Química

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Uma pintura a óleo de um químico ( Ana Kansky , pintada por Henrika Šantel em 1932)

A química é o estudo científico das propriedades e do comportamento da matéria . [1] É uma ciência natural que abrange desde os elementos que constituem a matéria até os compostos compostos por átomos , moléculas e íons : sua composição, estrutura, propriedades, comportamento e as mudanças por que passam durante uma reação com outras substâncias . [2] [3] [4] [5]

No âmbito de sua disciplina, a química ocupa uma posição intermediária entre a física e a biologia . [6] Às vezes é chamada de ciência central porque fornece uma base para a compreensão das disciplinas científicas básicas e aplicadas em um nível fundamental. [7] Por exemplo, a química explica aspectos da química vegetal ( botânica ), a formação de rochas ígneas ( geologia ), como o ozônio atmosférico é formado e como os poluentes ambientais são degradados ( ecologia ), as propriedades do solo na lua ( cosmoquímica ), como funcionam os medicamentos (farmacologia ) e como coletar evidências de DNA na cena do crime ( forense ).

A química aborda tópicos como como átomos e moléculas interagem por meio de ligações químicas para formar novos compostos químicos . Existem dois tipos de ligações químicas: 1. ligações químicas primárias, por exemplo ligações covalentes , nas quais os átomos compartilham um ou mais elétrons; ligações iônicas , nas quais um átomo doa um ou mais elétrons a outro átomo para produzir íons ( cátions e ânions ); ligações metálicas e 2. ligações químicas secundárias, por exemplo, ligações de hidrogênio ; Ligações de força de Van der Waals , interação íon-íon, interação íon-dipolo etc.

Etimologia

A palavra química vem de uma modificação da palavra alquimia , que se referia a um conjunto anterior de práticas que abrangiam elementos da química, metalurgia , filosofia , astrologia , astronomia , misticismo e medicina . A alquimia é freqüentemente vista como ligada à busca para transformar chumbo ou outros metais básicos em ouro, embora os alquimistas também estivessem interessados ​​em muitas das questões da química moderna. [8]

A palavra moderna alquimia, por sua vez, é derivada da palavra árabe al-kīmīā ( الكیمیاء ). Isso pode ter origens egípcias, pois al-kīmīā é derivado do grego antigo χημία , que por sua vez é derivado da palavra Kemet , que é o antigo nome do Egito na língua egípcia. [9] Alternativamente, al-kīmīā pode derivar de χημεία 'lançado junto'. [10]

Princípios modernos

Laboratório do Instituto de Bioquímica da Universidade de Colônia na Alemanha .

O modelo atual da estrutura atômica é o modelo da mecânica quântica . [11] A química tradicional começa com o estudo de partículas elementares , átomos , moléculas , [12] substâncias , metais , cristais e outros agregados da matéria . A matéria pode ser estudada nos estados sólido, líquido, gasoso e plasma , isoladamente ou em combinação. As interações , reaçõese as transformações que são estudadas em química são geralmente o resultado de interações entre átomos, levando a rearranjos das ligações químicas que mantêm os átomos unidos. Esses comportamentos são estudados em um laboratório de química .

O laboratório de química usa de forma estereotipada várias formas de vidraria de laboratório . No entanto, a vidraria não é fundamental para a química, e uma grande parte da química experimental (assim como aplicada / industrial) é feita sem ela.

Soluções de substâncias em frascos de reagentes, incluindo hidróxido de amônio e ácido nítrico , iluminadas em cores diferentes

Uma reação química é a transformação de algumas substâncias em uma ou mais substâncias diferentes. [13] A base de tal transformação química é o rearranjo dos elétrons nas ligações químicas entre os átomos. Pode ser representado simbolicamente por meio de uma equação química , que geralmente envolve átomos como sujeitos. O número de átomos à esquerda e à direita na equação para uma transformação química é igual. (Quando o número de átomos em cada lado é desigual, a transformação é referida como uma reação nuclear ou decadência radioativa .) O tipo de reações químicas que uma substância pode sofrer e as mudanças de energia que podem acompanhá-la são restringidas por certas regras básicas, conhecido comoleis químicas .

Considerações sobre energia e entropia são invariavelmente importantes em quase todos os estudos químicos. As substâncias químicas são classificadas em termos de estrutura , fase e também de composição química . Eles podem ser analisados ​​usando as ferramentas de análise química , por exemplo, espectroscopia e cromatografia . Os cientistas envolvidos na pesquisa química são conhecidos como químicos . [14] A maioria dos químicos se especializa em uma ou mais subdisciplinas. Vários conceitos são essenciais para o estudo da química; alguns deles são: [15]

Matéria

Na química, a matéria é definida como qualquer coisa que tenha massa e volume em repouso (ocupa espaço) e é composta de partículas . As partículas que constituem a matéria também têm massa de repouso - nem todas as partículas têm massa de repouso, como o fóton . A matéria pode ser uma substância química pura ou uma mistura de substâncias. [16]

Átomo

Um diagrama de um átomo baseado no modelo de Bohr

O átomo é a unidade básica da química. Consiste em um núcleo denso denominado núcleo atômico rodeado por um espaço ocupado por uma nuvem de elétrons . O núcleo é composto de prótons carregados positivamente e nêutrons não carregados (juntos chamados de núcleons ), enquanto a nuvem de elétrons consiste em elétrons carregados negativamente que orbitam o núcleo. Em um átomo neutro, os elétrons carregados negativamente equilibram a carga positiva dos prótons. O núcleo é denso; a massa de um nucléon é aproximadamente 1.836 vezes a de um elétron, mas o raio de um átomo é cerca de 10.000 vezes o de seu núcleo. [17] [18]

O átomo também é a menor entidade que pode ser considerada para reter as propriedades químicas do elemento, como eletronegatividade , potencial de ionização , estado (s) de oxidação preferido , número de coordenação e tipos preferenciais de ligações a se formar (por exemplo, metálico , iônico , covalente ).

Elemento

Forma padrão da tabela periódica de elementos químicos. As cores representam diferentes categorias de elementos

Um elemento químico é uma substância pura, que é constituída por um único tipo de átomo, caracterizado pelo seu número em particular de protões em núcleos dos seus átomos, conhecidos como o número atómico e representados pelo símbolo Z . O número de massa é a soma do número de prótons e nêutrons em um núcleo. Embora todos os núcleos de todos os átomos pertencentes a um elemento tenham o mesmo número atômico, eles podem não ter necessariamente o mesmo número de massa; os átomos de um elemento com diferentes números de massa são conhecidos como isótopos . Por exemplo, todos os átomos com 6 prótons em seus núcleos são átomos do elemento químico carbono , mas os átomos de carbono podem ter números de massa de 12 ou 13.[18]

A apresentação padrão dos elementos químicos está na tabela periódica , que ordena os elementos por número atômico. A tabela periódica é organizada em grupos ou colunas e períodos ou linhas. A tabela periódica é útil para identificar tendências periódicas . [19]

Composto

Dióxido de carbono (CO 2 ), um exemplo de um composto químico

Um composto é uma substância química pura composta por mais de um elemento. As propriedades de um composto têm pouca semelhança com as de seus elementos. [20] A nomenclatura padrão dos compostos é definida pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). Os compostos orgânicos são nomeados de acordo com o sistema de nomenclatura orgânica . [21] Os nomes dos compostos inorgânicos são criados de acordo com o sistema de nomenclatura inorgânica . Quando um composto tem mais de um componente, eles são divididos em duas classes, os componentes eletropositivos e os eletronegativos. [22] Além disso, oO Chemical Abstracts Service desenvolveu um método para indexar substâncias químicas. Neste esquema, cada substância química é identificável por um número conhecido como seu número de registro CAS .

Molécula

Uma representação esférica da molécula de cafeína (C 8 H 10 N 4 O 2 ).

Uma molécula é a menor porção indivisível de uma substância química pura que possui seu conjunto único de propriedades químicas, ou seja, seu potencial de sofrer um determinado conjunto de reações químicas com outras substâncias. No entanto, esta definição só funciona bem para substâncias compostas por moléculas, o que não é verdade para muitas substâncias (ver abaixo). As moléculas são normalmente um conjunto de átomos unidos por ligações covalentes , de modo que a estrutura é eletricamente neutra e todos os elétrons de valência são emparelhados com outros elétrons em ligações ou em pares isolados .

Assim, as moléculas existem como unidades eletricamente neutras, ao contrário dos íons. Quando essa regra é quebrada, dando à "molécula" uma carga, o resultado às vezes é chamado de íon molecular ou íon poliatômico. No entanto, a natureza discreta e separada do conceito molecular geralmente requer que os íons moleculares estejam presentes apenas em uma forma bem separada, como um feixe direcionado no vácuo em um espectrômetro de massa . Coleções poliatômicas carregadas que residem em sólidos (por exemplo, íons sulfato ou nitrato comum) geralmente não são consideradas "moléculas" em química. Algumas moléculas contêm um ou mais elétrons desemparelhados, criando radicais . A maioria dos radicais são comparativamente reativos, mas alguns, como o óxido nítrico (NO), podem ser estáveis.

Uma fórmula estrutural 2-D de uma molécula de benzeno (C 6 H 6 )

Os elementos de gás "inertes" ou nobres ( hélio , néon , argônio , criptônio , xenônio e radônio ) são compostos de átomos solitários como sua menor unidade discreta, mas os outros elementos químicos isolados consistem em moléculas ou redes de átomos ligados uns aos outros de algum modo. Moléculas identificáveis ​​compõem substâncias familiares como água, ar e muitos compostos orgânicos como álcool, açúcar, gasolina e vários produtos farmacêuticos .

No entanto, nem todas as substâncias ou compostos químicos consistem em moléculas discretas e, de fato, a maioria das substâncias sólidas que constituem a crosta sólida, o manto e o núcleo da Terra são compostos químicos sem moléculas. Esses outros tipos de substâncias, como compostos iônicos e sólidos em rede , são organizados de forma a não existirem moléculas identificáveis per se . Em vez disso, essas substâncias são discutidas em termos de unidades de fórmula ou células unitárias como a menor estrutura de repetição dentro da substância. Exemplos de tais substâncias são sais minerais (como sal de cozinha ), sólidos como carbono e diamante, metais e sílica familiar eminerais de silicato , como quartzo e granito.

Uma das principais características de uma molécula é sua geometria, muitas vezes chamada de estrutura . Enquanto a estrutura das moléculas diatômicas, triatômicas ou tetraatômicas pode ser trivial, (linear, piramidal angular etc.) a estrutura das moléculas poliatômicas, que são constituídas por mais de seis átomos (de vários elementos) pode ser crucial para sua natureza química .

Substância e mistura

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Diamants maclés 2 (République d'Afrique du Sud) .jpg Açúcar 2xmacro.jpg
Sal (fechar) .jpg Bicarbonato de sódio.jpg
Exemplos de substâncias químicas puras. Da esquerda para a direita: os elementos estanho (Sn) e enxofre (S), diamante (um alótropo de carbono ), sacarose (açúcar puro) e cloreto de sódio (sal) e bicarbonato de sódio (bicarbonato de sódio), ambos compostos iônicos .

Uma substância química é um tipo de matéria com composição e conjunto de propriedades definidos . [23] Uma coleção de substâncias é chamada de mistura. Exemplos de misturas são ar e ligas . [24]

Mole e quantidade de substância

A toupeira é uma unidade de medida que denota uma quantidade de substância (também chamada de quantidade química). Um mol é definido para conter exatamente6.022 140 76 × 10 23 partículas ( átomos , moléculas , íons ou elétrons ), onde o número de partículas por mol é conhecido como constante de Avogadro . [25] A concentração molar é a quantidade de uma determinada substância por volume de solução e é comumente relatada em mol / dm 3 . [26]

Estágio

Diagrama mostrando as relações entre as fases e os termos usados ​​para descrever as mudanças de fase.

Além das propriedades químicas específicas que distinguem diferentes classificações químicas, os produtos químicos podem existir em várias fases. Na maior parte, as classificações químicas são independentes dessas classificações de fase em massa; no entanto, algumas fases mais exóticas são incompatíveis com certas propriedades químicas. Uma fase é um conjunto de estados de um sistema químico que tem propriedades estruturais em massa semelhantes, em uma variedade de condições, como pressão ou temperatura .

As propriedades físicas, como densidade e índice de refração, tendem a cair dentro dos valores característicos da fase. A fase da matéria é definida pela transição de fase , que é quando a energia colocada ou retirada do sistema vai reorganizando a estrutura do sistema, em vez de alterar as condições gerais.

Às vezes, a distinção entre as fases pode ser contínua em vez de ter uma fronteira discreta. Nesse caso, a matéria é considerada em um estado supercrítico . Quando três estados se encontram com base nas condições, é conhecido como um ponto triplo e, como é invariável, é uma maneira conveniente de definir um conjunto de condições.

Os exemplos mais familiares de fases são sólidos , líquidos e gases . Muitas substâncias exibem múltiplas fases sólidas. Por exemplo, existem três fases de ferro sólido (alfa, gama e delta) que variam com base na temperatura e pressão. A principal diferença entre as fases sólidas é a estrutura cristalina , ou arranjo, dos átomos. Outra fase comumente encontrada no estudo da química é a fase aquosa , que é o estado das substâncias dissolvidas em solução aquosa (ou seja, em água).

Fases menos familiares incluem plasmas , condensados ​​de Bose-Einstein e condensados ​​fermiônicos e as fases paramagnética e ferromagnética de materiais magnéticos . Enquanto a maioria das fases familiares lidam com sistemas tridimensionais, também é possível definir análogos em sistemas bidimensionais, o que tem recebido atenção por sua relevância para sistemas em biologia .

Vínculo

Uma animação do processo de ligação iônica entre sódio (Na) e cloro (Cl) para formar cloreto de sódio , ou sal de mesa comum. A ligação iônica envolve um átomo recebendo elétrons de valência de outro (em oposição ao compartilhamento, que ocorre na ligação covalente)

Diz-se que os átomos que se unem em moléculas ou cristais estão ligados uns aos outros. Uma ligação química pode ser visualizada como o equilíbrio multipolar entre as cargas positivas nos núcleos e as cargas negativas oscilando em torno deles. [27] Mais do que simples atração e repulsão, as energias e distribuições caracterizam a disponibilidade de um elétron para se ligar a outro átomo.

Uma ligação química pode ser uma ligação covalente , uma ligação iônica , uma ligação de hidrogênio ou apenas por causa da força de Van der Waals . Cada um desses tipos de vínculo é atribuído a algum potencial. Esses potenciais criam as interações que mantêm os átomos unidos em moléculas ou cristais . Em muitos compostos simples, a teoria da ligação de valência , o modelo de repulsão de pares de elétrons de Valence Shell ( VSEPR ) e o conceito de número de oxidação podem ser usados ​​para explicar a estrutura e composição molecular.

Uma ligação iônica é formada quando um metal perde um ou mais de seus elétrons, tornando-se um cátion carregado positivamente, e os elétrons são então ganhos pelo átomo não metálico, tornando-se um ânion carregado negativamente. Os dois íons com carga oposta se atraem, e a ligação iônica é a força eletrostática de atração entre eles. Por exemplo, o sódio (Na), um metal, perde um elétron para se tornar um cátion Na +, enquanto o cloro (Cl), um não-metal, ganha esse elétron para se tornar um Cl - . Os íons são mantidos juntos devido à atração eletrostática, e esse composto de cloreto de sódio (NaCl), ou sal de mesa comum, é formado.

Na molécula de metano (CH 4 ), o átomo de carbono compartilha um par de elétrons de valência com cada um dos quatro átomos de hidrogênio. Assim, a regra do octeto é satisfeita para o átomo C (ele tem oito elétrons em sua camada de valência) e a regra do dueto é satisfeita para os átomos de H (eles têm dois elétrons em suas camadas de valência).

Em uma ligação covalente, um ou mais pares de elétrons de valência são compartilhados por dois átomos: o grupo eletricamente neutro resultante de átomos ligados é denominado uma molécula . Os átomos compartilharão elétrons de valência de forma a criar uma configuração eletrônica de gás nobre (oito elétrons em sua camada mais externa) para cada átomo. Os átomos que tendem a se combinar de tal maneira que cada um tem oito elétrons em sua camada de valência seguem a regra do octeto . No entanto, alguns elementos como o hidrogênio e o lítio precisam de apenas dois elétrons em sua camada mais externa para atingir essa configuração estável; diz-se que esses átomos seguem a regra do dueto, e dessa forma estão alcançando a configuração eletrônica do gás nobre hélio , que possui dois elétrons em sua camada externa.

Da mesma forma, as teorias da física clássica podem ser usadas para prever muitas estruturas iônicas. Com compostos mais complicados, como complexos metálicos , a teoria das ligações de valência é menos aplicável e abordagens alternativas, como a teoria orbital molecular , são geralmente usadas. Veja o diagrama em orbitais eletrônicos.

Energia

No contexto da química, a energia é um atributo de uma substância como uma consequência da sua atómica , molecular ou agregado estrutura . Uma vez que uma transformação química é acompanhada por uma mudança em um ou mais desses tipos de estruturas, ela é invariavelmente acompanhada por um aumento ou diminuição da energia das substâncias envolvidas. Alguma energia é transferida entre o ambiente e os reagentes da reação na forma de calor ou luz ; assim, os produtos de uma reação podem ter mais ou menos energia do que os reagentes.

Uma reação é dita exergônica se o estado final for inferior na escala de energia do que o estado inicial; no caso de reações endergônicas, a situação é inversa. Uma reação é considerada exotérmica se a reação liberar calor para o ambiente; no caso de reações endotérmicas , a reação absorve calor do ambiente.

As reações químicas invariavelmente não são possíveis, a menos que os reagentes superem uma barreira de energia conhecida como energia de ativação . A velocidade de uma reação química (a dada temperatura T) está relacionada com a energia de ativação E, pelo fator populacional de Boltzmann- essa é a probabilidade de uma molécula ter energia maior ou igual a E na temperatura dada T. Esta dependência exponencial de uma taxa de reação na temperatura é conhecida como a equação de Arrhenius . A energia de ativação necessária para que uma reação química ocorra pode ser na forma de calor, luz, eletricidade ou força mecânica na forma de ultrassom . [28]

Um conceito relacionado de energia livre , que também incorpora considerações de entropia, é um meio muito útil para prever a viabilidade de uma reação e determinar o estado de equilíbrio de uma reação química, em termodinâmica química . Uma reação é viável apenas se a mudança total na energia livre de Gibbs for negativa,; se for igual a zero, a reação química está em equilíbrio .

Existem apenas estados possíveis limitados de energia para elétrons, átomos e moléculas. Estes são determinados pelas regras da mecânica quântica , que requerem a quantização da energia de um sistema limitado. Os átomos / moléculas em um estado de energia superior são considerados excitados. As moléculas / átomos da substância em um estado de energia excitada costumam ser muito mais reativas; isto é, mais suscetível a reações químicas.

A fase de uma substância é determinada invariavelmente por sua energia e pela energia de seus arredores. Quando as forças intermoleculares de uma substância são tais que a energia do ambiente não é suficiente para superá-las, ocorre em uma fase mais ordenada como líquido ou sólido, como é o caso da água (H 2 O); um líquido à temperatura ambiente porque suas moléculas são ligadas por ligações de hidrogênio . [29] Considerando que o sulfeto de hidrogênio (H 2 S) é um gás em temperatura ambiente e pressão padrão, já que suas moléculas são ligadas por interações dipolo-dipolo mais fracas .

A transferência de energia de uma substância química para outra depende do tamanho dos quanta de energia emitidos por uma substância. No entanto, a energia térmica é frequentemente transferida mais facilmente de quase qualquer substância para outra porque os fônons responsáveis ​​pelos níveis de energia vibracional e rotacional em uma substância têm muito menos energia do que os fótons.invocado para a transferência eletrônica de energia. Assim, como os níveis de energia vibracional e rotacional são mais espaçados do que os níveis de energia eletrônica, o calor é mais facilmente transferido entre substâncias em relação à luz ou outras formas de energia eletrônica. Por exemplo, a radiação eletromagnética ultravioleta não é transferida com tanta eficácia de uma substância para outra como a energia térmica ou elétrica.

A existência de níveis de energia característicos para diferentes substâncias químicas é útil para sua identificação pela análise de linhas espectrais . Diferentes tipos de espectros são freqüentemente usados ​​em espectroscopia química , por exemplo, IV , microondas , NMR , ESR , etc. A espectroscopia também é usada para identificar a composição de objetos remotos - como estrelas e galáxias distantes - analisando seus espectros de radiação.

Espectro de emissão de ferro

O termo energia química é freqüentemente usado para indicar o potencial de uma substância química de sofrer uma transformação por meio de uma reação química ou de transformar outras substâncias químicas.

Reação

Durante as reações químicas, as ligações entre os átomos se rompem e se formam, resultando em diferentes substâncias com diferentes propriedades. Em um alto-forno, o óxido de ferro, um composto , reage com o monóxido de carbono para formar ferro, um dos elementos químicos , e dióxido de carbono.

Quando uma substância química é transformada como resultado de sua interação com outra substância ou com energia, diz-se que ocorreu uma reação química. Uma reação química é, portanto, um conceito relacionado à "reação" de uma substância quando ela entra em contato próximo com outra, seja como uma mistura ou como uma solução ; exposição a alguma forma de energia, ou ambos. Isso resulta em alguma troca de energia entre os constituintes da reação, bem como com o ambiente do sistema, que podem ser vasos projetados - geralmente vidraria de laboratório .

As reações químicas podem resultar na formação ou dissociação de moléculas, ou seja, a separação das moléculas para formar duas ou mais moléculas ou o rearranjo de átomos dentro ou entre as moléculas. As reações químicas geralmente envolvem a formação ou quebra de ligações químicas. Oxidação, redução , dissociação , neutralização ácido-base e rearranjo molecular são alguns dos tipos de reações químicas comumente usados.

Uma reação química pode ser representada simbolicamente por meio de uma equação química . Enquanto em uma reação química não nuclear o número e tipo de átomos em ambos os lados da equação são iguais, para uma reação nuclear isso é verdadeiro apenas para as partículas nucleares viz. prótons e nêutrons. [30]

A seqüência de etapas nas quais a reorganização das ligações químicas pode estar ocorrendo no decorrer de uma reação química é chamada de mecanismo . Uma reação química pode ocorrer em várias etapas, cada uma das quais pode ter uma velocidade diferente. Muitos intermediários de reação com estabilidade variável podem assim ser considerados durante o curso de uma reação. Mecanismos de reação são propostos para explicar a cinética e a mistura relativa de produtos de uma reação. Muitos físico-químicos se especializam em explorar e propor os mecanismos de várias reações químicas. Várias regras empíricas, como as regras de Woodward-Hoffmann, muitas vezes são úteis ao propor um mecanismo para uma reação química.

De acordo com o livro de ouro da IUPAC , uma reação química é "um processo que resulta na interconversão de espécies químicas". [31] Consequentemente, uma reação química pode ser uma reação elementar ou uma reação em etapas . Uma advertência adicional é feita, em que esta definição inclui casos onde a interconversão de conformadores é experimentalmente observável. Essas reações químicas detectáveis ​​normalmente envolvem conjuntos de entidades moleculares conforme indicado por esta definição, mas muitas vezes é conceitualmente conveniente usar o termo também para mudanças envolvendo entidades moleculares únicas (isto é, 'eventos químicos microscópicos').

Íons e sais

Estrutura cristalina do cloreto de potássio (KCl), um sal que se forma devido à atração de cátions K + e ânions Cl - . Observe como a carga geral do composto iônico é zero.

Um íon é uma espécie carregada, um átomo ou uma molécula, que perdeu ou ganhou um ou mais elétrons. Quando um átomo perde um elétron e, portanto, tem mais prótons do que elétrons, o átomo é um íon ou cátion carregado positivamente . Quando um átomo ganha um elétron e, portanto, tem mais elétrons do que prótons, o átomo é um íon ou ânion com carga negativa . Os cátions e ânions podem formar uma rede cristalina de sais neutros , como os íons Na + e Cl - formando cloreto de sódio ou NaCl. Exemplos de íons poliatômicos que não se dividem durante as reações ácido-base são o hidróxido (OH -) e fosfato (PO 4 3− ).

O plasma é composto de matéria gasosa que foi completamente ionizada, geralmente por alta temperatura.

Acidez e basicidade

O brometo de hidrogênio existe na fase gasosa como uma molécula diatômica

Muitas vezes, uma substância pode ser classificada como um ácido ou uma base . Existem várias teorias diferentes que explicam o comportamento ácido-base. A mais simples é a teoria de Arrhenius , que afirma que o ácido é uma substância que produz íons hidrônio quando é dissolvido em água, e uma base é aquela que produz íons hidróxido quando dissolvido em água. De acordo com a teoria ácido-base de Brønsted-Lowry , os ácidos são substâncias que doam um íon de hidrogênio positivo a outra substância em uma reação química; por extensão, uma base é a substância que recebe esse íon de hidrogênio.

Uma terceira teoria comum é a teoria ácido-base de Lewis , que se baseia na formação de novas ligações químicas. A teoria de Lewis explica que um ácido é uma substância capaz de aceitar um par de elétrons de outra substância durante o processo de formação da ligação, enquanto uma base é uma substância que pode fornecer um par de elétrons para formar uma nova ligação. De acordo com essa teoria, as coisas cruciais sendo trocadas são cobranças. [32] Existem várias outras maneiras pelas quais uma substância pode ser classificada como um ácido ou uma base, como fica evidente na história desse conceito. [33]

A força do ácido é comumente medida por dois métodos. Uma medida, com base na definição de Arrhenius de acidez, é o pH , que é uma medida da concentração de íons hidrônio em uma solução, expressa em uma escala logarítmica negativa . Assim, as soluções que têm um pH baixo têm uma alta concentração de íons hidrônio e podem ser consideradas mais ácidas. A outra medição, com base na definição de Brønsted-Lowry, é a constante de dissociação do ácido (K a ), que mede a capacidade relativa de uma substância de agir como um ácido de acordo com a definição de ácido de Brønsted-Lowry. Isto é, substâncias com uma maior K um são mais propensos a doar iões de hidrogénio em reacções químicas que aqueles com menor K um valores.

Redox

Redox ( vermelho uction- boi idation) reacções incluem todas as reacções químicas em que os átomos têm o seu estado de oxidação alterada por electrões ganhando (redução) ou electrões perderem (oxidação). As substâncias que têm a capacidade de oxidar outras substâncias são chamadas de oxidantes e são conhecidas como agentes oxidantes , oxidantes ou oxidantes. Um oxidante remove elétrons de outra substância. Da mesma forma, as substâncias que têm a capacidade de reduzir outras substâncias são chamadas de redutoras e são conhecidas como agentes redutores, redutores ou redutores.

Um redutor transfere elétrons para outra substância e, portanto, é ele próprio oxidado. E porque "doa" elétrons, também é chamado de doador de elétrons. A oxidação e a redução referem-se corretamente a uma mudança no número de oxidação - a transferência real de elétrons pode nunca ocorrer. Assim, a oxidação é melhor definida como um aumento no número de oxidação e a redução como uma diminuição no número de oxidação.

Equilíbrio

Embora o conceito de equilíbrio seja amplamente utilizado nas ciências, no contexto da química, ele surge sempre que uma série de diferentes estados da composição química são possíveis, como por exemplo, em uma mistura de vários compostos químicos que podem reagir entre si, ou quando uma substância pode estar presente em mais de um tipo de fase.

Um sistema de substâncias químicas em equilíbrio, embora tenha uma composição imutável, na maioria das vezes não é estático ; as moléculas das substâncias continuam a reagir umas com as outras, dando origem a um equilíbrio dinâmico . Assim, o conceito descreve o estado em que os parâmetros, como a composição química, permanecem inalterados ao longo do tempo.

Leis Químicas

As reações químicas são governadas por certas leis, que se tornaram conceitos fundamentais na química. Alguns deles são:

História

A história da química abrange um período desde tempos muito antigos até o presente. Desde vários milênios aC, as civilizações estavam usando tecnologias que acabariam por formar a base dos vários ramos da química. Os exemplos incluem extrair metais de minérios , fazer cerâmica e esmaltes, fermentar cerveja e vinho, extrair produtos químicos de plantas para remédios e perfumes, transformar gordura em sabão , fazer vidro e fazer ligas como o bronze . A química foi precedida por sua protociência, alquimia, que é uma abordagem intuitiva, mas não científica, para compreender os constituintes da matéria e suas interações. Não teve sucesso em explicar a natureza da matéria e suas transformações, mas, ao realizar experimentos e registrar os resultados, os alquimistas prepararam o terreno para a química moderna. A química como um corpo de conhecimento distinto da alquimia começou a emergir quando uma clara diferenciação foi feita entre eles por Robert Boyle em sua obra The Skeptical Chymist (1661). Enquanto a alquimia e a química estão preocupadas com a matéria e suas transformações, a diferença crucial foi dada pelo método científico que os químicosempregados em seu trabalho. A química é considerada uma ciência estabelecida com o trabalho de Antoine Lavoisier , que desenvolveu uma lei de conservação da massa que exigia medição cuidadosa e observações quantitativas dos fenômenos químicos. A história da química se confunde com a história da termodinâmica , especialmente por meio da obra de Willard Gibbs . [34]

Definição

A definição de química mudou ao longo do tempo, à medida que novas descobertas e teorias aumentam a funcionalidade da ciência. O termo "quimística", na visão do famoso cientista Robert Boyle em 1661, significava o assunto dos princípios materiais dos corpos mistos. [35] Em 1663, o químico Christopher Glaser descreveu a "quimística" como uma arte científica, pela qual se aprende a dissolver corpos e extrair deles as diferentes substâncias em sua composição, e como uni-los novamente e exaltá-los a um perfeição superior. [36]

A definição de 1730 da palavra "química", conforme usada por Georg Ernst Stahl , significava a arte de resolver corpos mistos, compostos ou agregados em seus princípios; e de compor tais corpos a partir desses princípios. [37] Em 1837, Jean-Baptiste Dumas considerou a palavra "química" para se referir à ciência preocupada com as leis e os efeitos das forças moleculares. [38] Essa definição evoluiu ainda mais até que, em 1947, passou a significar a ciência das substâncias: sua estrutura, suas propriedades e as reações que as transformam em outras substâncias - uma caracterização aceita por Linus Pauling . [39] Mais recentemente, em 1998, o professor Raymond Changampliou a definição de "química" para significar o estudo da matéria e as mudanças que ela sofre. [40]

Disciplina

A filosofia atomista de Demócrito foi posteriormente adotada por Epicuro (341–270 aC).

As primeiras civilizações, como os egípcios [41], os babilônios e os indianos [42], acumularam conhecimentos práticos sobre as artes da metalurgia, cerâmica e tinturas, mas não desenvolveram uma teoria sistemática.

Uma hipótese química básica surgiu pela primeira vez na Grécia Clássica com a teoria dos quatro elementos proposta definitivamente por Aristóteles, afirmando que o fogo , o ar , a terra e a água eram os elementos fundamentais a partir dos quais tudo é formado como uma combinação. O atomismo grego data de 440 aC, surgindo em obras de filósofos como Demócrito e Epicuro . Em 50 aC, o filósofo romano Lucrécio expandiu a teoria em seu livro De rerum natura (Sobre a natureza das coisas). [43][44] Ao contrário dos conceitos modernos de ciência, o atomismo grego era puramente filosófico por natureza, com pouca preocupação com observações empíricas e nenhuma preocupação com experimentos químicos. [45]

Uma forma inicial da ideia de conservação de massa é a noção de que " Nada vem do nada " na filosofia da Grécia Antiga , que pode ser encontrada em Empédocles (aproximadamente século IV aC): "Pois é impossível que qualquer coisa venha a existir do que não é, e não pode ser causado ou ouvido falar que o que é deve ser totalmente destruído. " [46] e Epicuro (século III aC), que, descrevendo a natureza do Universo, escreveu que "a totalidade das coisas sempre foi como é agora e sempre será". [47]

Impressão artística do século 15 de Jābir ibn Hayyān (Geber), um alquimista perso-árabe e pioneiro na química orgânica .

No mundo helenístico, a arte da alquimia proliferou pela primeira vez, mesclando magia e ocultismo no estudo de substâncias naturais com o objetivo final de transmutar os elementos em ouro e descobrir o elixir da vida eterna. [48] ​​O trabalho, particularmente o desenvolvimento da destilação , continuou no início do período bizantino com o praticante mais famoso sendo Zósimo grego-egípcio de Panópolis, do século IV . [49] A alquimia continuou a ser desenvolvida e praticada em todo o mundo árabe após as conquistas muçulmanas , [50] e de lá, e dos remanescentes bizantinos,[51] difundido naEuropamedieval e renascentista por meio de traduções latinas.

O desenvolvimento do método científico moderno foi lento e árduo, mas um dos primeiros métodos científicos para a química começou a emergir entre os primeiros químicos muçulmanos, começando com o químico perso-árabe do século IX Jābir ibn Hayyān , popularmente conhecido como "o pai da química". As obras árabes atribuídas a ele introduziram uma classificação sistemática de substâncias químicas e forneceram instruções para derivar um composto inorgânico ( sal amoníaco ou cloreto de amônio ) de substâncias orgânicas (como plantas, sangue e cabelo) por meios químicos. [52] Algumas obras jabirianas árabes (por exemplo, o "Livro da Misericórdia" e o "Livro dos Setenta") foram posteriormente traduzidas para o latim sob oNome latinizado "Geber", [53] e na Europa do século 13 um escritor anônimo, geralmente referido como pseudo-Geber , começou a produzir escritos alquímicos e metalúrgicos sob este nome. [54] Filósofos muçulmanos influentes posteriores, como Abū al-Rayhān al-Bīrūnī [55] e Avicena [56], disputaram as teorias da alquimia, particularmente a teoria da transmutação dos metais .

Sob a influência dos novos métodos empíricos propostos por Sir Francis Bacon e outros, um grupo de químicos em Oxford , Robert Boyle , Robert Hooke e John Mayow começou a remodelar as antigas tradições alquímicas em uma disciplina científica. Boyle, em particular, é considerado o pai fundador da química devido ao seu trabalho mais importante, o texto clássico de química The Skeptical Chymist, onde a diferenciação é feita entre as afirmações da alquimia e as descobertas científicas empíricas da nova química. [57] Ele formulou a lei de Boyle, rejeitou os clássicos "quatro elementos" e propôs uma alternativa mecanicista de átomos e reações químicas que poderiam ser submetidos a experimentos rigorosos. [58]

Antoine-Laurent de Lavoisier é considerado o "Pai da Química Moderna". [59]

A teoria do flogisto (uma substância na raiz de toda combustão) foi proposta pelo alemão Georg Ernst Stahl no início do século 18 e só foi derrubada no final do século pelo químico francês Antoine Lavoisier , o análogo químico de Newton em física; que fez mais do que qualquer outro para estabelecer a nova ciência em bases teóricas adequadas, elucidando o princípio da conservação da massa e desenvolvendo um novo sistema de nomenclatura química usado até hoje. [60]

Antes de seu trabalho, porém, muitas descobertas importantes foram feitas, especificamente relacionadas à natureza do "ar", que se descobriu ser composto de muitos gases diferentes. O químico escocês Joseph Black (o primeiro químico experimental) e o flamengo Jan Baptist van Helmont descobriram o dióxido de carbono , ou o que Black chamou de "ar fixo" em 1754; Henry Cavendish descobriu o hidrogênio e elucidou suas propriedades e Joseph Priestley e, independentemente, Carl Wilhelm Scheele isolaram o oxigênio puro .

O cientista inglês John Dalton propôs a teoria moderna dos átomos ; que todas as substâncias são compostas de "átomos" indivisíveis de matéria e que diferentes átomos têm pesos atômicos variáveis.

O desenvolvimento da teoria eletroquímica das combinações químicas ocorreu no início do século 19 como resultado do trabalho de dois cientistas em particular, Jöns Jacob Berzelius e Humphry Davy , tornado possível pela invenção anterior da pilha voltaica por Alessandro Volta . Davy descobriu nove novos elementos, incluindo os metais alcalinos , extraindo-os de seus óxidos com corrente elétrica. [61]

Em sua tabela periódica, Dmitri Mendeleev previu a existência de 7 novos elementos, [62] e colocou todos os 60 elementos conhecidos na época em seus lugares corretos. [63]

O britânico William Prout primeiro propôs ordenar todos os elementos por seu peso atômico, já que todos os átomos tinham um peso que era um múltiplo exato do peso atômico do hidrogênio. JAR Newlands concebeu uma tabela inicial de elementos, que foi então desenvolvida na tabela periódica de elementos moderna [64] na década de 1860 por Dmitri Mendeleev e independentemente por vários outros cientistas, incluindo Julius Lothar Meyer . [65] [66] Os gases inertes, mais tarde chamados de gases nobres, foram descobertos por William Ramsay em colaboração com Lord Rayleigh no final do século, preenchendo assim a estrutura básica da tabela.

Topo: Resultados esperados: partículas alfa passando pelo modelo de pudim de ameixa do átomo sem serem perturbadas.
Abaixo: Resultados observados: uma pequena porção das partículas foi desviada, indicando uma carga pequena e concentrada .

Na virada do século XX, os fundamentos teóricos da química foram finalmente compreendidos devido a uma série de descobertas notáveis ​​que conseguiram sondar e descobrir a própria natureza da estrutura interna dos átomos. Em 1897, JJ Thomson, da Universidade de Cambridge, descobriu o elétron e logo depois o cientista francês Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie investigaram o fenômeno da radioatividade . Em uma série de experimentos pioneiros de espalhamento Ernest Rutherford da Universidade de Manchesterdescobriu a estrutura interna do átomo e a existência do próton, classificou e explicou os diferentes tipos de radioatividade e transmutou com sucesso o primeiro elemento bombardeando nitrogênio com partículas alfa .

Seu trabalho sobre a estrutura atômica foi aprimorado por seus alunos, o físico dinamarquês Niels Bohr e Henry Moseley . A teoria eletrônica de ligações químicas e orbitais moleculares foi desenvolvida pelos cientistas americanos Linus Pauling e Gilbert N. Lewis .

O ano de 2011 foi declarado pelas Nações Unidas como o Ano Internacional da Química. [67] Foi uma iniciativa da União Internacional de Química Pura e Aplicada e da Organização das Nações Unidas para a Educação, a Ciência e a Cultura e envolve sociedades químicas, acadêmicos e instituições em todo o mundo e contou com iniciativas individuais para organizar atividades locais e regionais .

A química orgânica foi desenvolvida por Justus von Liebig e outros, seguindo a síntese de uréia de Friedrich Wöhler , que provou que os organismos vivos eram, em teoria, redutíveis à química. [68] Outros avanços cruciais do século 19 foram; uma compreensão da ligação de valência ( Edward Frankland em 1852) e a aplicação da termodinâmica à química ( JW Gibbs e Svante Arrhenius na década de 1870).

Prática

Subdisciplinas

A Química é normalmente dividida em várias subdisciplinas principais. Existem também vários campos principais interdisciplinares e mais especializados da química. [69]

Outras disciplinas da química são tradicionalmente agrupadas pelo tipo de matéria que está sendo estudada ou pelo tipo de estudo. Isso inclui química inorgânica , o estudo da matéria inorgânica ; química orgânica , o estudo da matéria orgânica (baseada no carbono); bioquímica , o estudo de substâncias encontradas em organismos biológicos ; físico-química , o estudo de processos químicos usando conceitos físicos como termodinâmica e mecânica quântica ; e química analítica , a análise de amostras de materiais para obter uma compreensão de seuscomposição química e estrutura . Muitas disciplinas mais especializadas surgiram nos últimos anos, por exemplo, a neuroquímica, o estudo químico do sistema nervoso (ver subdisciplinas ).

Outros campos incluem agroquímica , astroquímica (e cosmoquímica ), química atmosférica , engenharia química , biologia química , quimioinformática , eletroquímica , química ambiental , femtoquímica , química de sabor , química de fluxo , geoquímica , química verde , histoquímica , história da química , química de hidrogenação , imunoquímica ,química marinha , ciência dos materiais , química matemática , mecanoquímica , química medicinal , biologia molecular , mecânica molecular , nanotecnologia , química de produtos naturais , enologia , química organometálica , petroquímica , farmacologia , fotoquímica , química orgânica físico , fitoquímica , química de polímeros , radioquímica , sólidos química do estado, Sonochemistry , química supramolecular , química de superfície , a química sintética , termoquímica , e muitos outros.

Indústria

A indústria química representa uma importante atividade econômica mundial. Os 50 maiores produtores de produtos químicos globais em 2013 tiveram vendas de US $ 980,5 bilhões com uma margem de lucro de 10,3%. [71]

Sociedades profissionais

Veja também

Referências

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Bibliografia

Leitura adicional

Leitura popular
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Livros de texto avançados de graduação ou pós-graduação
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links externos