COISAS NO AR-PARTE 1 - FEIRA DE CIÊNCIAS ... O Imperdível !
Coisas no Ar (parte 1)
(Da alquimia à química)
Estamos no século XVII. Conquistas anteriores culminaram com altas pontuações no assalto bem sucedido do homem contra os problemas da medida do tempo e do espaço.
Com esse sucesso, veio a possibilidade de navegar rotineiramente pelo globo inteiro. Tendo o mundo como seu mercado, o homem civilizado tinha agora acesso fácil às coisas boas da vida que eram tão desigualmente distribuídas sobre a Terra. O comércio mundial começou a aliviar as necessidades e a escassez que tinham caracterizado toda a história do homem.
A despeito do seu extraordinário sucesso na navegação e na medida do tempo, o homem não tinha aumentado significativamente o número de espécies de coisas que podiam ser usadas para satisfazer suas ânsias ou necessidades. Apenas relativamente poucas plantas, animais e substâncias naturais são diretamente utilizáveis como alimento ou na fabricação de produtos de utilidade. Sua conquista sobre a natureza referia-se mais ao transporte do que à inovação de outros materiais.
No final do século XVIII, o conhecimento do homem sobre os metais, fabricação de vidro, cerâmica, tintura, fermentação, tecelagem e medicina, pouco excedia ao dos povos antigos do Mediterrâneo. Ainda usava a mesma vela, o mesmo arado, roda d'água e pedra de amolar, que eram mais antigos que a história registrada. As melhores sedas ainda provinham do Oriente, e o melhor estanho, das Ilhas Britânicas. As únicas grandes invenções ou novas indústrias que o homem moderno podia reivindicar eram a imprensa e a manufatura da pólvora, instrumentos ópticos e relógios mecânicos de precisão.
A despeito do modesto progresso do homem no desenvolvimento de novos materiais, o século XIX o encontrou à beira de um fantástico desenvolvimento. Nos anos que se seguiram, o cidadão comum alcançaria um padrão de vida que estava muito além da compreensão dos seus antepassados. Um grande fator dessa revolução social foi a ciência que chamamos de Química.
Nossa tarefa nesse resumido texto será tentar acompanhar os passos que levaram ao homem a possibilidade de criar novos e maravilhosos produtos e materiais, partindo das substâncias mais inesperadas da natureza. Comecemos.
A Química dos Antigos
Estas artes eram praticadas há milhares de anos atrás, mas sua verdadeira natureza permaneceu um mistério, até o século dezenove.
Como Materializar Espíritos Invisíveis
Além da redução e da oxidação, também devemos aos antigos o processo de destilação. Este processo, que já era conhecido dos alexandrinos, é utilizado para separar substâncias umas das outras, com base em suas características individuais. Vê-se, na ilustração a seguir, um alambique tradicional.
O material impuro a ser separado é colocado no receptáculo A e aquecido. Uma parte dele, então, aparentemente desaparece ou se desmaterializa. Embora invisíveis, essas substâncias etéreas são impedidas de escapar pela retorta B. Em seguida, elas se materializam e são coletadas no recipiente C. Sabemos hoje que várias substâncias se vaporizam em temperaturas características. Mantendo a mistura colocada em A, a uma temperatura apropriada, o componente que tiver a menor temperatura de vaporização pode ser separado, enquanto os outros permanecem em estado líquido.
A natureza deste processo permaneceu em mistério até tempos recentes. Quando aquecidas substâncias como o álcool ou a água, supunha-se que elas desapareciam, tornando-se espíritos ¾ termo que persiste até hoje. A tarefa do alquimista era fazer materializarem-se esses espíritos.
Nos tempos medievais, as substâncias que chamamos de gases e vapores não eram reconhecidas como o terceiro estado da matéria. Somente dois estados eram aceitos: o sólido e o líquido. Os antigos filósofos não podiam compreender que o terceiro estado da matéria fosse o elo de ligação entre a fusão dos metais e a destilação do álcool. A física de Aristóteles ensinava que o ar não tem peso, e assim sendo, nem os espíritos nem o ar podiam ser concebidos como uma forma da matéria. Como nas outras ciências exatas, uma antiga barreira aristotélica tinha que ser removida, antes que a ordem pudesse emergir do caos das receitas dos alquimistas.
Como era de se esperar, a ciência da Química teve suas raízes históricas nas mentes dos antigos filósofos gregos. O primeiro cujo nome chegou até nós foi Tales de Mileto (cerca de 600 a.C.), o grande geômetra grego. Em Tales encontramos o desejo científico universal de reduzir os fenômenos aparentemente não relacionados da natureza a uma certa unidade. Tales acreditava que deveria haver uma matéria primária, da qual tudo se desenvolveu por um processo gradual de transformação ou diferenciação. Pensava que a água devia ser essa matéria primária. Infelizmente, a linha de pensamento que levou Tales a tal conclusão perdeu-se para nós. Igualmente não sabemos por que seu colega, Anaxímenes de Mileto (cerca de 585-528 a.C.) anunciou que o ar é a matéria primária de todas as coisas.
Outro grego, Heráclito (480 a.C.) considerou o fogo como sendo a referida matéria. Sentiu-se impressionado pelas continuas transformações que observava em todas as coisas. A única realidade, portanto, era a transformação em si mesma.
Existir é transformar-se. Escolheu o fogo como a matéria básica, porque ele não permanece idêntico a si mesmo sequer por um único momento.
Em oposição radical a Heráclito estava seu contemporâneo, Parmênides, filósofo de Eléia, uma colônia grega do sul da Itália. De acordo com Parmênides, a realidade é inalterável, e a transformação nada mais é que uma ilusão. Não é importante para nosso propósito seguir a linha de raciocínio de Parmênides para chegar a tal conclusão. Como muitos filósofos subseqüentes que se distraiam em fazer ciência, Parmênides utilizou uma lógica inatacável para chegar precisamente à conclusão errada. Isso sempre aconteceu, e acontecerá, quando não são utilizados na argumentação, 'termos' bem definidos.
Ele negou todo valor à percepção dos sentidos, e argüiu que toda verdade deve originar-se na mente. Já tivemos ocasião de salientar, em meus textos, a extensão em que esse desprezo pelo método experimental prejudicou o desenvolvimento científico. Platão foi seu grande expoente, mas Parmênides foi seu autor.
Os átomos de Demócrito
A filosofia de Parmênides causou uma profunda impressão, embora infeliz, em seus contemporâneos. A ciência grega tinha-se posto impetuosamente em campo para explicar os fenômenos de transformação ocorridos na natureza, e Parmênides convenceu seus colegas de que tais transformações eram impossíveis. A primeira tarefa enfrentada por Demócrito (cerca de 460 a.C.) portanto, foi a de explicar como as transformações eram perfeitamente possíveis. Ele acreditava que, mesmo que toda transformação fosse uma ilusão, tal ilusão, de qualquer maneira, requeria uma explicação.
Demócrito ensinou que as coisas que são inalteráveis e indivisíveis são os átomos, os componentes da matéria. Como ele deveria pensar, os menores pedacinhos da matéria. Tudo mais é um vazio, ou vácuo, como poderíamos dizer. Admitindo o vazio, Demócrito aceitou que seus átomos eram separados e podiam movimentar-se. A transformação nada mais é que a união ou separação dos átomos que são inalteráveis. Uma substância pode modificar-se somente quando seus átomos se unem com outros átomos, ou se separam uns dos outros. Sejam quais forem as diferenças que percebemos em um objeto, elas são baseadas nas diferenças em tamanho, forma ou posição de seus átomos.
A teoria atômica de Demócrito era notavelmente precisa, quando consideramos sua completa falta de prova experimental. Esse é o verdadeiro chute de gênio.
Mais de dois mil anos depois, suas idéias deveriam desenvolver-se em uma teoria física que seria testada no laboratório.
Mas a Idade de Ouro da Grécia não era ainda a época apropriada para tal desenvolvimento.
Os Elementos de Empédocles
De acordo com Empédocles (cerca de 450 a.C.), existem quatro componentes básicos de todas as coisas ¾ ar, fogo, terra e água. Cada um desses elementos (não com o significado de elemento que temos hoje) é inalterável, e todas as substâncias os contêm, em proporções variáveis. Uma substância se modifica quando as proporções dos seus elementos componentes se modificam.
Os Sêmenes de Anaxágoras
Anaxágoras, que viveu mais ou menos no mesmo tempo de Empédocles, concebeu um número ilimitado de diferentes elementos primitivos, que ele chamou de semens. Seus sêmenes eram eternos e inalteráveis. Uma substância se modifica quando seus sêmenes se separam uns dos outros, ou quando se unem com sêmenes diferentes. A principal diferença entre a teoria de Anaxágoras e a de Demócrito era o fato de que todas as substâncias de Anaxágoras continham todas as espécies possíveis de sêmenes. Suas propriedades dependiam do tipo de sêmen que predominasse.
Os Elementos e os Compostos de Aristóteles
Embora Aristóteles fosse um mau físico, foi um excelente observador. Acreditava firmemente que uma teoria deve ser baseada na experiência geral, no senso comum. Atacou a teoria atômica de Demócrito em todas as oportunidades, porque ela não lhe parecia encaixar-se com as observações da vida diária. Sentia-se muito mais confortável com o fogo, a terra, a água e o ar de Empédocles, e aceitou-os em sua própria teoria.
Enquanto seus predecessores se contentaram em falar sobre transformações em termos gerais, Aristóteles foi específico. Em seus livros Da Geração e da Decomposição e Da Alma, ele fornece uma derivação lógica dos quatro elementos. Argumenta ele que o tato é o sentido primário ¾ noção esta que examinaremos mais adiante, no texto em que trataremos da Óptica (se eu conseguir terminar!).
Portanto, as qualidades primárias dos elementos primários devem ser observáveis pelo sentido do tato. Essas qualidades ou propriedades primárias são frio e quente, úmido e seco. Existem apenas seis pares de combinações dessas quatro propriedades: quente-frio, quente-seco, quente-úmido, frio-seco, frio-úmido, seco-úmido. A primeira e a última destas combinações são triviais, de maneira que podem ser abandonadas, deixando apenas quatro. Conforme se mostra na ilustração a seguir, supõe-se então que os quatro elementos estão relacionados do seguinte modo com as quatro propriedades:
(propriedades)
quente-seco
frio-úmido
Elementos Químicos de Empédocles e suas propriedades, segundo dedução de Aristóteles.
Foi lógica a derivação feita por Aristóteles dos quatro elementos de Empédocles, e aquele estava firmemente convencido de que ela se baseava na experiência. Quer consideremos ou não seus argumentos convincentes, suas idéias sobre a transformação eram certamente baseadas em fundamentos mais sólidos que as de Demócrito. Certa ou errada, entretanto, a teoria de Aristóteles seria a base das idéias relativas à Química durante dois milhares de anos.
Aristóteles também divergiu de Demócrito em seu conceito de um composto químico. Argumentou que a formação de uma substância comum, partindo dos elementos básicos, é mais do que uma reunião desses elementos. Eles próprios se modificam, quando se combinam entre si. A combinação química de elementos é a participação para ser um dos reagentes modificados.
Esta afirmação daria mais tarde motivo a uma grande controvérsia, sobre se os elementos continuam ou não a existir como tais, nos compostos químicos.
Aristóteles Versus Demócrito
Os gregos não se contentavam com uma explicação fragmentária da natureza. Uma teoria tinha que abarcar todos os fenômenos em um abraço intelectual único. Embora não o tenhamos mencionado anteriormente, Demócrito também propôs uma espécie de átomo do qual é feita a alma humana. Os átomos da alma são perfeitos e redondos, podendo penetrar no corpo inteiro. Provocam os movimentos do corpo e as funções vitais. Até mesmo o pensamento podia ser reduzido a um movimento desses átomos da alma.
O sistema de Demócrito é classificado como materialismo, porque tudo na natureza é explicado por princípios materiais.
Isto nos ajuda a compreender por que Platão, Aristóteles e a maior parte dos pensadores rejeitaram suas idéias, durante dois mil anos. Eles não podiam aceitar uma filosofia que reduzia os nobres feitos da mente a um simples movimento de átomos materiais. Não foi senão após o grande despertar da Ciência, ocorrido no século dezessete, que os homens começaram a suspeitar que Aristóteles tinha errado uma vez mais.
A Alquimia no Islã
Uma receita típica da alquimia foi aquela dada, para o esmaltamento de louças por Jabir (cerca de 760-815), alquimista árabe que se tornou conhecido dos europeus como Geber. Ele escreveu em seu Livro das Propriedades:
Tome uma libra de litargírio (um composto de chumbo e oxigênio), pulverize-o bem e aqueça-o suavemente junto com quatro libras de vinagre de vinho, até reduzi-lo à metade de seu volume original. Tome então uma libra de barrilha e aqueça-a juntamente com quatro libras de água, até reduzir seu volume à metade. Filtre as duas soluções até que se tornem límpidas, e acrescente gradualmente a solução de barrilha à de litargírio. Forma-se uma substância que se deposita no fundo. Jogue fora a água e deixe secar o resíduo. Ele se tornará um sal tão branco como a neve.
Este material é o chumbo branco, utilizado durante séculos na esmaltação de louça e na pintura.
A Alquimia da Europa
O século dezesseis viu a liderança da alquimia passar do Islã para a Europa. Ali ela adquiriu um objetivo mais nobre sob a influência de um médico suíço, Aureolus Philippus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, também conhecido mais concisamente por Paracelso (1493-1541). Era um homem de temperamento violento, jactancioso e rebelde, cuja maior contribuição foi uma reorientação do esforço químico para sendas mais proveitosas. Ele desviou seus seguidores da obcecação da fabricação do ouro, "a arte falsa e perniciosa da alquimia", para o estudo dos medicamentos. Ensinou que o verdadeiro objetivo da alquimia devia ser a cura dos males humanos e das doenças, através do estudo e desenvolvimento de novas drogas. Suas idéias inauguraram uma nova era na Química, conhecida como iatroquímica ou química médica. Este novo campo atuou como uma ponte entre a alquimia e os primórdios da ciência exata da Química no século dezessete.
O Caos na Química
A importância vital do ar para os processos químicos foi primeiramente reconhecida por Johann van Helmont, que nasceu em Bruxelas em 1577. Ele mostrou experimentalmente que há muitas espécies de gases, sendo todos de natureza material.
Introduziu realmente o termo gás, que tirou da palavra chaos.
Não conseguiu um meio de coletar um gás e identifica-lo, por isso suas descrições são quase sempre incompletas. Não obstante, veio a convencer-se de que há muitas espécies de gases, todos tendo diferentes propriedades. Este foi um grande avanço sobre a idéia anterior, de que o ar é a única substância de tal espécie. Enumerou muitos gases: gás de vento (ar), gás turbulento (dióxido de carbono, o gás da soda efervescente), gás de fumaça, gás seco etc. Descreveu esses gases de modo incipiente, baseado em suas propriedades físicas mais evidentes. Parece ter sido o primeiro químico a suspeitar que o poder destrutivo da pólvora era causado pelos gases que ela produz.
Jean Rey, que viveu por volta de 1630, foi o primeiro a reconhecer que o ar está envolvido de certa maneira na calcinação (oxidação) dos metais, quando eles são aquecidos em contato com o ar. Sabemos agora que o oxigênio se combina com o metal para formar um novo composto chamado óxido, mas tal processo estava além da compreensão dos predecessores de Rey.
Ele nos conta que um certo droguista lhe perguntou por que o estanho e o chumbo aumentam de peso quando calcinados em contato com o ar. Em resposta, Rey "dedicou várias horas à questão", durante as quais escreveu vinte e sete ensaios sobre o assunto que ele deixou "escorregar de suas mãos". Sua principal contribuição para a Química foi a idéia de que todas as coisas, inclusive o ar, têm peso. Referindo-se ao droguista, ele nos conta que tendo colocado duas libras e seis onças de excelente estanho inglês em um vaso de ferro, aquecendo-o fortemente em uma fornalha aberta durante seis horas.., ele recuperou duas libras e treze onças de um resíduo branco. De onde tinham vindo as sete onças extras? Ora ... do ar, que se tornou mais denso no vaso, mais pesado, e até certo ponto adesivo, pelo calor veemente e continuo da fornalha; ar esse que se mistura com o resíduo (com auxilio de continua agitação), aderindo às suas parcelas mais minúsculas; maneira esta que não é nada diferente da água tornando mais densa a areia quando é lançada sobre ela e agitada, umedecendo-a e aderindo aos seus grãos mais pequeninos.
A despeito da importância da idéia de Rey, três coisas tiram seu valor para nós, como provavelmente o fizeram para seus contemporâneos: (1) ele não apresentou prova de que o peso extra era devido ao ar; (2) descreveu o ar como combinando com o resíduo branco, em vez de combinar com o metal; e (3) comparou o processo com uma mistura de água e areia.
Embora Rey não tivesse compreendido toda o significado da união do ar com um metal, ele estava convencido de que o ar tinha peso. Os seguidores de Aristóteles argumentaram que o ar é imponderável, porque um balão cheio de ar pesa a mesma coisa que um balão vazio. Rey replicou que "somente o mais rematado palhaço" emprestaria qualquer significado a tal espécie de medida. Salientou que as medidas de peso são normalmente tomadas no ar ambiente ou, menos freqüentemente, na água. "É por tal motivo", escreveu ele, "que o erro que venho combatendo (que o ar é imponderável) provoca um argumento que pode ofuscar os olhos mais fracos, mas não os que vêem claro.
Pois, pesando o ar no meio do próprio ar, e não encontrando nenhum peso, eles acreditam que ele na verdade não pesa. Mas façam-nos pesar a água (que eles acreditam que tem peso ) dentro da própria água, e eles não encontrarão igualmente nenhum peso." Rey tornara-se o primeiro cientista a compreender claramente que o princípio de Arquimedes da flutuabilidade se aplica tanto ao ar como a um líquido. Se pesarmos no ar uma panela comum de cozinha, seu peso não será aumentado pela quantidade de ar que ela contém . Ela pesaria precisamente a mesma coisa se a panela fosse amassada até formar uma massa compacta contendo pouco ou nenhum ar. Observem, entretanto, que Rey provou apenas que o ar pode ter peso; ele não provou que o ar tem peso . Seu raciocínio meramente demoliu os argumentos aristotélicos contra a possibilidade de o ar ter peso.
Pouco depois do aparecimento dos ensaios de Rey, a bomba de ar foi inventada. O peso do ar podia ter sido provado conclusivamente se alguém tivesse simplesmente pesado um recipiente quando estivesse cheio de ar e quando estivesse vazio.
Mas ninguém pensou em faze-lo. A grande descoberta de que o ar é uma matéria pesada foi feita por Torricelli, um discípulo de Galileu.