Estequiometria e a Base da Teoria Atômica
Ref.: "University Chemistry" - Mahan, B. H. - 1966
Todo o nosso entendimento dos fenômenos químicos é baseado na teoria atômica da matéria. É uma teoria notável pela exatidão detalhada com a qual descreve uma parte aparentemente incognoscível de nosso mundo físico, e permanece como a coleção mais importante de idéias na ciência. Ao longo deste livro, estaremos continuamente recorrendo à teoria para nos ajudar a organizar e entender o comportamento químico. Diante de uma demonstração repetida da utilidade, detalhe e sutileza do conceito atômico, é natural imaginar como essas idéias foram geradas. Neste capítulo, descreveremos brevemente as origens da teoria atômica e mostraremos como seu desenvolvimento estava conectado ao crescimento da ciência química.
1-1. As Origens da Teoria Atômica
O "atomismo" dos filósofos gregos de 400 a.C. fornece um contraste interessante e esclarecedor à nossa teoria atômica atual. O átomo grego foi projetado para resolver um conflito lógico: de um lado, havia a observação de que os objetos naturais estão em constante estado de mudança; do outro, a fé inabalável de que deve haver uma permanência associada a coisas reais. Os gregos achavam que esse impasse filosófico poderia ser evitado se átomos invisíveis fossem aceitos como constituintes permanentes do universo, e se mudanças de observação fossem interpretadas em termos de seus movimentos.
Agora está claro que os fenômenos de mistura, evaporação, erosão e precipitação podem ser prontamente "explicados" em termos de um quadro atômico que não é de todo detalhado. Com pouca elaboração, a ideia atômica abrange muitas propriedades da matéria. A existência de sólidos requer apenas que certos átomos possuam extensões com as quais eles podem se intertravar para formar uma massa de sustentação. Os átomos de líquidos precisam apenas ser abaulados para fluir uns sobre os outros, enquanto o sabor de alguns produtos químicos surge das bordas angulares de seus átomos que cortam a língua. Enquanto algumas dessas idéias são de uma precisão notável (as moléculas de enzima no abacaxi cru realmente "cortam" a língua, destruindo a estrutura da proteína), elas não são nada além de conjecturas. O atomismo grego não possuía a característica essencial de uma teoria científica: ela não foi apoiada ou testada por experimentos críticos. Assim como foi construído da conjectura, poderia ser demolido por mais conjectura. As objeções que surgiram diziam respeito à simplicidade dos átomos e à complexidade da natureza. Como poderia algo tão pequeno e inanimado ser responsável por coisas que vivem? Como poderia a variedade da natureza surgir de partículas que, segundo os gregos, diferiam apenas ligeiramente umas das outras? Como poderia qualquer corpo, sendo uma coleção de partículas se movendo no caos, ter um comportamento previsível? São questões que ainda nos preocupam e que estimulam o constante aprimoramento da moderna teoria atômica. São também questões que, em 40 a.C., levaram ao abandono do atomismo como uma filosofia ativa. Uma conjectura foi derrubada ou seriamente abalada por outras, e assim a situação permaneceu por quase 2000 anos.
Certamente é correto dizer que a base lógica para a crença na existência de átomos foi fornecida por Dalton, Gay-Lussac e Avogadro, em trabalhos publicados no início do século XIX. O que é que, no entanto, distingue as contribuições desses homens das especulações ineficazes dos 2000 anos anteriores? Por que Dalton é chamado de pai da teoria atômica, quando, por um século e meio antes de seu trabalho, homens tão distintos como Boyle e Newton usaram a descrição particulada da matéria? A qualidade que Dalton mantinha em comum com Gay-Lussac e Avogadro era uma preocupação para testar uma ideia através da realização de um experimento quantitativo, e o sucesso que ele compartilhou com eles foi a demonstração de que dados experimentais diversos podem ser resumidos por um conjunto limitado de generalizações sobre o comportamento da matéria. A contribuição de Dalton não foi porque ele propôs uma ideia de originalidade surpreendente, mas porque ele formulou claramente um conjunto de postulados sobre a natureza dos átomos; um conjunto de postulados que enfatizavam o peso como a propriedade atômica mais fundamental.
Com base nos dados experimentais brutos disponíveis para ele, Dalton sugeriu que existem átomos indivisíveis; os átomos de diferentes elementos têm pesos diferentes; e átomos se combinam em uma variedade de proporções simples de números inteiros para formar compostos. Reconhecemos hoje que esses postulados não são todos exatamente corretos, mas foram a primeira racionalização das leis quantitativas da combinação química. Na medida em que as leis combinadas compreendiam a primeira demonstração experimental convincente de que as idéias de Dalton estavam essencialmente corretas, elas formam a base experimental da teoria atômica. Vamos examinar cada uma dessas leis, tanto no que diz respeito ao seu papel no desenvolvimento da teoria atômica, quanto na medida em que ela é válida hoje.
A lei das proporções definidas - Em um determinado composto, os elementos constituintes são sempre combinados nas mesmas proporções em peso, independentemente da origem ou modo de preparação do composto. Para aqueles que estão familiarizados com a teoria atômica, esta lei está em óbvia concordância com o princípio de que cada molécula de um dado composto contém o mesmo número de átomos de cada elemento constituinte. Uma vez que os átomos de cada elemento podem ser atribuídos a um peso médio definido, a composição em peso de um determinado composto é um valor definido determinado pelos pesos atômicos e pela fórmula molecular. A lei de proporções definidas foi estabelecida experimentalmente antes de Dalton publicar sua teoria atômica em 1807, e a consistência da teoria com experimentos existentes estava claramente a seu favor e apressou sua aceitação. No entanto, a lei de proporções definidas não é de forma alguma uma prova da validade da teoria atômica. Nosso argumento demonstrando a consistência da teoria atômica e da lei de proporções definidas pode ser mais fortemente estabelecido dizendo que, se houver átomos e se a formação de compostos envolve interação desses átomos de alguma forma específica, então poderíamos esperar que todas as moléculas de um determinado composto contém o mesmo número de átomos. Então, se todos os átomos de um dado elemento tiverem o mesmo peso, um composto deve ter uma composição definida em peso. Foi a posição de Dalton de que cada uma dessas afirmações condicionais era verdadeira; mas a prova disso exige mais do que apenas o fato de que a consequência de todos eles juntos é consistente com a experiência. Podemos dizer, no entanto, que é difícil imaginar qualquer teoria não baseada no conceito atômico que possa explicar a lei de proporções definidas sem uma conjectura ainda mais séria.