Os átomos

A ciência é a busca pela simplicidade. Embora a complexidade do mundo pareça ilimitada, ela tem origem na simplicidade fundamental que a ciência busca descrever. A contribuição da química para essa busca é mostrar como tudo o que nos cerca — montanhas, árvores, pessoas, computadores, cérebros, concreto, oceanos — é, de fato, constituído por um punha- do de entidades simples. Os gregos antigos tinham a mesma ideia. Eles pensavam que havia quatro elementos — terra, ar, fogo e água — que podiam produzir todas as outras substâncias quando combinados nas proporções corretas. A noção de elemento que tinham na época é semelhante ao conceito que temos hoje. Porém, com base em experimentos, sabe-se que na verdade existem mais de 100 elementos, os quais — em diversas combinações — compõem toda a matéria na Terra.

O método científico

Os cientistas perseguem ideias por um caminho chamado método científico. Embora existam vários métodos científicos em aplicação, a abordagem típica inclui uma série de etapas Fig. 1A.1.1. O primeiro passo é, com frequência, a coleta de dados a partir de observações e medidas. Essas medidas geralmente são realizadas em amostras pequenas, representativas do material de estudo.

Os cientistas estão sempre à procura de padrões. Quando um padrão é observado nos dados, ele pode ser formalmente descrito como uma lei científica, um resumo sucinto de uma grande quantidade de observações. Por exemplo, descobriu-se que a água tem oito vezes a massa do oxigênio em relação à massa do hidrogênio, independentemente da origem da água ou do tamanho da amostra. Uma das primeiras leis da química resumiu este tipo de observação como a lei das composições constantes que estabelece que um composto tem a mesma composição, independentemente da origem da amostra.

Figura 1A.1.1

Após terem detectado os padrões, os cientistas desenvolvem hipóteses, possíveis explicações das leis — ou das observações — em termos de conceitos mais fundamentais. A observação requer cuidadosa atenção aos detalhes, mas o desenvolvimento de uma hipótese requer intuição, imaginação e criatividade. Em 1807, John Dalton interpretou resultados de muitos experimentos para propor a hipótese atômica, que diz que a matéria é feita de átomos. Embora Dalton não pudesse ver os átomos, ele pôde imaginá-los e formular sua hipótese atômica. A hipótese de Dalton foi uma intuição monumental que permitiu que outros pudessem compreender o mundo de uma nova maneira. O processo da descoberta científica nunca para.

Após formular uma hipótese, os cientistas planejam outros experimentos — testes cuidadosamente controlados — para verificar sua validade. O projeto e a condução de bons experimentos necessitam, com frequência, de engenhosidade e, às vezes, de muita sorte. Se os resultados de experimentos repetidos — frequentemente em outros laboratórios e, algumas vezes, feitos por colegas céticos — estão de acordo com a hipótese, os cientistas podem avançar e formular uma teoria, a explicação formal de uma lei. Com bastante frequência, a teoria é expressa matematicamente. Uma teoria originalmente imaginada como um conceito qualitativo — um conceito expresso em palavras ou em figuras — adota uma forma quantitativa — o mesmo conceito expresso em termos matemáticos. Após ser expresso quantitativamente, um conceito pode ser submetido a uma rigorosa confirmação experimental e ser usado para fazer predições numéricas.

Os cientistas comumente interpretam uma teoria em termos de um modelo, isto é, uma versão simplificada do objeto de estudo, com o qual eles podem fazer predições. Como as hipóteses, as teorias e os modelos devem ser submetidos à experimentação e alterados, se os resultados experimentais não estão de acordo com eles. O modelo atual do átomo, por exemplo, sofreu várias reformulações e modificações ao longo do tempo, começando pela visão de Dalton de um átomo como uma esfera sólida indivisível até nosso elaborado modelo atual, que será descrito em seguida.

A hipótese atômica

Os gregos perguntavam-se o que aconteceria se eles dividissem a matéria em pedaços cada vez menores. Haveria um ponto no qual teriam de parar porque os pedaços não teriam mais as mesmas propriedades do conjunto, ou eles poderiam continuar indefinidamente? Sabemos hoje que existe um ponto em que temos de parar. Dito de outro modo, a matéria é formada por partículas incrivelmente pequenas que não podem ser divididas por métodos convencionais. A menor partícula possível de um elemento é chamada de átomo. A história do desenvolvimento do modelo moderno do átomo é uma excelente ilustração de como os modelos científicos são construídos e revisados.

O primeiro argumento convincente em favor dos átomos, baseado em experimentos, não em especulação, foi apresentado em 1807 pelo professor de escola elementar e químico inglês John Dalton. Ele mediu muitas vezes a razão entre as massas dos elementos que se combinam para formar as substâncias a que chamamos de compostos e verificou que as razões entre as massas mostravam uma tendência. Ele encontrou, por exemplo, $\pu{8 g}$ de oxigênio para cada $\pu{1 g}$ de hidrogênio em todas as amostras de água que estudou, mas em outro composto dos dois elementos (peróxido de hidrogênio), havia $\pu{16 g}$ de oxigênio para cada $\pu{1 g}$ de hidrogênio. Dados desse tipo levaram Dalton a desenvolver sua hipótese atômica:

1. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos.
2. Os átomos de elementos diferentes têm massas diferentes.
3. Um composto utiliza uma combinação específica de átomos de mais de um elemento.
4. Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, porém trocam de parceiros para produzir novas substâncias.

Atualmente, a instrumentação de que dispomos fornece evidências muito mais diretas da existência dos átomos do que Dalton dispunha. Não existem mais dúvidas de que os átomos existem e que eles são as unidades que formam os elementos. Na verdade, os químicos usam a existência dos átomos para definir o elemento: um elemento é uma substância composta por um único tipo de átomo. Até 2015, 114 elementos haviam sido descobertos ou criados, mas, em alguns casos, somente em quantidades muito pequenas. Assim, quando o elemento 110 foi fabricado, somente dois átomos do elemento foram produzidos e, mesmo assim, eles duraram uma pequena fração de segundo antes de se desintegrar. As alegações de que vários outros elementos foram produzidos estão sendo averiguadas.