomo com 20 eletrons. (adaptada de Cruz; Chamizo; Garritz, 1991, p. 126).

Já no modelo de Rutherford (figura 19) havia a comprovação experimental da existência de partículas subatômicas, eliminando o caráter indivisível do átomo.

Figura 19: Modelo atômico de Rutherford 4- Fonte: http://www.fisicaequimica.net/atomo/historia.htm. Acesso em 28/08/2010.

Sugestão de Atividade:Visualize a representação do experimento de Rutherford disponível em:http://www.youtube.com/watch?v=CYHpNCdsU2A. A partir dos fenômenos representados faça uma relação com o modelo proposto por Rutherford e destaque quais características do experimento contrariam o modelo atômico anterior de Thomsom.

4 Rutherford (1871-1937) demonstrou que a maior parte do átomo era espaço vazio, estando a carga positiva localizada no núcleo (ponto central do átomo), tendo este a maior parte da massa do átomo. Os elétrons estariam a girar em torno do núcleo. Rutherford também descobriu a existência dos protóns, as partículas com carga positiva que se encontram no núcleo. Este modelo não explica porque é que os elétrons não caem no núcleo, devido à atração que apresentam pelas cargas positivas aí existentes.

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A natureza do átomo, descrita atualmente pela Física quântica, não permite a sua observação sem considerar o envolvimento do observador. Objeto e observador se influenciam mutuamente, chegando mesmo a interferência no comportamento das partículas subatômicas seja qual for o método de investigação. E é o observador quem define as propriedades observáveis e nas palavras de Heisenberg “o que observamos não é a natureza propriamente dita, mas a natureza exposta ao nosso método de questionamento” (HEISENBERG, apud, CAPRA, 1983, p.110).

Perceba que o foco nos resultados experimentais é um retorno à concepção atomística. Não mais a razão ou a fé são provedores do conhecimento e sim a experiência. O empirismo, portanto, foi a possibilidade de conhecimento que determinou a retomada do átomo. Segundo Hessen “o desenvolvimento sistemático do empirismo é obra da Idade Moderna, em especial da filosofia inglesa dos séculos XVII e XVIII”. Não é por acaso que o criador do primeiro modelo atômico é um inglês e propõe o seu modelo atômico no início do século XIX (HESSEN, 1978).

Mesmo com o modelo quântico atual, ainda usa-se o modelo de Dalton, e até mesmo o átomo maciço de Demócrito, ao se explicar algumas propriedades da matéria, como por exemplo, no estudo das transformações de estado dos gases (Figura 20).

Figura 20: Volume x Pressão: A Lei de Boyle. Fonte: http://www.qmc.ufsc.br/quimica/pages/aulas/gas_page2.html.

As relações entre energia e matéria podem ser consideradas a mola propulsora das mudanças de concepções e encontram-se cada vez mais estreitas, sendo, portanto, uma contraposição ao atomismo grego e newtoniano que mantinham a separação entre matéria e energia.

Continue ligado(a) – link da webAssista ao vídeo - A Revolução de Rutherford - Tudo se Transforma, disponível no link: http://homologa.ambiente.educacao.ba.gov.br/conteudos-digitais/conteudo/exibir/id/1371. O vídeo mostra a evolução de modelos atômicos e a importante contribuição de Rutherford para elucidar a estrutura do átomo.

Para chegarmos a um modelo de átomo que ajude a entender a matéria e as suas transformações, bem como as suas relações com a energia, vamos estudar o capítulo 10 do livro de química: Descobrindo a estrutura atômica – pag 120.

Sugestão de Atividade:

Após estudar o capítulo 10 do seu livro de Química, responda os exercícios das páginas 126 a 128.

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