Como funcionam os átomos

 

Já foi dito que, durante o século 20, o homem conquistou o "poder do átomo". Criamos bombas atômicas e geramos eletricidade por meio da energia nuclear. Nós, até mesmo, dividimos o átomo em pedaços menores chamados de partículas subatômicas.
Mas o que é um átomo exatamente? Do que ele é feito? Qual é sua aparência? A busca da estrutura do átomo uniu muitas áreas da química e da física naquela que talvez tenha sido uma das maiores contribuições da ciência moderna.

O modelo mais simples de um átomo

Neste artigo, vamos acompanhar essa fascinante história sobre como descobertas em vários campos da ciência resultaram em nossa visão moderna do átomo. Vamos ver as conseqüências de conhecer a estrutura do átomo e como essa estrutura levará a novas tecnologias.

O que é um átomo? O legado dos tempos antigos através do século XIX

Termos importantes átomo - o menor pedaço de um elemento que mantém suas propriedades químicas composto - substância que pode ser quebrada em elementos por meio de reações químicas elétron - partícula que orbita ao redor do núcleo de um átomo e possui carga negativa (massa = 9,10 x 10-28 gramas) elemento - substância que não pode ser quebrada por reações químicas íon - átomo carregado eletricamente (ou seja, com excesso de carga positiva ou negativa) molécula - menor pedaço de um composto que mantém suas propriedades químicas (feito de dois ou mais átomos) nêutron - partícula sem carga existente no núcleo de um átomo (massa = 1,675 x 10-24 gramas) núcleo - parte central densa de um átomo (feito de prótons e nêutrons) próton - partícula existente no núcleo de um átomo com carga positiva (massa = 1,673 x 10-24 gramas)

A visão moderna de átomo veio de muitos campos da química e da física. A idéia de átomo veio da filosofia/ciência da Grécia antiga e dos resultados da química dos séculos 18 e 19:

• conceito do átomo
• medidas de massa atômica
• relações periódicas ou repetitivas entre os elementos

O conceito de átomoDa Grécia antiga até hoje, sempre imaginamos do que é composta a matéria. Para compreender o problema, aqui vai uma simples demonstração extraída da obra "The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things, 3rd Edition" (A química incomum das coisas comuns, 3ª edição), de Carl H. Snyder:

1. pegue um monte de clipes de papel (todos do mesmo tamanho e cor;
2. divida o monte em dois montes iguais;
3. divida cada um dos montes menores em dois montes iguais;
4. repita o passo anterior até você chegar a um monte com apenas um clipe. Esse clipe ainda funciona como um clipe de papel (ou seja, prende papéis soltos);
5. agora, pegue uma tesoura e corte esse clipe de papel pela metade. A metade do clipe de papel pode fazer o mesmo trabalho que um único clipe de papel inteiro faria?

Se você fizesse o mesmo com qualquer elemento químico, chegaria a uma parte indivisível que tem as mesmas propriedades do elemento, assim como o clipe de papel. Essa parte indivisível é o que chamamos de átomo. A idéia do átomo foi estabelecida pela primeira vez por Demócrito em 530 a.C. Em 1808, um professor e cientista inglês chamado John Dalton propôs a teoria atômica moderna. A teoria atômica moderna afirma simplesmente o seguinte:

• todos os elementos são compostos de átomos - os montes de clipes de papel;
• todos os átomos de um elemento são iguais - todos os clipes de papel no monte têm o mesmo tamanho e a mesma cor;
• os átomos de elementos diferentes são diferentes (tamanho, propriedades) - como clipes de tamanhos e cores diferentes;
• os átomos de diferentes elementos podem se juntar e formar compostos - é possível unir diferentes clipes de diferentes tamanhos e cores para formar novas estruturas;
• nas reações químicas, os átomos não são criados, destruídos ou alterados - não surgem novos clipes de papel, e eles também não desaparecem nem são modificados de um tamanho/cor para outro;
• em qualquer composto, os números e tipos de átomos continuam os mesmos - o número total e os tipos de clipes que você tinha no começo são os mesmos que você vai ter no final;

A teoria atômica de Dalton formou a base da química naquela época. Dalton imaginou os átomos como pequenas esferas com ganchos. Por meio desses ganchos, um átomo poderia se combinar com outro em proporções definidas. Mas alguns elementos poderiam se combinar para criar compostos diferentes (por exemplo, hidrogênio + oxigênio criam água ou peróxido de hidrogênio). Por isso, Dalton não conseguia definir a quantidade de cada átomo nas moléculas de cada substância específica. A água tinha um oxigênio com um hidrogênio ou um oxigênio com dois hidrogênios? Esse problema foi resolvido quando os químicos descobriram como pesar os átomos

Quanto pesam os átomos?

A capacidade de pesar átomos surgiu a partir de uma observação de um químico italiano chamado Amadeo Avogadro. Ele estava trabalhando com gases (nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, cloro) e percebeu que, quando a temperatura e a pressão eram as mesmas, esses gases se combinavam em proporções de volume definidas. Por exemplo:

• um litro de nitrogênio combinado com três litros de hidrogênio para formar amônia (NH₃);
• um litro de hidrogênio combinado com um litro de cloro para formar cloreto de hidrogênio (HCl);

Avogadro disse que, sob a mesma temperatura e pressão, volumes iguais de gases tinham o mesmo número de moléculas. Então, ao pesar os volumes dos gases, ele poderia determinar as proporções das massas atômicas. Por exemplo: um litro de oxigênio pesava 16 vezes mais do que um litro de hidrogênio; assim, um átomo de oxigênio devia ter 16 vezes a massa de um átomo de hidrogênio. Trabalhos desse tipo resultaram em uma escala de massa relativa dos elementos, na qual todos os elementos eram mostrados em relação ao carbono (escolhido como o padrão carbono-12). Após a criação da escala de massas relativas, experimentos posteriores puderam relacionar a massa em gramas de uma substância com o número de átomos, sendo então encontrada uma unidade de massa atômica; 1 uma (ou u) ou Dalton é igual a 1,66 x 10^-24 gramas. Nesse momento, os químicos conheceram as massas atômicas dos elementos e suas propriedades químicas, o que deu origem a um fenômeno fantástico.