Introdução ao átomo

Na maior parte assuntos é preciso atingirmos níveis muito avançados de conhecimento para podermos abordar os assuntos filosoficamente mais interessantes. Na Química, isso acontece desde o início com aquilo que é indiscutivelmente a questão filosófica mais interessante de toda a disciplina. Isto é, o átomo. A ideia do átomo, tal como os primeiros filósofos a definiram há muito tempo era... Se começarmos com... uma maçã... Se começarmos com uma maçã... e a cortarmos sucessivamente... Vou desenhar uma maçã com bom aspeto e que não pareça mais um coração que outra coisa... Aqui está. Temos aqui uma bela maçã. Cortamo-la sucessivamente em pedaços cada vez mais pequenos... Acabamos por ficar com um pedaço tão pequeno, tão minúsculo, que não o conseguimos cortar mais. Tenho a certeza que alguns fiósofos pegaram numa faca e tentaram mesmo fazê-lo. E devem ter ficado com a sensação de que se pudessem afiar um pouco mais a faca conseguiriam cortar a maçã ainda mais algumas vezes. É uma construção puramente filosófica que, honestamente, não é muito diferente daquilo que é hoje o átomo. Na realidade é uma abstração mental que nos permite descrever muito do que observamos no Universo Seja como for, estes filósofos pensaram: acho que vamos chegar a um ponto em que vamos ter um pedaço tão pequeno da maçã que não seremos capazes de dividir mais. E deram a isso o nome de átomo. Isto não se aplica só à maçã... Segundo eles, isto seria verdade para qualquer substância ou elemento que encontrássemos no Universo. Em grego, a palavra átomo descreve algo que não se pode cortar mais ou que é indivisível. Que não se pode cortar mais ou que é indivisível. Atualmente, sabemos que o átomo se pode dividir e que não é a forma mais pequena de matéria que conhecemos. Hoje sabemos que um átomo é constituído por outras partículas ainda mais fundamentais Vou escrever isso.Temos o neutrão. A seguir já desenho como se distribuem todos e a estrutura do átomo. Temos então... o neutrão... Temos o protão e temos os eletrões. Eletrões. E talvez já conheças isto de vídeos antigos sobre projetos nucleares, talvez já tenhas visto desenhos iguais a estes. Vou ver se consigo desenhá-lo... é algo deste género. E depois temos estas coisas a girar. Mais ou menos como estas... Mais ou menos como estou a demonstrar. Têm órbitas semelhantes a estas... algo deste género. A ideia por detrás destas imagens nucleares é que temos um núcleo no centro do átomo. Temos um núcleo no centro do átomo. E sabemos que um núcleo tem neutrões e protões. Neutrões e protões. Vamos voltar a falar sobre o número de neutrões e o número de protões de cada elemento. E a orbitar... vou usar a palavra órbita para já... mas vamos aprender muito em breve que a palavra órbita está incorreta ou que é a forma mental incorreta de visualizar aquilo que um eletrão está a fazer Mas a ideia antiga era que tínhamos estes eletrões a orbitar o núcleo de maneira muito semelhante à forma como a Terra orbita em torno do Sol... ... ou a Lua orbita em torno da Terra. Entretanto, foi demonstrado que esta ideia está completamente errada... Quando estudarmos Mecânica Quântica, vamos perceber porque é que isto não funciona, quais são as contradições que emergem quando tentamos fazer um modelo de um eletrão como se fosse um planeta que gira à volta do Sol. Mas esta era a ideia original... estou plenamente convencida de que é a maneira mais comum de as pessoas verem o átomo. Já vos disse que o átomo é interessante filosoficamente. E porque é que é interessante filosoficamente? Porque a definição atualmente aceite do que é o átomo está ali na linha ténue que separa a realidade fisica, tal como a vemos, do conceito de que tudo no mundo é apenas informação, e de que não há nada a que se possa chamar matéria verdadeira, ou partículas verdadeiras tal como as definimos na nossa vida quotidiana. Para mim, uma partícula é como um grão de areia... Posso pegar-lhe, tocar-lhe... Enquanto uma onda pode ser uma onda de som, pode ser uma variação de energia ao longo do tempo... Mas vamos aprender - sobretudo quando abordarmos a Mecânica Quântica - que tudo isto se mistura à medida que nos aproximamos da escala ou da dimensão do átomo. Disse-vos que esta era a forma incorreta de o fazer... Então, qual é a forma correta? O que acontece... Isto é uma imagem, ou melhor, é uma representação... Aquilo que acabei de dizer é uma questão interessante. Como é que podemos ter uma imagem de um átomo? A maioria dos comprimentos de onda de luz, em particular os comprimentos de onda de luz visível, que nos permitem ter imagens ou representações e é muito menor do que o tamanho de um átomo. Tudo o que vemos e observamos na vida é luz refletida. Mas de repente, quando estamos a lidar com um átomo a luz refletida é um instrumento demasiado grande ou grosseiro para observar o átomo. Seja como for, esta é uma representação de um átomo de hélio. Um átomo de hélio. Um átomo de hélio tem dois protões e dois neutrões. Ou pelo menos este átomo de hélio tem dois protões e dois neutrões. E a forma como representam o núcleo, talvez estes sejam os dois... Vou assumir que estão a usar o vermelho para os protões e o roxo para os neutrões. O roxo parece-me uma cor mais neutra... Então... os neutrões estão no centro deste, deste átomo. Estes são os dois eletrões que o hélio tem, ou que pelo menos este átomo de hélio tem. Podemos ganhar ou perder eletrões, mas estes são os dois eletrões. E podem perguntar-me: "Como é que dois eletrões podem ser esta nuvem que está aqui espalhada à volta deste átomo?" Agora sim, isto está a tornar-se filosoficamente interessante. Não podemos descrever o percurso de um eletrão à volta do núcleo com a ideia tradicional da órbita que encontrámos quando estudámos os planetas, ou quando imaginamos as coisas a uma escala maior. No caso do eletrão não podemos conhecer exatamente a sua velocidade e a sua posição num determinado ponto no tempo. Tudo o que podemos saber é a distribuição de probabilidade de onde poderá estar. E a forma como representaram isto - o preto significa uma maior probabilidade -- quer dizer que é muito mais provável encontrar o eletrão aqui do que aqui. o eletrão pode estar em qualquer lado. Até poderia estar aqui... embora esta zona esteja completamente branca, com uma probabilidade muito, muito, muito baixa. Esta função de onde poderá estar o eletrão chama-se orbital. Orbital. Não a confundas com a palavra órbita. Orbital! Lembra-te que uma órbita é algo deste género, é como o percurso de Vénus em volta do Sol. É muito fácil de imaginar. Uma orbital é na realidade uma função matemática de probabilidade que nos indica onde é mais provável encontrarmos um eletrão. Vamos ver isto mais em detalhe quando estudarmos Mecânica Quântica, mas não é esse o objetivo deste curso introdutório de Química. Mas é interessante, não é? O comportamento de um eletrão é tão bizarro a esta escala que não podemos chamar-lhe partícula... Isto até é enganador! Diz-se que é uma partícula, mas não no mesmo sentido a que estamos habituados no dia-a-dia. É uma "coisa" que nem sequer sabemos exatamente onde está. Até pode estar em qualquer ponto desta nuvem. Vamos aprender mais tarde que há diferentes tipos de nuvens à medida que adicionamos mais eletrões a um átomo. Mas para mim, comecem a abordar questões filosóficas sobre o que é a matéria... ou quão reais serão as coisas para que estamos a olhar. Quão reais são de acordo com aquilo que entendemos por realidade... Seja como for, não quero tornar este assunto demasiado filosófico. Todo o conceito de eletrões e protões está assente no conceito de carga. Falámos sobre isto anteriormente quando estudámos a lei de Coulomb... Podemos rever os vídeos sobre as leis de Coulomb na disciplina de Física. A ideia era que: um eletrão tem carga negativa; um protão - às vezes escreve-se assim - tem carga positiva; e um neutrão não tem carga. Isto é o que era tentador no modelo original do átomo! Pensaram: OK, isto tem carga positiva, certo? Suponhamos que temos 2 neutrões e 2 protões... Suponham que é um átomo de hélio. Temos cargas positivas aqui e temos cargas negativas aqui. Cargas opostas, atraem-se! Se estas coisas tivessem velocidade suficiente, descreveriam uma órbita à volta disto tal como um planeta orbita em torno do Sol. Mas agora sabemos - embora isto seja parcialmente verdade - que quanto mais longe um eletrão estiver do núcleo mais energia potencial tem. Quanto mais longe um eletrão estiver do núcleo mais energia potencial tem. Isto faz com que queira mover-se em direção ao núcleo, mas por causa da mecânica ao nível quântico, não irá fazer algo simples deste género... tal como um cometa descreve à volta do Sol. tem antes este comportamento ondulatório, com esta função de probabilidade para o descrever. Quanto mais longe estiver uma orbital, mais energia potencial tem. Vamos ver isto com maior detalhe em vídeos futuros. Como identificamos o que é um elemento? Falei muito sobre a filosofia... mas como é que sei que isto é hélio? É pelo número de neutrões que tem? É pelo número de protões que tem? É pelo número de eletrões? A resposta certa é: é pelo número de protões que tem! Se soubermos o número de protões de um elemento, sabemos que elemento é. E o número de protões... o número de protões... é definido como o número atómico. número atómico. Imaginemos que eu dizia que algo tinha 4 protões... 4 protões. Como sabemos do que se trata? Se ainda não o tivermos memorizado, podemos consultar a tabela periódica dos elementos, que vai aparecer muito neste conjunto de vídeos. E diríamos: 4 protões... é o berílio. Aqui está ele. O número atómico é o número que aparece aqui em cima, é igual ao número de protões. É o que diferencia um átomo do outro. Se tivermos 15 protões, estamos a falar do fósforo. Assim de repente, suponhamos que temos 7 protões... então estamos a falar do nitrogénio. Se tivermos 8, estamos a falar do oxigénio. É isto que define o elemento. Vamos falar em breve do que acontece com a carga... Ou o que acontece quando ganhamos ou perdemos eletrões... A verdade é que isto não altera o elemento de que estamos a falar. Da mesma forma, se mudarmos o número de neutrões, isto também não altera esse elemento. Surge-nos agora uma questão óbvia: "Quantos neutrões e eletrões temos?" Bem... Se um átomo for neutro, se for eletricamente neutro, significa que tem o mesmo número de eletrões... Suponhamos que tinha carbono. O carbono tem um número atómico igual a 6. E suponhamos que o seu número de massa é 12. O que significa isto? Deixem-me chamar a atenção para que estamos a falar de uma partícula neutra. É um átomo neutro. Então, o número atómico do carbono é 6. Isto diz-nos exatamente quantos protões tem. Se eu desenhar um pequeno modelo aqui, e isto está longe de ser um modelo preciso, tenho que representar... 1, 2, 3, 4, 5, 6 protões no centro. Cada protão tem uma unidade de massa atómica... Vamos ver mais tarde a sua correspondência com os quilogramas. É uma fração muito pequena do quilograma. Acho que é aproximadamente igual a 1,6 vezes 10 levantado a menos 27 quilogramas. Cada um destes - vou escrever isto - cada um destes pesa uma unidade de massa atómica e que é aproximadamente igual a 1,67 vezes 10 levantado a menos 27 quilogramas. É um número muito pequeno. É praticamente impossível de visualizar... pelo menos para mim. Isto dá-nos a massa do átomo de carbono, deste átomo de carbono em particular. E isto pode mudar de um átomo de carbono para outro átomo de carbono. Isto é basicamente igual à massa de todos os protões mais a massa de todos os neutrões. Ora, sabemos que cada protão tem uma massa atómica de 1, em unidades de massa atómica, e cada neutrão tem igualmente massa atómica de 1 unidade de massa atómica. Isto é igual ao número de protões mais o número de neutrões. Mais o número de neutrões... Neste caso temos 6 protões e temos de ter também 6 neutrões... 6 neutrões mais 6 protões Onde estão os eletrões? Eu disse que era neutro... e que o protão tem uma carga positiva igual à carga negativa do eletrão. É portanto um átomo neutro com 6 protões e, por isso, tem que ter também 6 eletrões. Vou desenhar isso. Dissemos que tinha 6 neutrões. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Aqui temos o núcleo. Para desenhar os eletrões vou fazer uma mancha... Se quisermos visualizar... OK! Temos 6 eletrões a orbitar. 1, 2, 3 4, 5, 6 E vão mover-se de uma forma imprevisível, que teríamos de descrever com uma função de probabilidade. O que é interessante nisto é que a maior parte da massa de um átomo está concentrada aqui. Já devem ter reparado que quando as pessoas falam da massa, quando falam do número de massa atómica de um átomo, ignoram os eletrões. Isso deve-se ao facto de que a massa de um protão é igual a 1836 eletrões. Quando estamos a pensar na massa de um átomo, em todos os casos mais simples, podemos ignorar a massa do eletrão. É a massa do núcleo que realmente interessa para calcular a massa do átomo. Agora... Se olharem para a tabela periódica, dizem: "OK, o número atómico está aqui". O número atómico do oxigénio é 8. Significa que tem 8 protões. O número atómico do silício é 14. Tem 14 protões. O que é que temos aqui? Vamos ver para o caso do carbono. Para o carbono têm o número 12,0107, que representa o peso atómico do carbono. Vou escrever isto. Peso atómico do carbono. O peso atómico do carbono é 12,0107. 12,0107. O que é que isto significa? Será que significa que o carbono tem 6 protões e que o resto, os 6,0107 que sobram são os neutrões? Temos uma fração de neutrão? Não! Significa que se calculássemos a média do carbono, de todas as versões de carbono do planeta, e se calculássemos a média do número de neutrões baseada na quantidade dos diferentes tipos de carbono, esta seria a média que obteríamos. A principal forma do carbono é o carbono 12. Tem 6 protões e 6 neutrões. Outro isótopo do carbono... notem: um isótopo é o mesmo elemento com um número diferente de neutrões. Outro isótopo do carbono é o carbono 14, que é muito mais escasso no nosso planeta. Não sabemos o que acontece no resto do universo, mas estamos a falar do nosso planeta. Se calculássemos a média... e não a média aritmética simples... porque obtínhamos carbono 13 e o peso atómico seria 13... mas o carbono 12 tem de ter um peso muito maior porque existe em muito maior quantidade na Terra. Este é praticamente todo o carbono que conhecemos. Mas há um pouco deste... ... do carbono 14. Se os pesarmos apropriadamente, a média que se obtém é esta. Em média, o peso em unidades de massa atómica da maior parte do carbono é 12,0107. A ideia de isótopo é interessante, vamos explorá-la. Lembrem-se que quando alteramos os neutrões, não alteramos o elemento base. Obtemos apenas um isótopo diferente... uma versão diferente do elemento. Estas duas versões de carbono são ambas isótopos. Quero acabar este vídeo com aquela que acho ser a ideia mais interessante acerca dos átomos. Bem... O tamanho relativo... temos estes eletrões que representam muito pouco da massa do átomo... 1/2000 da massa do átomo deve-se aos eletrões. Para além disso, é difícil descrevê-los como partículas, porque não conseguimos dizer com exatidão onde estão e com que velocidade se deslocam estas partículas. Têm apenas uma função de probabilidade. A maior parte do átomo está concentrada no núcleo. Esta é a parte interessante. Se olharmos para um átomo genérico... digamos que isto é o meu átomo. Imaginemos que tinha 2 átomos ligados um ao outro. E perguntava: "Que parte disto é matéria real?" E quando digo matéria real, é um conceito muito abstrato, porque estamos a falar do núcleo, certo? Porque o núcleo é onde está toda a massa, toda a matéria real. Sabe-se que corresponde a uma fração infinitesimalmente pequena do volume do átomo. O volume do átomo é difícil de definir porque os eletrões podem estar em qualquer lado, mas se pensarmos no volume como a região onde é mais provável encontrar o eletrão, ou que corresponde a 90% de probabilidade de encontrar o eletrão, então o núcleo é, em muitos casos, cerca uma décima milionésima parte do volume. Quando olhamos para algo... Se olhares para a tua mão, ou para a parede ou para o teu computador, 99,99% do seu espaço... Não é nada... é o vácuo. Se tivéssemos partículas ultrapequenas - acho que lhes podemos chamar partículas --, a maioria delas atravessaria qualquer coisa. A nossa noção da realidade já começa a ser questionada. O que é que existe se desmontarmos uma coisa até aos seus constituintes mais básicos?... Até ao nível atómico? A maior parte do espaço dessa espécie de objeto é espaço vazio. Conseguiríamos atravessá-lo se conseguíssemos ir até essa escala. Nesta imagem de um átomo de hélio, dizem que isto mede 1 fentómetro, certo? 1 fentómetro. 1 fentómetro. Esta é a escala do núcleo de um átomo de hélio, certo? 1 fentómetro. Isto é 1 angström, certo? E isto é igual a 100 000 fentómetros. Para teres uma ideia da escala, 1 angström é 1 vezes 10 levantado a menos 10 metros, certo? O átomo é aproximadamente da mesma escala do angström. No caso do hélio, o núcleo é uma fração ainda menor. É a centésima milionésima parte. E um fentómetro é 10 levantado a menos 15 metros. Vamos imaginar que tínhamos hélio líquido... que tem de estar muito frio para estar neste estado. Se olhássemos para ele, a maior parte seria espaço vazio. Se olharmos para uma barra de ferro, na sua grande, grande, grande maioria é espaço vazio. Talvez haja algum espaço vazio no interior do núcleo. Não sei o que estarão a pensar mas para mim é completamente desconcertante que a maioria das coisas que vemos não seja realmente sólida. É apenas espaço vazio. Mas as coisas parecem sólidas por causa da forma como a luz reflete nelas e das forças que nos repelem. A maior parte do que temos é espaço vazio, não há nada para tocar. Acho que vou parar de dizer a expressão "espaço vazio" e deixo o resto das surpresas para o próximo vídeo. Até já!