A física pergunta como as coisas se movem e por quê. A química faz outra pergunta: do que isto é feito, e como pode virar outra coisa? O ferro enferruja, a madeira queima, o pão cresce, a pilha descarrega. Em cada caso um conjunto de substâncias se transforma em outro. Este primeiro capítulo monta a linguagem para isso: o que é matéria, como distinguir uma substância pura de uma mistura, como distinguir uma transformação química de uma física, e a primeira lei da química: a massa nunca se perde.
Ao final você vai conseguir
- Descrever sólidos, líquidos e gases em termos de partículas.
- Classificar qualquer amostra como elemento, composto, mistura homogênea ou mistura heterogênea.
- Distinguir uma transformação física de uma química, e escolher um método para separar uma mistura.
- Usar a conservação da massa e a densidade, ρ = m/V, em cálculos.
Matéria é tudo o que tem massa e ocupa espaço: ar, água, pedra, você. Olhando de perto o bastante, tudo é feito de átomos, partículas minúsculas com cerca de 10⁻¹⁰ m de diâmetro (um décimo de bilionésimo de metro). Existem só 118 tipos de átomo, chamados elementos, e quase tudo à sua volta é construído com algumas dezenas deles. Os átomos muitas vezes se juntam em grupos que ficam unidos, as moléculas: uma molécula de água é um átomo de oxigênio ligado a dois de hidrogênio, escrita H₂O. O número pequeno depois de um símbolo conta os átomos daquele tipo; sem número, é um.
O químico mantém duas imagens na cabeça ao mesmo tempo. A macroscópica é o que se vê e se mede: um líquido transparente que ferve a 100 °C. A de partículas é o que existe de fato: um número incontável de moléculas de H₂O, sempre se movendo e se chocando. Boa parte desta trilha vai e volta entre as duas. Toda propriedade que se mede é explicada pelo que as partículas fazem.
A mesma substância pode ser sólida, líquida ou gasosa. O que muda entre eles não são as moléculas em si, mas como estão arrumadas e quão livres se movem. As partículas se atraem um pouco e estão sempre tremendo com o movimento térmico; quanto mais rápido tremem, maior a temperatura. Qual estado vence depende da disputa entre a atração (que as mantém juntas) e o movimento (que as separa).
| Estado | Forma e volume | Partículas | Movimento |
|---|---|---|---|
| sólido | forma fixa, volume fixo | bem juntas, em geral num padrão regular | vibram no lugar |
| líquido | toma a forma do recipiente, volume fixo | ainda se tocam, sem padrão fixo | deslizam umas sobre as outras |
| gás | ocupa todo o recipiente | afastadas, quase tudo é espaço vazio | voam livres, colidem com frequência |
Isso explica de uma vez fatos do dia a dia. Gases podem ser comprimidos e líquidos quase não, porque só o gás tem espaço vazio entre as partículas. Um litro de água líquida vira cerca de 1700 litros de vapor a 100 °C: as mesmas moléculas, espalhadas. A energia para fundir ou ferver, e por que a temperatura fica parada enquanto isso acontece, estão em Física, "Temperatura e calor"; aqui o que importa é que fundir, ferver e congelar não mudam o que as moléculas são.
Uma substância pura tem composição fixa: toda amostra dela é feita das mesmas partículas. Água pura é só moléculas de H₂O, venha ela de uma geleira ou de um laboratório. Uma mistura são duas ou mais substâncias misturadas, cada uma com as suas próprias partículas, em proporções que podem variar: a água do mar pode ser mais ou menos salgada. Substâncias puras são de dois tipos, e misturas também.
| Tipo | O que significa | Exemplos |
|---|---|---|
| elemento | substância pura feita de um só tipo de átomo; não pode ser decomposta em substâncias mais simples | ferro Fe, hélio He, oxigênio O₂, carbono (diamante) |
| composto | substância pura feita de dois ou mais elementos unidos numa proporção fixa | água H₂O, sal de cozinha NaCl, gás carbônico CO₂, açúcar C₁₂H₂₂O₁₁ |
| mistura homogênea (solução) | mistura que parece igual em todo lugar, até no microscópio | água salgada, ar, vinagre, latão (cobre + zinco) |
| mistura heterogênea | mistura cujas partes dá para distinguir | areia na água, granito, salada, azeite e vinagre |
Um composto não é uma mistura dos seus elementos. O sódio é um metal mole que pega fogo na água; o cloro é um gás verde venenoso. Unidos como cloreto de sódio, formam o sal de cozinha, que você come. Os átomos são os mesmos, mas depois de unidos se comportam como uma substância nova, com propriedades próprias. Uma mistura de sódio e cloro ainda queimaria e ainda envenenaria; o sal não faz nenhuma das duas coisas.
Um composto tem sempre a mesma composição
Por volta de 1799 Joseph Proust notou que o carbonato de cobre tinha exatamente a mesma proporção de cobre, carbono e oxigênio fosse ele feito no laboratório ou tirado do chão. É a lei das proporções definidas: um composto contém sempre os seus elementos na mesma proporção em massa. Ela sai direto da imagem de partículas: se toda molécula de água é H₂O, toda amostra tem a mesma fração de hidrogênio. Dá para calcular essa fração a partir das massas dos átomos (os próximos dois capítulos explicam de onde vêm esses números: um átomo de hidrogênio tem massa 1,008 u e um de oxigênio 16,00 u, sendo u uma unidade de massa minúscula).
Como as substâncias de uma mistura mantêm as suas propriedades, uma mistura pode ser separada por meios físicos: basta uma propriedade em que as partes diferem. Um composto não se separa assim; decompô-lo em elementos exige uma reação química. Cada método abaixo aproveita uma diferença.
| Método | Usa a diferença de… | Separa, por exemplo |
|---|---|---|
| filtração | tamanho das partículas: o sólido fica no papel, o líquido passa | areia da água, pó de café do café |
| evaporação | volatilidade: o líquido sai como vapor, o sólido fica | sal da água do mar |
| destilação | ponto de ebulição: ferve-se e depois se resfria o vapor de volta a líquido | água pura da água do mar, álcool do vinho |
| cromatografia | quanto cada substância gruda numa superfície enquanto um solvente a arrasta | os corantes de uma tinta preta |
| decantação, centrifugação | densidade: a parte mais pesada se deposita | óleo da água, células do sangue do plasma |
| ímã | magnetismo | limalha de ferro do pó de enxofre |
Numa transformação física as substâncias continuam as mesmas; só a forma ou o estado mudam. Gelo derretendo, açúcar dissolvendo, vidro quebrando: a água continua H₂O, as moléculas de açúcar continuam sendo açúcar, agora espalhadas na água. Numa transformação química, também chamada reação química, formam-se substâncias novas: os átomos largam os parceiros antigos e se juntam em combinações novas. Quando o hidrogênio queima no oxigênio, moléculas de H₂ e O₂ somem e aparecem moléculas de H₂O.
As propriedades também são de dois tipos. Uma propriedade física pode ser medida sem mudar a substância: cor, densidade, ponto de fusão, dureza. Uma propriedade química descreve como a substância se transforma em outras: o ferro enferruja no ar úmido, o metano queima, o ouro não reage com ácidos. Para observar uma propriedade química é preciso gastar um pouco da substância.
| Sinal de que talvez houve uma reação | Exemplo |
|---|---|
| aparece um gás (bolhas) que não estava ali | bicarbonato e vinagre efervescem: gás carbônico |
| uma cor nova | a maçã cortada escurece, telhados de cobre ficam verdes |
| forma-se um sólido num líquido transparente (um precipitado) | a água de cal fica leitosa com o seu sopro |
| calor ou luz liberados (ou absorvidos) | a chama de uma vela, uma bolsa de gelo instantâneo |
| um cheiro novo | o leite azedando |
Queime uma tora e sobra só um pouco de cinza; deixe um prego de ferro enferrujar e ele fica mais pesado. Durante séculos isso parecia mostrar que as reações criavam ou destruíam matéria. Nas décadas de 1770 e 1780 Antoine Lavoisier pesou reações dentro de recipientes fechados, para que nenhum gás escapasse ou entrasse, e viu que a massa total antes e depois era sempre a mesma. A massa que some da tora sai como gás carbônico e vapor de água; a massa extra do prego é oxigênio tirado do ar. É a lei da conservação da massa.
Exemplo: 12,0 g de carbono queimam por completo no oxigênio e formam 44,0 g de gás carbônico. Quanto oxigênio foi usado? A massa se conserva, então 12,0 g + m(oxigênio) = 44,0 g, e m(oxigênio) = 32,0 g. A rodada de prática abaixo deixa você conferir a versão em partículas: em toda transformação, os átomos contados embaixo das duas caixas são os mesmos.
Uma rodada de 10 perguntas
Acerte quantas conseguir. Os erros voltam no final, numa rodada de revisão.
Cada bolinha é um átomo, colorido pelo elemento (H branco, O vermelho, N azul, C cinza-escuro, Cl verde); bolinhas encostadas são uma molécula. Um elemento tem um só tipo de átomo, sozinho ou em moléculas como O₂. Um composto é um só tipo de molécula feita de dois ou mais elementos. Uma mistura tem mais de um tipo de partícula, misturadas mas não unidas. Numa transformação, compare as moléculas, não as posições: se toda molécula do depois já estava no antes, foi física; se aparecem moléculas novas, foi química. A contagem de átomos embaixo das caixas nunca muda: átomos não são criados nem destruídos.
Um quilo de penas e um quilo de chumbo têm a mesma massa, mas volumes muito diferentes. A densidade mede quanta massa cabe em cada unidade de volume. Ela não depende de quanto material você tem: um anel de ouro e uma barra de ouro têm a mesma densidade. Isso a torna uma das propriedades físicas mais fáceis para identificar uma substância.
| Material | Densidade (g/cm³, por volta de 20 °C) |
|---|---|
| ar (ao nível do mar) | 0.0012 |
| cortiça | 0.24 |
| azeite | 0.92 |
| água | 1.00 |
| alumínio | 2.70 |
| ferro | 7.87 |
| chumbo | 11.34 |
| ouro | 19.32 |
Medir a massa é fácil: põe-se na balança. O volume de um cubo é lado × lado × lado, mas a maioria dos objetos não é um cubo. O truque, atribuído a Arquimedes, é mergulhar o objeto na água de uma proveta: um sólido empurra exatamente o seu próprio volume de água, então o nível sobe o volume do objeto. No laboratório abaixo, duas pepitas do mesmo tamanho e da mesma cor acabam sendo materiais bem diferentes.
Escolha uma amostra, pese-a e depois mergulhe-a na água. Um sólido empurra exatamente o seu próprio volume de água, então a subida do nível é o volume dele, mesmo para uma pepita irregular que nenhuma régua mediria. Densidade é massa por volume, ρ = m/V, e pertence ao material, não ao objeto: um anel de ouro e uma barra de ouro têm a mesma. Compare as duas pepitas: mesmo tamanho, mesma cor, mas uma é quase quatro vezes mais pesada. Cada leitura da água vale cerca de ±0,2 mL, então a densidade vem com uma incerteza; as linhas verdes são os materiais dentro dela.
A química usa as unidades do SI vistas em Física, "Unidades, dimensões e medidas", onde estão a conversão de unidades e os algarismos significativos. Vale acrescentar três hábitos. Volumes costumam vir em litros e mililitros: 1 L = 1000 mL = 1000 cm³ = 1 dm³. Massas costumam vir em gramas, porque as quantidades do laboratório são pequenas. E temperaturas se medem em graus Celsius mas entram nas fórmulas em kelvin, a escala que começa no zero absoluto.
1. Classifique: (a) vapor de água, (b) ar, (c) mercúrio, (d) água barrenta. O vapor é água, um composto, no estado gasoso. O ar é uma mistura homogênea, principalmente de N₂ e O₂. O mercúrio é um elemento. A água barrenta é uma mistura heterogênea: o barro se deposita se você esperar.
2. Física ou química? Dissolver açúcar no chá é física: evapore a água e o açúcar ainda está lá. Torrar o pão é química: formam-se substâncias novas, marrons e saborosas, e não dá para ter o pão não torrado de volta.
3. Um bloco de metal de 5,00 cm × 4,00 cm × 2,00 cm tem massa de 316 g. V = 40,0 cm³, então ρ = 316 / 40,0 = 7,90 g/cm³: o ferro (7,87) cabe dentro da precisão da medida.
A massa que parece sumir
4. Um pedaço de 100,0 g de palha de aço queima num prato aberto, e o produto preto pesa 140 g. Não se criou massa: o ferro se combinou com 40 g de oxigênio do ar. Queimado num frasco fechado cheio de oxigênio, o frasco pesaria exatamente o mesmo antes e depois.
| Errado | Certo | Por quê |
|---|---|---|
| O₂ é um composto porque tem dois átomos | O₂ é um elemento | um composto precisa de dois elementos diferentes; O₂ só tem oxigênio |
| água salgada é um composto | é uma mistura homogênea | a proporção de sal pode variar, e a evaporação separa os dois |
| fundir é uma transformação química | mudar de estado é físico | as moléculas são as mesmas antes e depois |
| queimar destrói matéria | os produtos são em boa parte gases | pesado num recipiente fechado, nada se perde |
| um objeto grande é mais denso | a densidade não depende do tamanho | dobre a massa e o volume dobra junto |
Ideias-chave
- Toda matéria é feita de átomos de 118 elementos, muitas vezes unidos em moléculas.
- Sólidos, líquidos e gases diferem em como as partículas se arrumam e se movem, não no que as partículas são.
- Elementos têm um só tipo de átomo; compostos têm dois ou mais elementos numa proporção fixa; misturas têm proporções variáveis e se separam por meios físicos.
- Uma transformação física mantém as substâncias; uma química forma substâncias novas a partir dos mesmos átomos.
- A massa se conserva em toda reação, porque os átomos só são rearranjados.
- A densidade ρ = m/V é uma propriedade do material, útil para identificá-lo; o volume pode ser medido pelo deslocamento de água.