Estrutura Atômica
Todos os átomos têm um núcleo central composto duma combinação de prótons e neutros, cercados pelos elétrons em órbita. A única exceção é o átomo do elemento mais simples, o hidrogênio, que tem apenas um único próton como seu núcleo, com um único elétron em órbita ao redor dele.
Assim, obtemos um quadro mental de uma espécie de sistema solar em miniatura, com os elétrons em órbitas comparativamente grandes ao redor do núcleo pequeno, compacto, semelhante a como os planetas giram em órbita ao redor do sol. Este sistema planetário microscópico é diferente para cada elemento e é reproduzido em cada um dos átomos daquele elemento. Que poder e precisão produziram tudo isso? Tome, por exemplo, um átomo do elemento carbono, conforme representado pelo seguinte diagrama esquemático:
Naturalmente, não podemos ver um único átomo, porque o átomo é tão infinitesimamente pequeno. Cada um destes diminutos ‘sistemas planetários’ mediria meros cem milionésimos de uma polegada de diâmetro! E o núcleo central ou ‘sol’ só teria cem milésimos do tamanho do átomo inteiro em diâmetro!
Visto que o número de elétrons no átomo pode variar de um a mais de cem, dependendo de que elemento se acha sob consideração, é assombroso, não é, considerar o arranjo maravilhosamente intricado dentro do espaço incrivelmente pequeno de cada átomo?
É fascinante compreender que todas as coisas materiais, todas as coisas aparentemente sólidas, desde a grama verde, o rabo da vaca até as montanhas, são feitas de milhões de milhões destes diminutos átomos, cada um dos quais é predominantemente o vazio e espaço entre o núcleo central e os elétrons orbitastes. Sim, um átomo é quase que inteiramente espaço vazio. Assim, o volume Matter (Matéria) da Biblioteca Científica Life afirma: “Se cada átomo caísse numa esfera não maior do que seu próprio núcleo, então a massa do Monumento a Washington [de 168,5 metros de altura] poderia ser colocada num espaço menor do que a borracha de um lápis.”
Os elétrons em cada átomo orbitam no que são mencionados como “camadas de elétrons”, cada “camada” se achando a determinada distância do núcleo. A medida que os átomos ficam cada vez mais complexos pela adição de mais das partículas básicas, os elétrons adicionais orbitam nestas “camadas”.
Por exemplo, a ilustração do átomo de carbono o apresenta com dois elétrons em sua camada interna e quatro em sua camada seguinte. Um átomo de alumínio teria dois elétrons em sua primeira camada, alto em sua camada seguinte e três em sua camada externa. Em outras palavras, não há uma massa desgovernada de elétrons sem qualquer padrão fixo, mas, antes, há um arranjo ordeirissimo em tudo isso.
Visto estarmos interessados em como estes blocos de construção são ajuntados para produzir todas as coisas maravilhosas que nos deleitam tanto, então, estamos especialmente interessados nestas partículas diminutas, os elétrons. Como assim? Porque é o arranjo destes elétrons em suas órbitas que determina as capacidades de combinação de cada átomo. Esta capacidade de combinação é chamada “valência”.
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Leis de Kepler
Durante séculos, os astrônomos achavam que as órbitas planetárias envolviam alguma forma de movimento circular. Esta crença, contudo, não fora consubstanciada pela observação real, e os cientistas foram levados a diagramas e equações extremamente complexos para explicar as discrepâncias. Kepler, depois de anos de cálculos, primariamente com respeito ao planeta Marte, chegou à conclusão de que a órbita desse planeta não era circular, mas sim uma figura geométrica chamada elipse. O que é uma elipse? — talvez pergunte. Bem, por que não traçamos uma?
Se quiser, obtenha os seguintes itens: duas tachinhas, um lápis, um pedaço de cartolina, e um pedaço de barbante de cerca de 46 centímetros. Primeiro, amarre as duas pontas do barbante para formar um laço. (Veja a gravura 1.) Em seguida, coloque as tachinhas na cartolina, conforme indicado na gravura, e passe o barbante em volta delas. Daí, coloque o lápis dentro do laço, puxe-o para esticar o barbante e trace a trajetória, ao redor das tachinhas. A gravura que traçou é uma elipse. As duas tachinhas marcam o que os matemáticos chamam de focos da elipse.
Quanto mais distante estes dois pontos estiverem um do outro, tanto mais achatada ficará nossa elipse. Se os dois focos estiverem juntos, contudo, a elipse se torna mais redonda. Na realidade, um círculo é apenas uma elipse que possui dois focos no mesmo lugar, a saber, no centro do círculo.
A maioria dos planetas percorrem órbitas que são quase que circulares, a órbita da terra sendo quase que um círculo perfeito. Alguns planetas, porém, possuem trajetórias elípticas que são bem excêntricas, isto é, são mais achatadas ou menos redondas. Plutão e Mercúrio são os mais excêntricos dos grandes planetas, mas alguns cometas, como o famoso Cometa de Halley, possuem órbitas extremamente excêntricas.
Kepler deduziu, dum estudo da órbita de Marte, que todos os planetas descrevem órbitas elípticas. Ademais, concluiu que, em cada caso, o sol se acha em um dos focos da órbita desse planeta. Tais conclusões já foram comprovadas, desde então, e constituem o que veio a ser conhecido como a primeira lei de Kepler sobre o movimento planetário.
Que lei notável é esta! Mostra que os planetas não descrevem órbitas estranhas, irregulares, e ao acaso. Antes, suas órbitas são uma suave curva matemática. Esta lei certamente aponta a conclusão de que existe um legislador inteligentíssimo, não aponta?
Pela primeira lei planetária de Kepler, pode-se facilmente deduzir que os planetas estão mais pertos do sol em certas épocas do ano do que em outras. Com efeito, a Terra, em seu ponto mais próximo do sol, dista 146.450 milhões de quilômetros, ao passo que, em seu ponto mais afastado, dista 151.278 milhões de quilômetros. O Cometa de Halley, com sua órbita excêntrica, dista 90.123 milhões de quilômetros do sol no seu ponto máximo de aproximação, porém mais de 5.149.900 milhões de quilômetros quando se acha a uma distância máxima dele.
Desde o tempo dos antigos gregos, cria-se que todo o movimento planetário era uniforme. Em outras palavras, criam que a velocidade dum planeta era a mesma em cada ponto de sua órbita. Mais uma vez, contudo, fatos comprovados demonstravam o contrário, e os cientistas tiveram extremas dificuldades em explicar tais diferenças. João Kepler, depois de perscrutar pilhas de anotações feitas por Tycho Brahe, fez outra descoberta fascinante. O movimento planetário não é uniforme; um planeta viaja mais rápido quando está mais próximo do sol, e mais devagar quando está mais longe. Ademais, Kepler demonstrou que é verdadeira uma curiosíssima lei: a linha traçada entre o sol e qualquer planeta abrangerá áreas iguais em períodos iguais de tempo. Isto é um tanto mais fácil de compreender por meio da seguinte ilustração: suponhamos que leve um mês para um planeta ir do ponto T1 ao ponto T2. Suponhamos que também demore um mês de T3 até T4. Daí, de acordo com a segunda lei de Kepler, a área das duas seções sombreadas será igual. (Veja a gravura 2.) Disto se pode deduzir que um planeta viajará mais rápido quando está mais perto do sol, a fim de resultar numa área igual.
Assim sendo, vemos que a velocidade dos planetas não é um movimento imprevisível, caótico, aos trancos e barrancos. Ao passo que se movimentam mais rápido em certas ocasiões, e menos rápido em outras, as mudanças de velocidade são suaves e estáveis, e de acordo com as leis matemáticas. Cada planeta descreve sua órbita de um lado para o outro num movimento gracioso. Quanto nos admiramos diante deste lindo formato! Por certo, temos também de admirar seu Projetista.
Por meio das duas primeiras leis do movimento planetário, Kepler obteve fórmulas para o formato e a velocidade da órbita dum planeta. Restava a solução de outro problema intrigante: Que relação existe entre a distância de um planeta do sol e o tempo que ele leva para completar uma volta? Ele sabia que os planetas mais próximos do sol percorrem maiores velocidades do que os mais distantes. Depois de cerca de 10 anos de labuta, descobriu uma fórmula que expressava tal relação. Esta se tornou conhecida como sua Terceira Lei. Esta lei declara que os quadrados dos tempos ou períodos de revolução de quaisquer dois planetas são proporcionais aos cubos de suas distâncias médias até o sol.
Exemplo desta relação pode ser visto no caso do planeta Júpiter. Júpiter acha-se aproximadamente 5,2 vezes mais distante do sol do que a Terra. Correspondentemente, Júpiter leva cerca de 11,8 anos terrestres para completar uma órbita ao redor do sol (chamado “período” na tabela abaixo), que é um ano de Júpiter. Provemos a exatidão da Terceira Lei por aplicá-la no caso do planeta Júpiter.
Obter o quadrado de um número significa multiplicá-lo por ele mesmo; para se obter o cubo, multiplica-se este resultado de novo pelo número original. Assim, voltando ao exemplo de Júpiter, o que verificamos? Se obtivermos o quadrado (o período de revolução de Júpiter em torno do sol é de 11,8 anos terrestres), obtemos 11,8 vezes 11,8, o que dá aproximadamente 140. Agora, se obtivermos o cubo dessa distância, obtemos 5,2 x 5,2 x 5,2, o que iguala aproximadamente 140. Esta igualdade é verídica para cada um dos planetas. Pode facilmente provar isto por si mesmo por fazer o mesmo cálculo para os demais planetas na tabela acompanhante.
Kepler chamou de “lei harmônica” esta terceira lei porque cria que ela revelava a harmonia manifesta pelo Criador no sistema solar. Após descobrir tal lei, exclamou Kepler: “Senti-me arrebatado e tomado por indizível êxtase diante do espetáculo divino da harmonia celeste.” Deveras, também sentimos um senso de reverência, ao pensarmos sobre o Músico celeste e a harmonia que Ele compôs.
Foi esta terceira lei do movimento planetário, a lei harmônica, que impulsionou Isaac Newton no sentido de sua descoberta da lei da gravitação universal. Newton desejava saber que tipo de força produziria a curiosa relação entre as distâncias e os tempos de revolução dos planetas. Sua descoberta era que todos os corpos geram uma força gravitacional assim como a que faz com que uma maçã caia ao solo. Demonstrou que o campo gravitacional do sol é o que governa os movimentos dos planetas e que as leis de Kepler se baseavam neste fenômeno.
As três leis sobre o movimento planetário de Kepler provaram-se utilíssimas para os homens no campo científico. Tais leis são essenciais, junto com a lei da gravitação, no cálculo da posição e da velocidade de qualquer corpo planetário.
Em 1976, técnicos espaciais estadunidenses conseguiram pousar com êxito as naves Viking-I e Viking-II sobre a superfície de Marte. Conseguiram isto porque puderam determinar exatamente onde Marte estaria e qual sua velocidade, quando foi feita a descida delas. Se João Kepler estivesse vivo hoje, certamente ficaria pasmo de ver os surpreendentes feitos de homens que usavam as leis que ele descobrira!
É interessante que se têm provado, com o passar dos anos, que as três leis do movimento planetário são verídicas em muitos mais casos do que apenas nos que envolvem os nove principais planetas do sistema solar. Tais leis também descrevem as órbitas elípticas dos asteróides, um grupo de quase 2.000 massas semelhantes a planetas que situam-se num cinturão entre Marte e Júpiter. Também o movimento dos cometas, bolas de fogo de matéria que periodicamente varrem os céus, pode ser determinado pela aplicação das leis de Kepler. Até mesmo nas vastas galáxias espirais, inimaginavelmente remotas de nosso sistema solar, o formato dos braços revela a tendência de ajustar-se a tais leis. Modificando nosso enfoque, do incompreensivelmente grande para o infinitesimamente pequeno, verificamos que os movimentos dos elétrons no átomo também podem ser descritos matematicamente como seguindo órbitas elípticas, como diminutos planetas em órbita ao redor do núcleo.
As leis do movimento planetário de Kepler, por conseguinte, servem como leis celestes de trânsito que precisam ser obedecidas por todo o universo. Quem formulou tais leis de trânsito? Não resta dúvida de que majestoso Soberano, familiarizado com o desenrolar de tudo, desde o átomo submicroscópico até as galáxias astronomicamente gigantescas, é o Originador delas.
A Crença de Kepler em Deus
João Kepler mesmo compreendia que Deus era responsável por tais leis notáveis que descobrira. Kepler comentou, em certa ocasião: “Exatamente como um arquiteto humano, Deus procedeu à fundação do mundo com ordem e regência.”
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*** g72 22/1 pp. 11-12 A química e o mundo ao redor de nós ***
A Teoria Atômica
Na história moderna, contudo, progresso extremamente rápido têm sido feito na química devido ao desenvolvimento da teoria atômica, relativa à estrutura da matéria (realmente postulada pelos antigos gregos). Com efeito, os químicos tiveram amplo quinhão no desenvolvimento da teoria atômica.
Esta teoria ensina que os átomos se compõem basicamente de três partículas: prótons, neutrons e eléctrons. Combinações destas partículas em números variados constituem os elementos. Um elemento é uma substância que não pode ser decomposta em substancial mais simples por meios químicos comuns. Assim, para a química comum, os elementos são blocos de construção. A seguinte unidade em ordem é a molécula, que pode consistir em um ou mais átomos. Daí vêm os compostos, constituídos da união de dois ou mais elementos.
Há noventa e dois elementos que se encontram comumente em estado natural. O hidrogênio, um gás, é o mais leve deles. A platina é um dos mais pesados. Alguns outros foram produzidos’ artificialmente, de modo que o número total de elementos conhecidos hoje é de mais de cem. O elemento mais abundante da crosta terrestre e de suas águas é o oxigênio, essencial tanto à vida animal como vegetal. O oxigênio também constitui cêrca de um quinto do ar, pelo volume.
A maioria dos elementos têm afinidade ou atração por outros. Pouquíssimos são considerados inertes, ou praticamente inativos. Há, virtualmente, infindável número de arranjos e combinações, constituindo todo tipo de matéria que existe. As moléculas mais complexas se encontrem nas coisas vivas. Moléculas maciças de várias proteínas, consistindo em muitas centenas de átomos, num arranjo complicadíssimo, têm recebido recentemente muita atenção por parte dos cientistas. Não importa quão maciças sejam, para moléculas, somente podem ser “vistas” por meio de um microscópio eletrônico.
As Leis da Química Operam Para o Bem-Estar do Homem
Muito embora combinações químicas sem número tenham sido descobertas, verifica-se que há grande estabilidade no arranjo. Tabelas de números atômicos e pesos atômicos compilados à base de observação dos elementos, são, portanto, muito fidedignas e úteis ao químico. Algumas das leis que controlam as reações químicas são da mais alta complexidade, todavia, quando compreendidas, vê-se que governam toda matéria na mais maravilhosa ordem.
Os elementos às vêzes se juntam para produzir compostos que têm propriedades muito diferentes dos elementos sozinhos. Um exemplo de tal composto é o sal de cozinha, composto de cloro e sódio ambos sendo substancial venenosas. A água, um líquido composto de gases, com dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, revela características que, de diversos modos, atingem nossa vida e conforto. A água tem a característica incomum de ter suas moléculas mais apertadas em sua forma líquida do que quando congelada. Por conseguinte, o’ gêlo flutua. De outra forma, à medida que se depositasse no fundo dos lagos, estes se tornariam permanentemente congelados.
Podemos nos sentir felizes de que a água tenha uma capacidade de aquecimento maior do que qualquer outro líquido. Isto tem muito que ver com a moderação do clima próximo das grandes massas de água. Também, nenhum outro líquido pode igualar-se a água como solvente.
O oxigênio é um elemento muito ativo, combinando-se rapidamente com muitos outros elementos. Isto o torna ideal purificador do ar e da água, rapidamente oxidando e tornando inofensivas certas substancial venenosas.
Tem a Química a Resposta Para os Problemas do Homem?
Por causa da parte importante que a química desempenha no mundo do homem, torna-se um estudo muitíssimo apreciado, bem como fonte de coisas convenientes e úteis à humanidade. Os químicos aprenderam muito, porém, em realidade? apenas “arranharam a superfície” deste imenso campo de empreendimento. Os químicos ainda não sabem de modo exato como cresce uma lâmina de grama, nem compreendem plenamente a fotossíntese, por meio da qual as plantas fabricam o alimento para toda a vida animal. Nenhum químico já alcançou as alturas da realização de uma única célula do corpo humano, que, segundo se diz, pode realizar de uma a duas mil diferentes reações químicas simultaneamente.
As coisas que a química tem desenvolvido dispõem de bom potencial, mas a falta de conhecimento de seu efeito final, e o abuso em usá-las, causaram muitos problemas. Os plásticos, os detergentes, as drogas e os progressos nos meios químicos de destruição ajudaram a levar a humanidade a uma época de crise. Por certo, a ciência, segundo representada pela química, assim como pelos seus muitos outros ramos, demonstra a inabilidade do homem em criar um mundo de paz, saúde, vida e segurança.
2006-10-02 08:54:09
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answer #3
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answered by David 4
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