domingo, 18 de janeiro de 2015

Lição dos Sólidos

Conteúdos da aula:
Desenvolver o conceito de matéria e seus estados físicos, e criar de um modelo para entender a estrutura de sólidos.


A Matéria

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:


Modelo de Sólidos

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:
  1. 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.



     2. Deixe as bolinhas da primeira camada com um pequeno espaçamento entre elas, porém devem estar alinhadas em ambos os sentidos. Forme a segunda camada colocando uma bolinha em cada buraco formado na camada inferior. Faça a terceira camada igual à primeira.


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 a terceira camada for igual a primeira, sua célula unitária é hexagonal, contendo um átomo em cada vértice de um hexágono, e três átomos no centro. Exemplos de arranjos hexagonais são: o magnésio, o cálcio, o zinco, o escândio, e o cobalto.



- 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

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

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.