Fases e Classificação da Matéria

Estados da matéria

A matéria define-se como tudo o que ocupa espaço e possui massa, encontrando-se em tudo o que nos rodeia. Os sólidos e os líquidos são matéria de forma evidente: podemos observar que ocupam espaço e o seu peso indica-nos que possuem massa. Os gases também são matéria; se os gases não ocupassem espaço, um balão permaneceria murcho em vez de se inflar quando cheio de gás.

Estado Sólido

Para metais como o ouro ou o plutónio, esta rede é tipicamente cristalina, permitindo propriedades como a rigidez, a densidade e a condutividade elétrica. Os níveis de energia são suficientemente baixos para que as ligações atómicas permaneçam intactas e a ordem de longo alcance seja preservada.

Estado Líquido

A estrutura da rede colapsa numa ordem de curto alcance: as partículas reorganizam-se continuamente enquanto permanecem em contacto. Os líquidos fluem, transmitem a pressão de forma eficiente e exibem tensão superficial. Este estado emerge quando a energia térmica supera a rigidez da rede sólida, mas não a coesão entre as partículas.

Estado Gasoso

As forças interatómicas são insignificantes em comparação com a energia cinética. Os gases expandem-se para preencher o espaço disponível, são altamente compressíveis e possuem baixa densidade. Este estado ocorre quando a energia térmica supera totalmente as forças coesivas, permitindo que as partículas se comportem de forma independente.

Estado de Plasma

Ao contrário dos gases comuns, o plasma é eletricamente condutor, emite radiação intensa e responde fortemente a campos eletromagnéticos. O comportamento coletivo domina sobre o movimento individual das partículas. Neste estado, a estrutura química convencional deixa de existir — a matéria é regida principalmente por interações eletromagnéticas e de escala nuclear.

O plasma representa o estado clássico da matéria de maior energia, comummente encontrado em estrelas, relâmpagos e fenómenos astrofísicos ou laboratoriais de alta energia.

Massa e Peso

A matéria sob investigação pode existir como uma assembleia complexa de diversas substâncias. Tais espécimes podem assumir a forma de compostos químicos, soluções homogéneas ou agregados heterogéneos, aparecendo frequentemente como uma coleção de amostras variadas. Quer se observe uma substância singular ou uma mistura multifacetada, as propriedades do objeto de estudo são determinadas tanto pela sua composição química quanto pelo estado físico das suas partes constituintes.

Certas substâncias manifestam características associadas a múltiplos estados da matéria simultaneamente. Este fenómeno é frequentemente observado em materiais granulares, onde a amostra a granel é composta por uma miríade de partículas discretas. A areia, por exemplo, pode ser «vertida» de uma forma que sugere um líquido, mas consiste em grãos individuais que permanecem resolutamente sólidos. Além disso, a matéria pode exibir propriedades de vários estados quando existe como uma mistura. Um exemplo notável encontra-se nas nuvens; embora pareçam comportar-se como um gás, são, na verdade, aerossóis — misturas compostas por ar no seu estado gasoso e minúsculas partículas de água, que podem ser gotículas líquidas ou cristais de gelo sólidos.

A massa de um corpo constitui uma medida da quantidade de matéria nele contida. Um método fundamental para determinar a massa de um objeto envolve estabelecer a magnitude da força necessária para lhe imprimir uma aceleração específica; por exemplo, é necessária uma força muito maior para acelerar um automóvel do que uma bicicleta, devido à massa vastamente superior do carro. Na prática comum, contudo, a massa é mais frequentemente determinada através do emprego de uma balança, um instrumento utilizado para comparar a massa desconhecida de um objeto com uma massa de referência padronizada.

Embora o peso esteja fundamentalmente associado à massa, é imperativo distinguir entre estes dois conceitos. O peso denota a força gravítica exercida sobre um corpo, uma magnitude que existe em proporção direta à massa desse corpo. Consequentemente, enquanto o peso de um objeto flutua de acordo com a intensidade local da gravidade, a sua massa permanece uma propriedade invariante. Considere-se, por exemplo, uma astronauta: a sua massa permanece inalterada pela sua chegada à superfície lunar, no entanto, o seu peso é reduzido a apenas um sexto do seu valor terrestre, já que a atração gravítica da Lua é apenas uma fração da da Terra. Embora possa sentir uma sensação de «ausência de peso» quando as forças externas são desprezáveis, ela, num sentido físico, nunca é «sem massa», pois a quantidade de matéria que a compõe permanece constante.

A Lei da Conservação da Matéria

Resume diversas observações científicas sobre a matéria: estabelece que não existe qualquer alteração detetável na quantidade total de matéria presente quando esta se converte de um tipo para outro (uma alteração química) ou muda entre os estados sólido, líquido ou gasoso (uma alteração física). A produção de cerveja e o funcionamento de baterias fornecem exemplos da conservação da matéria.

Dentro de um contentor isolado, colocamos diversos ingredientes constituintes; para o nosso propósito, deixemos que o conteúdo final inclua trigo, água, açúcar, ovo, sal e azeite. Este recipiente é então submetido a um misturador vibratório para alcançar uma composição uniforme. Subsequentemente, o contentor é colocado num forno e cozido a 200°C (400°F) por uma duração de trinta a trinta e cinco minutos.

O próprio recipiente foi concebido com uma secção secundária discreta, apresentando um mecanismo de válvula de retenção e uma câmara construída em borracha termicamente resiliente. Antes do início do processo de cozedura, o contentor é pesado e o peso bruto total é meticulosamente registado.

Experiência de conservação da matéria

Esta experiência ilustra que a matéria inicial, não modificada, e a subsequente «sopa» do produto pós-cozedura permanecem iguais em peso. Consequentemente, a sua massa também é provada como igual, uma vez que as medições foram realizadas no mesmo local e sob idênticas condições ambientais.

Embora esta lei da conservação se aplique a todas as conversões da matéria, as demonstrações convincentes são notavelmente raras na experiência comum. Esta escassez surge porque, fora das condições rigorosas mantidas num laboratório, raramente se consegue recolher a totalidade das substâncias produzidas durante uma transformação específica. Considere-se, por exemplo, os processos biológicos de ingestão e digestão: embora toda a matéria do alimento original seja estritamente preservada, uma parte significativa é incorporada na estrutura do próprio corpo, enquanto grande parte é excretada como diversos tipos de resíduos. Por conseguinte, a verificação empírica desta lei através de medição direta permanece um desafio formidável em sistemas tão complexos.

Além disso, como se poderá ter notado, projetámos certos aparelhos sofisticados — nomeadamente a câmara com funcionalidades de volume dinâmico e todos os outros refinamentos detalhados na nossa descrição experimental — para tornar as nossas observações transparentes. Estas inovações servem para demonstrar que a realidade dos sistemas físicos é um assunto multifacetado e dependente das complexidades do mundo em geral, que funciona como um sistema aberto.

Deve-se também reconhecer a importância primordial de uma abordagem científica rigorosa: em qualquer fase da vida científica, deve-se ter em conta tanto o ambiente isolado idealizado teórico quanto o sistema aberto do mundo real.

Átomos e Moléculas

Um átomo representa a partícula mais diminuta de um elemento que conserva as propriedades inerentes dessa substância e é capaz de participar numa combinação química. Considere-se, a título de ilustração, o elemento ouro. Conceba-se o ato de bissecar uma pepita de ouro, dividindo sucessivamente as porções resultantes de forma reiterada até que reste um fragmento de ouro tão diminuto que desafie qualquer divisão ulterior, independentemente da precisão do instrumento empregue. Esta porção derradeira e irredutível constitui um átomo — termo derivado do grego atomos, que significa ‘indivisível’. Este átomo deixaria de ser ouro se fosse dividido ainda mais.

O postulado inicial de que a matéria é composta por átomos é atribuído aos filósofos gregos Leucipo e Demócrito, que formularam as suas doutrinas no século V a.C. Todavia, não foi senão na aurora do século XIX que John Dalton (1766–1844), um mestre-escola britânico dotado de uma profunda devoção à investigação científica, fundamentou esta hipótese através de rigorosas medições quantitativas.

Desde essa época, a experimentação reiterada tem corroborado inúmeras facetas desta hipótese, a qual ascendeu subsequentemente à posição de teoria fundamental no domínio da química. Certos outros preceitos da teoria atómica de Dalton permanecem em uso até hoje, embora sujeitos a ligeiras emendas; uma exposição abrangente destes princípios é fornecida no discurso subsequente sobre átomos e moléculas.

Fotografia macroscópica: pepita de ouro (Au).

Imagem microscópica da estrutura do ouro no estado sólido.

Um átomo possui uma magnitude tão infinitesimal que as suas dimensões permanecem extremamente difíceis de conceber para a mente humana. Entre os objetos mais minúsculos discerníveis a olho nu encontra-se o fio de uma teia de aranha; tais fios medem aproximadamente cm (0,0001 cm) de diâmetro. Embora a secção transversal de um único fio seja quase impossível de perceber sem o auxílio de um microscópio, esta permanece colossal quando medida face a uma escala atómica. Um único átomo de carbono na referida teia possui um diâmetro de aproximadamente cm (0,000000015 cm); consequentemente, seriam necessários cerca de 7.000 átomos de carbono para atravessar o diâmetro de um único fio. Para proporcionar ao pupilo uma perspetiva mais clara: caso um átomo de carbono fosse ampliado até ao tamanho de uma pequena moeda, a secção transversal do fio da aranha excederia então as dimensões de um campo de futebol, exigindo aproximadamente 150 milhões de tais «moedas» para cobrir a sua superfície.

Cápsula de algodão madura

O nível estrutural

O nível celular da organização do tecido de algodão

Estrutura molecular dos tecidos orgânicos fibrosos da flor de algodão

Esquema de uma molécula orgânica singular no seio do tecido de algodão

Um átomo é de tal forma leve que a sua massa é igualmente difícil de conceber. Mil milhões de átomos de chumbo (1 000 000 000 de átomos) pesam aproximadamente gramas, uma massa que é por demais ínfima para ser pesada, mesmo nas balanças mais sensíveis do mundo. Seriam necessários mais de 300 000 000 000 000 de átomos de chumbo (300 biliões, ou ) para que pudessem ser pesados, e estes pesariam apenas 0,0000001 gramas.

É raro encontrar agrupamentos de átomos individuais na natureza. Apenas alguns elementos selecionados, tais como os gases nobres hélio, néon e árgon, consistem em átomos individuais que se movem independentemente uns dos outros. Outros elementos, tais como os gases hidrogénio, azoto, oxigénio e cloro, são compostos por unidades distintas que consistem em pares de átomos.

É pouco comum encontrar coleções de átomos individuais. Apenas alguns elementos, tais como os gases hélio, néon e árgon, consistem num conjunto de átomos individuais que se movem de forma independente entre si. Outros elementos, tais como os gases hidrogénio, azoto, oxigénio e cloro, são compostos por unidades que consistem em pares de átomos.

Uma forma do elemento fósforo consiste em unidades compostas por quatro átomos de fósforo. O elemento enxofre existe em várias formas, uma das quais consiste em unidades compostas por oito átomos de enxofre. Estas unidades são designadas por moléculas. Uma molécula consiste em dois ou mais átomos unidos por forças poderosas chamadas ligações químicas.

Os átomos numa molécula movem-se como uma unidade, tal como as latas de refrigerante num pacote de seis ou um molho de chaves unidas num único porta-chaves. Uma molécula pode consistir em dois ou mais átomos idênticos, como nas moléculas encontradas nos elementos hidrogénio, oxigénio e enxofre; ou pode consistir em dois ou mais átomos diferentes, como nas moléculas encontradas na água.

Cada molécula de água é uma unidade que contém dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio. Cada molécula de glicose é uma unidade que contém seis átomos de carbono, doze átomos de hidrogénio e seis átomos de oxigénio. Tal como os átomos, as moléculas são incrivelmente pequenas e leves. Se um copo de água comum fosse ampliado até ao tamanho da Terra, as moléculas de água no seu interior teriam, aproximadamente, o tamanho de bolas de golfe.

Hidrogénio

Oxigénio

Fósforo

Enxofre

Água

Dióxido de carbono

Glicose

A Classificação da Matéria

A fim de simplificar a situação inicial, exporemos aqui uma definição da classificação da matéria que seja, simultaneamente, simples e inteligível, bem como um método para a sua distinção.

Trata-se, por certo, de uma mera introdução simplificada às técnicas de classificação química; não obstante, é mister principiar por algum ponto, e este é o local indicado!

A matéria pode ser classificada em diversas categorias distintas, duas das quais são as misturas e as substâncias puras. Uma substância pura possui uma composição constante; consequentemente, todos os espécimes de uma substância pura exibem exactamente a mesma constituição e propriedades.

Por exemplo, qualquer amostra de sacarose (açúcar de mesa) consiste em 42,1% de carbono, 6,5% de hidrogénio e 51,4% de oxigénio por massa. Qualquer espécime de sacarose exibe igualmente as mesmas propriedades físicas — tais como o ponto de fusão, a cor e o sabor doce — independentemente da fonte da qual tenha sido isolado.

As substâncias puras podem ser ulteriormente divididas em duas classes distintas: elementos e compostos.

Aquelas substâncias puras que não podem ser decompostas em substâncias mais simples por intermédio de uma alteração química denominam-se elementos. Exemplos familiares entre os mais de cem elementos conhecidos incluem o ferro, a prata, o ouro, o alumínio, o enxofre, o oxigénio e o cobre.

Destes elementos, aproximadamente noventa ocorrem naturalmente na Terra, enquanto cerca de duas dezenas foram criadas artificialmente em laboratórios.

As substâncias puras que podem ser cindidas por alterações químicas designam-se compostos. Esta decomposição pode produzir elementos, outros compostos, ou ambos. O óxido de mercúrio(II), um sólido cristalino de cor alaranjada, pode ser decomposto pelo calor nos elementos mercúrio e oxigénio.

Quando aquecido na ausência de ar, o composto sacarose é decomposto no elemento carbono e no composto água. (O estádio inicial deste processo, quando o açúcar adquire uma cor acastanhada, é conhecido como caramelização — é este processo que confere o característico sabor doce e amendoado às maçãs caramelizadas, às cebolas caramelizadas e ao caramelo).

O cloreto de prata(I) é um sólido branco que pode ser decomposto nos seus elementos, prata e cloro, mediante a absorção de luz. Esta propriedade constitui a base para o uso deste composto em películas fotográficas e em lentes fotocromáticas (aquelas cujas lentes escurecem quando expostas à luz).

Óxido de mercúrio(II) (HgO)

O composto decompõe-se em gotículas prateadas de mercúrio líquido e em oxigénio gasoso invisível.

As propriedades dos elementos combinados divergem daquelas exibidas no estado livre ou não combinado. Por exemplo, o açúcar cristalino branco (sacarose) é um composto resultante da combinação química do elemento carbono — o qual se apresenta como um sólido negro numa das suas formas não combinadas — e dos dois elementos hidrogénio e oxigénio, que são gases incolores quando permanecem livres. O sódio elementar, que consiste num sólido metálico, mole e brilhante, e o cloro livre, elemento que se manifesta como um gás amarelo-esverdeado, combinam-se para formar o cloreto de sódio (sal de mesa), um composto que é um sólido cristalino de cor branca.

Uma mistura compõe-se de dois ou mais tipos de matéria que podem estar presentes em quantidades variáveis e que podem ser separadas mediante alterações físicas, tais como a evaporação (assunto sobre o qual o leitor colherá mais amplos ensinamentos ulteriormente). Uma mistura cuja constituição varie de ponto para ponto denomina-se mistura heterogénea. O molho à italiana constitui um exemplo típico de mistura heterogénea.

A sua composição pode variar porquanto podemos prepará-la a partir de quantidades diversas de óleo, vinagre e ervas aromáticas. Esta não se apresenta uniforme em todos os pontos da mistura — uma gota pode consistir primordialmente em vinagre, ao passo que outra gota distinta pode conter maioritariamente óleo ou ervas, visto que o óleo e o vinagre tendem a separar-se e as ervas a depositar-se no fundo. Outros exemplos de misturas heterogéneas são as bolachas com pepitas de chocolate (onde se podem distinguir os fragmentos de chocolate, nozes e a massa) e o granito (onde o observador pode identificar o quartzo, a mica, o feldspato e outros minerais).

Uma mistura homogénea, também denominada solução, exibe uma composição uniforme e apresenta-se visualmente idêntica em toda a sua extensão. Um exemplo de solução é a bebida para desportistas, constituída por água, açúcar, corantes, aromatizantes e electrólitos, misturados entre si de forma inteiramente uniforme.

Cada gota de uma bebida para desportistas possui o mesmo sabor, dado que cada porção contém as mesmas quantidades de água, açúcar e demais componentes. Note-se que a constituição de tal bebida é passível de variação — poderá ser elaborada com algo mais ou algo menos de açúcar, aromatizante ou outros constituintes, e ainda assim permanecer uma bebida para desportistas. Outros exemplos de misturas homogéneas incluem o ar, o xarope de ácer, a gasolina e uma solução de sal em água.

Ainda que existam pouco mais de cem elementos, dezenas de milhões de compostos químicos resultam das diferentes combinações destes elementos. Cada composto possui uma composição específica e goza de propriedades químicas e físicas definidas, por intermédio das quais nos é dado distingui-lo de todos os demais compostos. E, naturalmente, existem modos inumeráveis de combinar elementos e compostos para formar diferentes misturas. Um sumário dos métodos para distinguir as diversas classificações maiores da matéria é apresentado no esquema seguinte:

Onze elementos constituem aproximadamente noventa e nove por cento da crosta terrestre e da atmosfera. Desta quantidade total, o oxigénio perfaz cerca de metade, ao passo que o silício representa cerca de um quarto. A maioria dos elementos na Terra encontra-se em combinação química com outros; todavia, cerca de uma quarta parte dos elementos pode também ser observada no estado livre.

Decomposição da Água, Experiência vs Realidade

A água consiste nos elementos hidrogénio e oxigénio combinados numa proporção de 2 para 1. A água pode ser decomposta nos gases hidrogénio e oxigénio através da adição de energia. Uma forma de o fazer é com uma bateria ou uma fonte de alimentação.

A decomposição da água envolve um rearranjo dos átomos nas moléculas de água em moléculas diferentes, cada uma composta por dois átomos de hidrogénio e dois átomos de oxigénio, respetivamente. Duas moléculas d'água formam uma molécula de oxigénio e duas moléculas de hidrogénio.

A representação do que ocorre, , será explorada com maior profundidade em capítulos posteriores.

Decomposição da Água / Produção de Hidrogénio

Os dois gases produzidos têm propriedades distintamente diferentes. O oxigénio não é inflamável, mas é necessário para a combustão de um combustível, e o hidrogénio é altamente inflamável e uma fonte de energia potente. Como poderá este conhecimento ser aplicado no nosso mundo? Uma aplicação envolve a investigação de transportes mais eficientes no consumo de combustível. Os veículos com célula de combustível (VCC) funcionam a hidrogénio em vez de gasolina.

Estes são mais eficientes do que os veículos com motores de combustão interna, não são poluentes e reduzem as emissões de gases com efeito de estufa, tornando-nos menos dependentes de combustíveis fósseis. No entanto, os VCC ainda não são economicamente viáveis e a produção atual de hidrogénio depende do gás natural. Se conseguirmos desenvolver um processo para decompor a água de forma económica, ou produzir hidrogénio de outra forma ambientalmente correta, os VCC poderão ser o caminho do futuro.

Conceito de geração de energia através da reação química entre hidrogénio e oxigénio