COISAS DO ÁTOMO-PARTE 3 - FEIRA DE CIÊNCIAS ... O Imperdível !
(Parte 3 - O profeta siberiano)
No ano de 1869, um professor de Química da Universidade de São Petersburgo fez uma impressionante predição. Pelo menos mais três elementos químicos seriam adicionados à lista dos sessenta e três já conhecidos. Ele os chamou de eca-alumínio, eca-boro e eca-silício. Dmitri Ivanovitch Mendeleiev (1834-1907) não havia realizado nenhuma experiência relativa a esses três elementos e nunca os tinha visto, antes de fazer uma predição tão audaciosa relativa a sua descoberta. Não conhecia nenhuma substância que os contivesse e não tinha a menor idéia de onde poderiam ser encontrados.
Não obstante, esse jovem de Tobolsk, Sibéria, teve a coragem de predizer suas propriedades químicas e físicas. O eca-alumínio teria propriedades semelhantes às do metal alumínio. Seu peso atômico seria sessenta e oito vezes o do átomo de hidrogênio. Seria facilmente fusível e formaria produtos chamados alumes, sendo volátil o seu cloreto. Então, em 1875, este novo elemento foi descoberto. Partindo de um minério de zinco, Lecoq de Boisbaudran isolou o misterioso eca-alumínio. Repetidas experiências provaram que não havia nenhum engano. O novo metal era na verdade o elemento cujas propriedades tinham sido preditas com tanta precisão por Mendeleiev. O descobridor chamou de gálio, em homenagem ao antigo nome de sua terra natal, a França. [Não acredito bem nessa história de homenagem à antiga terra natal, como citam os livros de História da Ciência, sempre há um pouco de 'puxar a sardinha para a sua brasa' ... e 'le coq' (seu nome), em francês é o 'galo' ... de galo para gália...]
Houve muitos que permaneceram céticos. Talvez fosse apenas um palpite feliz. Não tinha o grande Lavoisier dito que era impossível predizer a natureza e o número dos elementos?
Mas vieram em seguida outras notícias perturbadoras. Na Alemanha, Winkler tinha descoberto outro elemento novo, que se assemelhava ao eca-silício de Mendeleiev. Ele estava procurando um elemento cinza escuro, com um peso atômico de cerca de 72, e uma densidade igual a 5,5 vezes a da água. Em 1886, partindo da argirodita, minério de prata, ele isolou um metal exatamente com as propriedades certas. Chamou-o de germânio, em homenagem à sua terra natal. A tabela seguinte compara as propriedades preditas e os compostos químicos do eca-silício com os que foram mais tarde determinados para o germânio. A precisão das predições deixou confusos os críticos de Mendeleiev. Afinal de contas, talvez o jovem russo não fosse um charlatão.
eca-silício Medidas
peso atômico 72 72,3
fórmula do óxido XO2 GeO2
peso específico do óxido 4,7 4,7
fórmula do cloreto XCl4 GeCl4
ponto de ebulição do cloreto < 100 oC 86 oC
fórmula do fluoreto XF4 GeF4
fórmula do composto etílico X(C2H5)4 Ge(C2H5)4
pto de ebulição do composto etílico 160 oC 160 oC
peso específico do composto etílico 0,96 0,96
Nota: o X representa o eca-silício)
Dois anos mais tarde, o mundo da ciência acabou por convencer-se completamente. De um laboratório da Escandinávia vieram notícias de que Nilson havia isolado o eca-bóro. Tinha encontrado indicações do elemento no minério euxenita, e continuou trabalhando até ter diante dele o novo elemento. Como seus dois predecessores, o novo metal, que recebeu o nome de escândio, exibia todas as propriedades que haviam sido preditas para ele. Os dados agora eram conclusivos, e os químicos procuraram aprender os novos métodos de Mendeleiev.
Mendeleiev tinha chegado a esta antecipação fenomenal na Química por uma cuidadosa verificação das propriedades de todos os elementos conhecidos. Reuniu todos os dados referentes aos sessenta e três elementos da época. Chegou a incluir até o flúor — que se sabia ser um elemento, embora ainda não tivesse sido isolado. As informações foram registradas em sessenta e três cartões, um para cada elemento e em seguida cuidadosamente examinadas.
Ali estavam todos os elementos químicos, cada um formado por uma espécie diferente do átomo daltoniano. Seus pesos atômicos variavam de 1 para o hidrogênio, até 238 para o urânio, o elemento mais pesado. Alguns, como o hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e cloro, são gases à temperatura ambiente. Outros são líquidos como o mercúrio e o bromo. Outros ainda, são sólidos. Alguns são moles, como o sódio e o potássio; outros, como a platina e o irídio, são duros. Alguns são pesados como o urânio e o ósmio, e outros flutuam na água, como o lítio. O ferro se corrói rapidamente na atmosfera, mas o ouro nunca se mancha. O cobre é vermelho, o iodo é cinzento e o fósforo é branco. Alguns elementos unem-se com um átomo de oxigênio, outros com dois, e ainda outros, com três e até quatro.
Nessa massa de dados diversos e aparentemente não relacionados, Mendeleiev descobriu uma certa ordem muito bonita. Observou que todos os elementos pareciam encaixar-se naturalmente em um certo número de grupos, de acordo com suas propriedades. Quando ele separou à sua frente esses grupos de cartões, ficou clara, para ele, uma impressionante relação. Exceto quanto ao hidrogênio, as propriedades dos elementos pareciam estar relacionadas com seus pesos atômicos, de uma certa maneira que se repetia periodicamente Para ilustrar, se colocarmos o hidrogênio em uma classe isolada, podemos relacionar da seguinte maneira os elementos mais leves em cada uma das colunas de Mendeleiev:
Lítio Berílio Boro Carbono Nitrogênio Oxigênio Flúor
7 9,4 11 12 14 16 19
Os números que estão abaixo dos elementos são os pesos atômicos, segundo os conhecia Mendeleiev. Estes eram os elementos mais leves conhecidos (com exceção do hidrogênio) e cada um parecia ser o cabeça de uma classe de elementos que tinham propriedades semelhantes. O elemento que se lhes seguia em peso era o sódio (23). O sódio parece-se muito com o lítio, tanto em suas propriedades químicas como nas físicas. Assim, Mendeleiev colocou-o abaixo do lítio, em sua tabela de elementos. Em seguida, em seqüência normal, vinham o magnésio (24), o alumínio (27,3), o silício (28), o fósforo (31), e o enxofre (32), cada um colocando-se miraculosamente debaixo do elemento com o qual se assemelhava. A fila seguinte começou com o potássio (39) e, ainda uma vez, cada elemento parecia pertencer ao lugar em que era colocado. Desta maneira, ele dispôs todos os elementos em forma tal que contava a história de suas propriedades.
Quando a tabela foi completada, ele observou quão bem ficavam os elementos nos lugares em que os colocara. Os não-metais extremamente ativos — flúor, cloro, bromo e iodo —todos se apresentavam no mesmo grupo, o de número sete. Os metais ativos, lítio, sódio e potássio, estavam todos no primeiro grupo. Mendeleiev tinha descoberto que as propriedades dos elementos são repetidas periodicamente, quando eles são dispostos em ordem, por peso atômico. Tinha descoberto uma nova e profunda regularidade entre os elementos.
Mas ainda havia mais coisas a serem aprendidas com a Tabela Periódica dos Elementos, de Mendeleiev. Dispostos daquela maneira, os elementos mostravam uma impressionante regularidade na maneira pela qual se uniam ao oxigênio. Os elementos do Grupo 1 uniam-se com o oxigênio na proporção de dois átomos para um. As fórmulas químicas são Li20, Na2O, K2O, e assim por diante. Todos os átomos do segundo grupo unem-se aos do oxigênio na razão de um para um: BeO, MgO, CaO, ZnO etc. Os elementos do terceiro grupo unem-se na proporção de dois átomos para três: B203, Al203, In203 etc. Similarmente, existem relações regulares para os outros grupos de elementos. Tudo maravilhosamente simples. Sabendo-se as propriedades de um elemento de um grupo, sabe-se, de maneira geral, as propriedades de todos os outros elementos daquele grupo.
Procurando dispor os elementos corretamente em seus grupos, Mendeleiev verificou que o ouro (199) e a platina (198) deviam ser colocados em ordem inversa na tabela. Com a audácia que o caracterizava, proclamou que os pesos geralmente aceitos do ouro e da platina estavam errados. O ouro devia ser mais pesado que a platina. Mais tarde foi justificado, quando os pesos atômicos foram determinados com mais precisão: ouro (197) e platina (195). O ouro é mais pesado que a platina, exatamente como sustentou firmemente Mendeleiev.
O mesmo problema surgiu quanto ao telúrio e ao iodo — e mais uma vez Mendeleiev colocou os elementos em ordem inversa, com o telúrio mais pesado aparecendo na tabela antes do iodo mais leve. Os críticos repisaram aquela inconsistência, porque repetidas determinações dos pesos atômicos revelaram que o telúrio (127,6) era realmente mais pesado que o iodo (126,9). Entretanto, as propriedades dos dois elementos tornavam claro que eles estavam classificados em ordem inversa. Por que aconteceria isso? Talvez o futuro explicasse o paradoxo. Afinal de contas, a diferença dos pesos atômicos é muito pequena, apenas cerca de 0,5 por cento.
A explicação tornou-se clara anos mais tarde, quando foram adquiridos mais conhecimentos sobre a natureza dos átomos. Os pesos atômicos são apenas quase perfeitos como um meio de ordenar os elementos. O princípio da classificação tinha de ser procurado, não no peso atômico em si, mas em alguma outra característica estreitamente relacionada com ele. Como veremos, descobriu-se mais tarde que as propriedades químicas dos elementos dependem do número de 'componentes elétricos' (elétrons) do átomo. Tal número é estreitamente relacionado com o peso atômico, mas outros fatores podem afetar o peso de um átomo sem ter efeito sobre o número de elétrons que ele contém. Aguardemos!
A prática corrente é atribuir a cada elemento um número atômico, começando com o 1 para o hidrogênio e continuando sucessivamente até o 92 para o urânio, que é o elemento mais pesado que ocorre naturalmente. Esses números atômicos são usados na tabela periódica que se segue, a qual foi atualizada, incluindo os elementos descobertos após a época de Mendeleiev.
O grupo de elementos que vão do número atômico 58 até o 71 está indicado abaixo da tabela, porque eles não se relacionam com os elementos abaixo dos quais seriam normalmente colocados. Juntamente com o lantânio, 57, eles de há muito são chamados de metais de terras raras. Alguns deles não são realmente raros. O cério, 58, ocorre mais abundantemente que o chumbo, o estanho ou o mercúrio. O problema tem sido a dificuldade de sua extração das substâncias naturais. Eles ocorrem como compostos misturados com areia monazítica. Como são quimicamente muito semelhantes, sua separação é demasiado dispendiosa para a maior parte dos fins comerciais.
Valência e casamento atômico
O grande feito de Mendeleiev foi a Tabela Periódica, que classificou os elementos de maneira lógica, em famílias perfeitamente reconhecíveis. Uma das características de família que a tabela tornou óbvias foi a chamada valência.
Era bem conhecido no tempo de Mendeleiev que os átomos de diferentes elementos combinam-se em várias proporções para formar compostos. Mas essas proporções são muito específicas, e dependem dos elementos determinados que entram na combinação.
O hidrogênio e o cloro, por exemplo, podem combinar-se somente átomo por átomo; um átomo de hidrogênio nunca se combina com mais nem com menos de um átomo de cloro. Assim sendo, escrevemos a fórmula química do cloreto de hidrogênio como HCl.
Por outro lado, um átomo do metal cálcio pode combinar-se com dois átomos de cloro, para formar o cloreto de cálcio (CaCl,). Os átomos de cálcio têm duas vezes a capacidade de combinação dos átomos de hidrogênio.
Um átomo de alumínio pode combinar-se com três átomos de cloro para formar AlCl3, mostrando que a capacidade de combinação do alumínio é três vezes superior à do hidrogênio.
Um átomo de carbono pode combinar-se com quatro átomos de cloro para formar, CCl4, tetracloreto de carbono. Assim sendo, o carbono tem quatro vezes a capacidade de combinação do hidrogênio.
Os átomos de cada elemento têm uma certa capacidade de combinação definida — característica esta que é chamada de valência. Valência vem do nome latino valentia, significando vigor. Por implicação, um átomo de carbono tem o "vigor" de quatro átomos de hidrogênio, porque sua capacidade de combinação, ou valência, é quatro vezes maior.
A valência do hidrogênio é tomada como sendo um, porque um átomo de hidrogênio nunca se combina com mais que um átomo de qualquer outro elemento. Por isso mesmo, constitui um padrão conveniente, por meio do qual pode ser medida a valência dos outros elementos. O hidrogênio combina-se com o oxigênio na proporção de dois átomos para um, por exemplo, produzindo a água, H20. A valência do oxigênio deve então ser dois, porque um átomo de oxigênio combina-se com dois de hidrogênio. Similarmente, a valência do cloro é um, porque a fórmula do cloreto de hidrogênio é HCl. Diz-se que o cloro é univalente, e que o oxigênio é bivalente. O nitrogênio, que pode combinar-se com o hidrogênio na razão de três para um, como na amônia (NH3), é dito trivalente. O carbono, que pode combinar um de seus átomos com quatro de hidrogênio (CH4) é classificado como quadrivalente, e assim por diante.
A valência de um elemento pode ser considerada como o número de átomos de hidrogênio que podem ser substituídos por um átomo do elemento. O óxido de cálcio tem a fórmula CaO, e o óxido de hidrogênio, ou água, tem a fórmula H20. Portanto, o cálcio tem uma valência de dois, porque um átomo de cálcio toma o lugar de dois átomos de hidrogênio, quando seus óxidos são comparados. A valência pode também ser considerada como o número de átomos de hidrogênio que se combinam com dois átomos do elemento. Esta regra é baseada no fato de que o oxigênio tem a valência dois. Os metais sódio e potássio, cujos óxidos são Na2O e K2O, têm a valência um, porque um átomo de oxigênio combina-se com dois átomos de qualquer um dos dois elementos. Os óxidos de cálcio, de bário e de estrôncio (CaO, BaO, SrO), mostram que estes metais têm a valência dois.
Certos elementos podem ter mais de uma valência. Os óxidos de nitrogênio e de fósforo (N205 e P205), que formam com a água os ácidos nítrico e fosfórico, dizem-nos que o nitrogênio e o fósforo têm uma valência de cinco nesses compostos. Os mesmos elementos combinam-se com hidrogênio (NH3 e PH3) para formar amônia e fosfina, mas com uma valência de apenas três, em vez de cinco. Quando um elemento como o nitrogênio exibe duas valências diferentes, os dois números usualmente somam oito, como no exemplo acima (sabia disso?).
A idéia de valência foi estabelecida claramente pela primeira vez por Sir Edward Frankland em 1852. Baseava-se, naqueles dias, na maneira pela qual pareciam comportar-se os elementos. Somente durante o século XX foi encontrada uma base teórica que pudesse levar à compreensão da valência. Sabemos agora que ela se relaciona com a repartição de elétrons pelos átomos dos diferentes elementos.