Conteúdos da aula:
Desenvolver o conceito de matéria e seus estados físicos, e criar de um modelo para entender a estrutura de sólidos.
Do que são feitas as
coisas que estão a sua volta? Imagino que você diga rapidamente: madeira,
plástico,... Mas, você já se perguntou do que são feitos esses materiais que
formam as coisas que usamos? Se não, tente dar uma explicação para a pergunta: por
que as pedras são duras, e as folhas são maleáveis?
O objetivo dessa lição
não é estudar todos os tipos de materiais que conhecemos. Porém, ao analisarmos
os cristais (um tipo especial de sólido), estaremos construindo as bases para
entender estruturas mais complexas. No fim do estudo, tente responder novamente
a pergunta feita no início.
A missão da química é
estudar a composição da matéria e saber como transformá-la, mas... afinal, o
que é MATÉRIA?
Apesar de ouvir desde
a quinta série (para os novos, sexto ano) a definição mais comum deste termo - matéria
é tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço - intuitivamente, para mim,
matéria era apenas todo o material sólido.
Estudando um pouco
sobre o assunto, descobri que a definição desse termo não é muito simples... Claro
que aquela definição clássica continua sendo válida, mas para expandir o
conceito de matéria, veja a seguinte citação:
“Uma das principais
consequências das interações entre os constituintes
do Universo, independentemente da escala de distância que estejamos
considerando, é a aglomeração dos mesmos. Dessa aglomeração surgiram – e
continuam a surgir- objetos dos mais variados conteúdos e tamanhos.” [1]
Como constituintes deve-se entender
“tijolinhos” em qualquer um dos seguintes níveis de organização da matéria: partículas elementares, que formam as partículas compostas - como os prótons
e os nêutrons- , que dão origem aos núcleos,
que formam os átomos, que se agrupam
formando estruturas maiores.
Matéria não é apenas
aquilo que conseguimos ver e podemos tocar. Mesmo com aparelhos recentemente
desenvolvidos, não é possível ver muitos de seus constituintes. Mas apesar
dessas e outras questões complexas que envolvem a matéria e sua formação, por
enquanto é suficiente termos em mente a simples definição de que matéria é um grande ajuntamento de átomos.
Organização da Matéria
Como você imagina
que os átomos estão organizados para formar as coisas? Em sua opinião, existe
ordem no arranjo espacial do nível atômico de cada substância?
Corrigindo a minha
intuição de que apenas os sólidos se encaixavam na definição de matéria (e
talvez alguns de vocês também pensavam assim), todas as fases de uma
determinada substância são consideradas como matéria.
As várias fases de uma
mesma substância se diferem na distribuição espacial dos constituintes. Isto é,
denominamos fase da matéria a um
particular arranjo espacial dos átomos, dentre os possíveis. [1]
Quais são as fases
ou estados da matéria, que você conhece? Será que os átomos têm apenas três
possibilidades diferentes de se organizar?
Sólido, líquido e
gasoso, são estados da matéria que se diferenciam principalmente na densidade
da substância. Porém, há muitos arranjos possíveis para a mesma composição
química, cujas propriedades físicas, tais como: dureza, brilho, cor, ponto de
fusão, ... são distintas entre si.
Para entendermos
melhor a matéria a nível molecular, vamos fazer um experimento:
Material:
- várias bolinhas de
mesmo tamanho (bolinhas de isopor são perfeitas para essa atividade)
- um recipiente cúbico
ou paralelepípedo, de preferência transparente
Imagine que os átomos
têm forma esférica e que eles podem se arranjar de qualquer maneira dentro de
um volume delimitado. Usando o material proposto como um modelo, construa
possíveis arranjos de bolinhas na caixa. Organize as bolinhas minimizando os
espaços vazios, por exemplo.
Sugestões:
- Coloque a
primeira camada de forma que os centros das bolinhas estejam alinhados e elas
se encostem. Faça a segunda e demais camadas iguais a primeira colocando as
bolinhas exatamente em cima daquelas da camada inferior.
3. Organize a
primeira camada de forma que as bolinhas se encostem, mas que seus centros
estejam alinhados em apenas um sentido. A segunda camada é facilmente formada
ao posicionar as bolinhas em todas as depressões formadas pela primeira camada.
Há duas formas de fazer a terceira camada (uma delas é colocando as bolinhas na
posição da primeira camada, repetindo-a. Descubra a outra maneira de dispor as
bolinhas!).
Aplicação do modelo
Com essas sugestões,
construímos as formas mais comuns de organização de metais e sólidos iônicos,
como os sais. Preferimos focar nos
sólidos, pois nessa fase os átomos vibram pouco. Para facilitar ainda mais o
estudo de suas estruturas, assumimos que cada átomo em uma estrutura sólida,
ocupa uma posição rígida.
Imagino que uma das
formas que você escolheu para colocar as bolinhas dentro da caixa foi deixá-las
desorganizadas. Por mais incrível que pareça, isso acontece bem frequente na
natureza. Vários sólidos, como açúcar, borrachas,... são chamados de sólido
amorfos, pois não tem uma ordem em sua estrutura atômica espacial.
Já outros sólidos,
como um fio de cobre, uma barra de ferro, um graozinho de sal de cozinha,... têm
estruturas bem organizadas e por isso são chamados de cristais.
Você talvez já ouviu
falar que grafite e diamante são feitos dos mesmos tipos de átomo: o carbono. O
vidro e o quartzo também compartilham a mesma fórmula química: SiO2.
Qual é a diferença entre eles, para que apresentem propriedades tão
diferentes? A resposta está no tipo de organização. E por ser tão
importante, vamos analisar mais a fundo os três tipos de arranjos sugeridos no
experimento.
Como os cristais são
constituídos de muitas, e muitas “bolinhas”, vamos estudar as diferentes
organizações olhando apenas para célula unitária. A célula unitária é a menor unidade que se repete e que tem todas as
características de simetria da forma organizada espacial dos átomos.
1) O primeiro arranjo
é um modelo da estrutura cúbica primitiva. Sua célula unitária é um cubo
simples, com uma bolinha em cada vértice. Nesse arranjo cada átomo esta
encostando em outros 6 átomos. Dizemos que o número de coordenação é igual a 6. Para facilitar, conte quantas bolinhas estão em contato com a bolinha amarela. O polônio, Po, se organiza dessa forma, quando está no estado sólido.
2) A célula unitária
do segundo arranjo é cúbica de corpo centrado. É a mesma célula anterior, porém
com uma bolinha no centro encostando-se a todas as bolinhas dos vértices. O
número de coordenação desse arranjo é 8. Se empilhássemos várias dessas células
unitárias sem deixar espaço entre elas, estaríamos formando a estrutura real
dos seguintes compostos metálicos: Lítio, Sódio, Potássio, Ferro, Crômio, e
outros.
3) Existem duas
possíveis formas de organizar o terceiro arranjo. As duas primeiras camadas são
iguais para ambos.
- se as bolinhas da
terceira camada forem colocadas nos buracos formados pela primeira e segunda
camada, de forma que não seja possível ver o chão, então a célula unitária é
cúbica de face centrada. Exemplos de arranjos cúbicos de face centrada:
alumínio, níquel, cobre, prata e ouro.
Essas duas formas são chamadas de
empacotamento compacto, pois é a maneira de arranjar os átomos de forma que os
espaços vazios sejam mínimos, e o número de coordenação seja máximo. Ambos
os arranjos tem mesmo número de coordenação, você pode imaginar qual é? Tente
descobrir olhando as figuras, ou o seu modelo do experimento.
Na Bíblia, muitos
elementos são simbólicos, inclusive os números!
12 tribos em Israel e
12 discípulos de Jesus. Esse número simboliza o povo de Deus na Terra.
12 também é o máximo
de bolinhas que se encostam a outra bolinha de mesmo tamanho, e é o número de
coordenação de estruturas de empacotamento compacto.
Será que isso nos
ajuda a entender porque Deus escolheu esse número para representar Seu povo?
No acampamento de
Israel, as tribos estavam distribuídas ao redor no tabernáculo. Este era o
centro das atividades religiosas do povo: “Os filhos de Israel armarão as suas tendas, cada um debaixo da sua
bandeira, segundo as insígnias da casa de seus pais; ao redor, defronte da
tenda da congregação, armarão as suas tendas.” Números 2:2
Dentre os doze
apóstolos, Jesus era o Mestre, o Principal. Foi Ele Quem os escolheu: “E subiu ao monte, e chamou para si os
que ele quis; e vieram a ele.
E nomeou doze para que estivessem com ele e os mandasse a pregar,
E para que tivessem o poder de curar as enfermidades e expulsar os demônios”. Marcos 3:13-15
E nomeou doze para que estivessem com ele e os mandasse a pregar,
E para que tivessem o poder de curar as enfermidades e expulsar os demônios”. Marcos 3:13-15
Jesus quer que o
máximo de pessoas fiquem perto dEle. Hoje Ele chama a todos: “Assim que já não sois estrangeiros, nem
forasteiros, mas concidadãos dos santos, e da família de Deus;
Edificados sobre o fundamento dos apóstolos e dos profetas, de que Jesus Cristo é a principal pedra da esquina;” Efésios 2:19-20
Edificados sobre o fundamento dos apóstolos e dos profetas, de que Jesus Cristo é a principal pedra da esquina;” Efésios 2:19-20
Se você quiser fazer
parte da Igreja de Cristo, terá um lugar bem junto ao Rei Jesus.
Aproximando-nos de Cristo, o grande centro, estaremos nos aproximando uns dos
outros exatamente na mesma proporção. (O Desejado de Todas as Nações, pág 296).
Esse é o plano divino
de Igreja: em Jesus “todo
o edifício, bem ajustado, cresce para templo santo no Senhor.No qual também vós
juntamente sois edificados para morada de Deus em Espírito.” Efésios 2:21-22
Referência:
[1] Marques, Gil da Costa, Do que Tudo é feito? Edusp, 2010.