Química em Contexto
Ao longo de toda a história humana, a mente das pessoas tem tentado transformar a matéria em coisas mais úteis. Nossos ancestrais da Idade da Pedra lascavam pedaços de sílex para criar ferramentas práticas e esculpiam madeira para fazer estátuas e brinquedos. Esses esforços envolviam mudar a forma de um objeto sem alterar a sua substância em si. Mas, conforme o nosso conhecimento cresceu, as pessoas começaram a mudar também a composição das coisas — o barro foi transformado em cerâmica, peles foram curtidas para fazer vestimentas, minérios de cobre foram transformados em ferramentas e armas, e o grão foi transformado em pão. Os seres humanos iniciaram-se na química assim que aprenderam a controlar o fogo e a usá-lo para cozinhar, fazer cerâmica e fundir metais. Depois disso, começaram a isolar e utilizar tipos específicos de matéria. Uma grande variedade de drogas, como aloé, mirra e ópio, foi extraída de plantas. Corantes, como o índigo e a púrpura de Tiro, foram retirados de matéria vegetal e animal. Metais foram combinados para criar ligas — misturando cobre e estanho para fazer bronze, por exemplo — e métodos de fundição mais engenhosos produziram o ferro. Álcalis eram obtidos de cinzas, e sabões eram feitos misturando esses álcalis com gorduras. O álcool era produzido por fermentação e purificado por destilação. As tentativas de compreender como a matéria se comporta remontam a mais de 2.500 anos. Já no século VI a.C., os filósofos gregos discutiam um sistema onde a água era a base de todas as coisas. Você já deve ter ouvido falar do postulado grego de que a matéria é composta por quatro elementos: terra, ar, fogo e água. Mais tarde, uma mistura de tecnologias químicas e especulações filosóficas espalhou-se pelo Egito, China e leste do Mediterrâneo através dos alquimistas, que se empenhavam em transformar “metais básicos”, como o chumbo, em “metais nobres”, como o ouro, e em criar elixires para curar doenças e prolongar a vida.
STEM: Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática
A discussão sobre a ciência central.
A química é por vezes chamada de “a ciência central” porque está ligada a uma vasta gama de outras disciplinas STEM (STEM sendo a sigla para ciência, tecnologia, engenharia e matemática). A química e a linguagem dos químicos desempenham um papel vital na biologia, medicina, ciência dos materiais, ciência forense, ciência ambiental e em muitos outros campos.
Os princípios básicos da física são essenciais para a compreensão de muitos aspetos da química, e existe uma enorme sobreposição entre muitas subdisciplinas dentro das duas áreas, como a físico-química e a química nuclear. A matemática, a ciência da computação e a teoria da informação fornecem ferramentas importantes que nos ajudam a calcular, interpretar, descrever e, de modo geral, dar sentido ao mundo químico.
A biologia e a química unem-se na bioquímica, que é crucial para compreender os muitos processos e fatores complexos que mantêm os organismos vivos (como nós, por exemplo) vivos. A engenharia química, a ciência dos materiais e a nanotecnologia combinam princípios químicos e descobertas empíricas para produzir substâncias úteis, que vão desde a gasolina a tecidos e eletrónicos.
A agricultura, a ciência dos alimentos, a medicina veterinária e a produção de cerveja e vinho ajudam a fornecer sustento, sob a forma de comida e bebida, à população mundial. A medicina, a farmacologia, a biotecnologia e a botânica identificam e produzem substâncias que ajudam a manter-nos saudáveis. A ciência ambiental, a geologia, a oceanografia e a ciência atmosférica utilizam muitas ideias químicas para nos ajudar a compreender melhor e a proteger o nosso mundo físico. Mesmo na astronomia e cosmologia, utilizam-se conceitos químicos para ajudar a compreender o universo.
Quais são algumas das mudanças na matéria que são essenciais para a vida quotidiana? A digestão e assimilação de alimentos, a fabricação de polímeros para vestuário, recipientes, utensílios de cozinha e cartões de crédito, e o refino de petróleo bruto em gasolina e outros produtos são apenas alguns exemplos.
Ao longo deste curso, irá descobrir muitos exemplos diferentes de mudanças na composição e estrutura da matéria, como classificar essas mudanças e como elas ocorreram, o que as causou, as variações de energia que as acompanham e os princípios e leis envolvidos.
Ao aprender estas coisas, estará a aprender química — o estudo da composição, propriedades e interações da matéria. A prática da química não se limita apenas a livros de química ou laboratórios: ela acontece sempre que alguém está envolvido em mudanças na matéria ou em condições que possam levar a essas mudanças.
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Fazendeiro
Esta é a minha fazenda
É tempo de colheita
Este é o período de tributação.
O dia seguinte mostrou que os deuses se tinham esquecido de mim.
O meu filho correu para a cidade à procura de um antídoto.
Fui Salvo
No dia seguinte, vendi a vasta quantidade de trigo colhido
O homem com o nome extraordinário 'Agrónomo' chegou à minha fazenda no dia seguinte.
Fiquei surpreendido com a visita do agrónomo numa carruagem estranha.
Então, decidimos arrumar as coisas do nosso filho para a viagem com o agrónomo.
O filho do fazendeiro chegou à cidade com o agrónomo.
A primeira paragem que fizemos foi num lugar que ele chamou de 'alma mater', mas o seu verdadeiro nome era a universidade futurista.
Ele levou-me à cátedra de micologia (seja lá o que isso signifique)
Lembro-me do doutor que deu o antídoto para o meu pai.
Depois houve várias visitas aos seus amigos, e eles referiam-se uns aos outros como 'colegas'.
Assim, andámos de sala em sala o dia todo.
Finalmente, senti muita fome e contei ao meu tutor (Sr. Agrónomo).
Depois visitámos o departamento chamado 'química inorgânica'.
O professor explica que um certo assunto é extremamente importante para estes processos, e chamou-lhe 'energia' — seja lá o que isso signifique.
Houve várias visitas, e comecei a perceber o que significava visitar; a minha ansiedade crescia a cada paragem, mas o meu interesse crescia ao mesmo tempo.
No dia seguinte, cavalgámos de volta para casa, mas pedi para visitar a forja do meu tio.
Assim, acordei de manhã e imaginei que tudo tinha sido um sonho, mas...
Nos anos seguintes, dediquei toda a minha vida a aprender química. Obrigado, Sr. Agrónomo.
A partir de agora, todo o resto deste tutorial será sobre o estudo da química — o estudo daquilo de que a matéria é feita, como se comporta e como tudo reage em conjunto. Não pense que a prática da química se limita apenas a livros empoeirados ou laboratórios sofisticados. Ela acontece a todo o momento, sempre que alguém está envolvido em mudanças na matéria ou em condições que podem levar a essas mudanças.
O Método Científico
A química é uma ciência baseada na observação e na experimentação. Praticar química envolve tentar responder a perguntas e explicar observações em termos das leis e teorias da química, utilizando procedimentos aceites pela comunidade científica. Não existe uma rota única para responder a uma pergunta ou explicar uma observação, mas há um aspeto comum a cada abordagem: cada uma utiliza conhecimentos baseados em experiências que podem ser reproduzidas para verificar os resultados. Algumas rotas envolvem uma hipótese, uma explicação provisória de observações que serve de guia para a recolha e verificação de informações. Testamos uma hipótese através de experimentação, cálculo e/ou comparação com as experiências de outros e, em seguida, refinamo-la conforme necessário.
Algumas hipóteses são tentativas de explicar o comportamento que é resumido em leis. As leis da ciência resumem um vasto número de observações experimentais e descrevem ou preveem algum aspeto do mundo natural. Se tal hipótese se revelar capaz de explicar um grande corpo de dados experimentais, pode atingir o estatuto de teoria. As teorias científicas são explicações bem fundamentadas, abrangentes e testáveis de aspetos particulares da natureza. As teorias são aceites porque fornecem explicações satisfatórias, mas podem ser modificadas se novos dados ficarem disponíveis. O caminho da descoberta que conduz da pergunta e observação à lei ou hipótese, e depois à teoria, combinado com a verificação experimental da hipótese e qualquer modificação necessária da teoria, é chamado de método científico.
O método científico segue um processo semelhante ao apresentado neste diagrama. Todos os componentes essenciais estão representados, aproximadamente pela ordem correta. O progresso científico raramente é linear e organizado: exige uma investigação aberta e a reformulação de perguntas e ideias em função das descobertas realizadas.
Os Domínios da Química
Para descrever o comportamento da matéria e da energia, os químicos utilizam três domínios distintos: o macroscópico, o microscópico e o simbólico. Estas estruturas oferecem diferentes perspetivas para a análise dos fenómenos químicos.
O Domínio Macroscópico:
Derivado da palavra grega para 'grande', o domínio macroscópico abrange o reino da experiência quotidiana. Inclui tudo o que é suficientemente grande para ser percebido diretamente pelos sentidos humanos, como os alimentos que consumimos ou a sensação tátil de uma brisa. Tanto na vida diária como em laboratório, este domínio é onde observamos e medimos propriedades físicas e químicas — tais como densidade, solubilidade e inflamabilidade — e testemunhamos as transições visíveis da matéria.
O Domínio Microscópico:
O domínio microscópico, da palavra grega para 'pequeno', requer frequentemente o uso da imaginação ou de instrumentação especializada. Embora alguns aspetos, como as bactérias ou a superfície da grafite, possam ser visualizados através de microscópios tradicionais, os temas fundamentais da química existem numa escala muito menor.
Microscópico Visível: Entidades como vírus ou células que exigem ampliação para serem observadas.
Submicroscópico: A maioria das entidades químicas — incluindo átomos, moléculas, iões e partículas subatómicas (protões, neutrões e eletrões) — são demasiado pequenas para serem vistas, mesmo com microscópios convencionais.
Este domínio foca-se nas interações discretas que impulsionam as mudanças observáveis, tais como o arranjo de átomos metálicos individuais num fio, a estrutura cristalina dos iões de sal, ou a quebra e formação de ligações químicas que resultam na libertação de calor ou em mudanças de cor.
O Domínio Simbólico:
O domínio simbólico contém a linguagem especializada utilizada para representar as componentes dos domínios macroscópico e microscópico. Símbolos químicos (como os utilizados na tabela periódica), fórmulas químicas e equações químicas fazem parte do domínio simbólico, tal como os gráficos e desenhos. Podemos também considerar os cálculos como parte do domínio simbólico.
Estes símbolos desempenham um papel crucial na química porque ajudam a interpretar o comportamento do domínio macroscópico em função das componentes do domínio microscópico. Um dos desafios para os estudantes de química é reconhecer que os mesmos símbolos podem representar coisas diferentes nos domínios macroscópico e microscópico. Uma das características que torna a química fascinante é a utilização de um domínio que deve ser imaginado para explicar o comportamento num domínio que pode ser observado.
Uma forma útil de compreender os três domínios é através da substância essencial e ubíqua que é a água.
Domínio Macroscópico: As observações de que a água é um líquido a temperaturas moderadas, congela formando um sólido a temperaturas mais baixas e ferve formando um gás a temperaturas mais elevadas são macroscópicas.
Domínio Microscópico: Algumas propriedades da água recaem no domínio microscópico — aquilo que não pode ser observado a olho nu. Isto inclui a descrição da água como sendo composta por dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio, bem como a explicação do congelamento e da ebulição em termos das atrações entre estas moléculas.
Domínio Simbólico: A fórmula H2O, que pode descrever a água tanto ao nível macroscópico como microscópico, é um exemplo do domínio simbólico. As abreviaturas (g) para gás, (s) para sólido e (l) para líquido são também simbólicas.
A fórmula H2O simboliza: a água, e (g), (s) e (l) simbolizam as suas fases.
Água em fase gasosa
Água em fase líquida
O gelo é uma fase sólida da água
