aula2_historia_atomismo

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CQ167, Aula #2
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Atomismo e a Ciência Química
Joaquim Delphino Da Motta Neto
Departamento de Química, Cx. Postal 19081
Centro Politécnico, Universidade Federal do Paraná (UFPR)
Curitiba, PR 81531-990, Brasil
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O Atomismo é o pilar filosófico
 da Química. Nesta parte da disciplina estudaremos duas manifestações principais do Atomismo: a estequeometria
 e a teoria quântica. 
Antes de começarmos, é interessante usarmos uma aula para rever a História do desenvolvimento destas idéias...
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Resumo
Atomismo (Leucipo e Demócrito, séc. V A.C.)
Alquimia do século XVII: Boyle e Newton
Hipótese do flogisto (Becher, 1669)
Lei das Proporções Definidas (Proust, 1794)
Novo Sistema de Filosofia Química (1808)
Periodicidade (Mendeleev, 1869)
Mecânica Quântica (1905-1926)
Conclusões
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O que é Química ?...
É uma ciência de descrição da Natureza.
Como Geologia, Música, Filosofia, Botânica, Astrofísica, Medicina etc.
De onde ela veio? Quais são 
suas bases filosóficas?
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Babilônia
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A primeira pergunta que devemos responder é, qual é o interesse que tinham aqueles povos para estudar Ciência (Física ou Química ou Matemática) ? 
Para que estudar a Natureza?
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A resposta é tão simples quanto inesperada:
Para prever o futuro!
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Os sacerdotes babilônios e seus mestres acreditavam que os movimentos do Sol, da Lua e dos planetas prediziam o que aconteceria na Terra.
Eles observaram estes movimentos  acumularam registros  notaram padrões 
periódicos  tentaram exprimir estes padrões em fórmulas matemáticas simples.
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Grécia, séculos VI e V A.C.
Tales de Mileto, Anaximander e Anaximenes tentaram um novo estilo de Cosmologia.
A tentativa de expurgar arbitrariedade e incoerência das explicações levou à concepção de um Universo uniforme, infinito no espaço e no tempo, isotrópico e homogêneo.
Começando com Heráclito, o empreendimento cosmológico original foi submetido a críticas e consequentemente foi retrabalhado...
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Parmênides (510 A.C. - ?)
O fundador da Filosofia Metafísica, argumentou que por sua própria definição a não-existência kenóthta (o “vazio”) ou tipota (o “nada”) não pode existir. E como kenó cwro (o espaço vazio) é nada, o espaço também não pode existir. 
Como a existência de múltiplas coisas separadas exige um espaço entre elas, então “tudo é um”.
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Zeno (450 A.C. - ?)
de “estar em um lugar” para a situação de “não estar mais naquele lugar”, então o movimento não existe. 
Isto é importante porque em conseqüência não existem o tempo, a velocidade e o espaço!
O discípulo mais próximo de 
Parmênides, negou a idéia de 
movimento completamente.
Se kinhsh (o “movimento”) é 
definido como a passagem de um corpo da situação
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Aquiles e a tartaruga
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A principal conclusão da Escola Eleática foi a de que não podemos confiar nos aisqhsh (sentidos) para avançar na gnwsewn (conhecimento), por isso nem valeria a pena realizar qualquer experimento!
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Este era um problema sério para os filósofos da época.
Este impasse ameaçou o progresso da nascente Filosofia Natural até que...
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Leucipo
Resolveu o problema quando reconheceu que a proposta de Parmênides era ambígua.
Se significa que não existe “parte do que é” que “não é”, tudo bem. É claramente verdade. Mas se significa que não existe “parte do que é” que “está vazia”, então a conclusão não é mais tão óbvia. 
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Demócrito (460 – 370 A.C.)
Um aluno de Leucipo, sistematizou 
e propagou as idéias do mestre. 
Foi ignorado em Atenas, embora 
sua obra tenha sido bastante 
comentada por Aristóteles. 
Negou a premissa original de que tou (“ser”) é idêntico a plhróthta (“ocupação completa”, ou no inglês fullness ).
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Alegoria da maçã
A maçã pode ser “cortada” por que existem kenó cwro (“espaços vazios” ) entre seus pedaços.
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Atomismo
Átomos e vazio são tudo o que existe.
Existe um número muito grande de minúsculas partículas que não podem ser cortadas, daí a palavra átomo (    indivisível).
Átomos se movimentam caoticamente, e são pequenos demais para serem vistos.
Esta idéia poderosa atravessou os séculos até os nossos dias.
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O Universo dos atomistas
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A chamada “hipótese atomística” atravessou os séculos e foi repetidamente explorada 
por diversos filósofos, 
inclusive hindus e árabes. 
Como não podia ser testada, permaneceu quase inalterada 
até o começo do século XIX.
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Renascença
Além do interesse no oculto e no fantástico, havia um crescente interesse no Platonismo.
A visão Platônica de que a Natureza é na essência matemática, e portanto construída de acordo com relações matemáticas definidas, se tornou rapidamente aceita.
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Muito bem. Então toda a matéria do Universo é feita de pequenos bloquinhos, os “átomos”. 
Como são eles? Quantos tipos há? São todos iguais ou diferentes?
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Alquimia dos Séculos XV e XVI
Os trabalhos eram restritos aos mosteiros e laboratórios particulares.
Os alquímicos eram freqüentemente perseguidos por bruxaria ou heresia...
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Os elementos
Seguindo os gregos, os alquimistas em geral distinguiam os quatro tipos de elementos primordiais Aristotélicos, 
“água”, “terra”, “ar” e “fogo”.
Rapidamente ficou claro que apenas estes não eram suficientes para explicar a diversidade de materiais existente na Natureza...
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Philippus von Hohenheim (1473-1541)
Paracelso insistiu que o principal propósito da Química não era a simples transmutação dos metais, mas a preparação e a purificação de substâncias para uso em Medicina.
Seu arcabouço teórico era hermético, cabalístico e mágico.
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Paracelso concebeu todas as substâncias como compostas de três princípios:
Mercúrio  ativo, espiritual
Enxôfre  mediador
Sal  passivo corpóreo
Estes três princípios permaneciam inalterados num composto, mas unificados e organizados por um quarto elemento, o Arqueu (a força vital).
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Johann van Helmont (1577-1644)
Em 1609 formou-se em Medicina em Louvain.
Inventou a palavra “gás”, muito provavelmente de ς  caos.
Foi um dos primeiros a usar sistematicamente a balança.
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Em 1648...
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Robert Boyle (1626-1691)
Baniu da Química as teorias peripatéticas e spagíricas. 
Modificou o corpuscularia- nismo dos antigos atomistas para remover as implicações ateístas e materialistas.
Segundo Boyle, Deus teria dividido a matéria em “partículas” e “movimento” no momento da criação.
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Isaac Newton (1642-1727)
A matéria era constituída de partículas sólidas indivisíveis. Forças repulsivas e atrativas entre tais partículas eram usadas para explicar a ação química.
Newton aceitou a possível existência de vácuo entre as partículas e entre os planetas.
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Um problema adicional era
 o da evolução de calor que acompanhava reações químicas.
Ninguém sabia o que era aquilo, por isso algumas hipóteses começaram a ser elaboradas.
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Hipótese do flogisto (1669)
J.J. Becher rejeitou todos os elementos e princípios originais exceto água e terra. Ele distinguiu três tipos de terra, um dos quais (“terra oleosa”) existia em todos os corpos combustíveis.
G.E. Stahl cunhou o termo “flogisto”.
Ar livre era necessário à combustão, mas apenas para absorver flogisto. Plantas extraiam flogisto do ar, e a respiração e as chamas o cediam ao ar. 
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A verificação experimental da hipótese enfrentou sérios problemas, em particular o ganho de massa dos materiais durante a combustão.
Será que o tal “flogisto” teria uma massa negativa ???
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A Revolução
As falhas da hipótese do flogisto levaram Lavoisier a racionalizar as reações químicas em bases mais científicas (o Empiricismo).
Lavoisier e Black apenas usaram uma balança para pesar os vários materiais antes e depois da combustão.
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A emergência da Química como ciência líder acenou com o prospecto de uma teoria 
atômica da matéria que
 era testável em detalhe!
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Joseph L. Proust (1754-1826)
Em 1794, enunciou a Lei das
Proporções Definidas, que 
forma a base da estequeometria.
Em 1815, Proust propôs que os 
pesos atômicos são todos múltiplos 
do peso do átomo de hidrogênio. 
A hipótese de Proust é a de que “o hidrogênio é a matéria primordial que forma os outros elementos, por condensações sucessivas.”
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Lei das Proporções definidas ou Lei da Composição Constante
Qualquer substância química é composta de proporções exatas em massa de elementos, independentemente de como o composto foi criado.
Todas as amostras da substância apresentam esta proporção particular.
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John Dalton (1766-1844)
Interessado em Meteorologia, entre 1799 e 1801 leu uma série de papers sobre tópicos meteorológicos perante a Literary and Philosophical Society. Nestes papers há uma declaração independente da lei de Charles, mais a hoje famosa lei das pressões parciais.
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Lei das pressões parciais (1802)
Dada uma mistura de gases, cada um numa quantidade ni , a pressão total é dada por 
Ref.: J. Dalton, Mem. Liter. Phil. Soc. Manchester 5, 535 (1802).
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Amadeo Avogadro (1776-1856)
Em 1811, publicou um artigo no Journal de Physique em que claramente distinguia os átomos das moléculas. Chamou a atenção para o fato de que Dalton tinha confundido os dois conceitos. 
Hipótese de Avogadro (1813): volumes iguais de quaisquer gases, à mesma temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas.
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Jöns Berzelius (1779-1848)
Um aluno de Dalton, em 1811 introduziu o sistema clássico de símbolos químicos (a abreviação em 2 letras do nome em latim).
Sistematizou o atomismo de Dalton e a teoria elétrica de Davy.
Desenvolveu uma teoria de combinações químicas: grupos estáveis de átomos (os “radicais”) eram trocados por moléculas durante as reações.
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O velho atomismo Newtoniano parecia ter sido descartado 
— ou se tornado irrelevante. 
O debate era entre os 
atomistas e os céticos, que 
duvidavam da viabilidade de 
qualquer teoria atômica...
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Eilhard Mitscherlich (1794-1863)
Em 1819 descobriu que muitos sais diferentes formam cristais muito parecidos (isomorfismo), e que a mesma substância podia formar dois tipos diferentes de cristal (dimorfismo). 
Em 1827 isolou ácido selênico, e mostrou que seus sais eram isomórficos aos sulfatos.
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A descoberta de uma enorme quantidade de novos elementos no decorrer do século XIX levou a uma curiosidade a respeito da estrutura atômica.
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Dmitri Mendeleev
(1834-1907)
Por volta de 1860, pouco mais de 70 elementos químicos eram conhecidos...
Dimitri I. Mendeleev era um professor de Química Geral em São Petersburgo. Ele havia descoberto o fenômeno do ponto crítico durante um período em Heidelberg.
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Periodicidade (1869)
Ao examinar um grande número de propriedades de um grande número de compostos, Mendeleev descobriu um padrão de repetição que ele exprimiu numa tabela.
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Os Químicos se viram na situação de que não podiam fazer ciência sem uma teoria atômica, e não havia nenhuma prova dela.
Alguns (como Kekulé) se refugiaram na idéia de que a 
teoria atômica não era realmente uma teoria da matéria.
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Mecânica Quântica (1905-1926)
Cientistas alemães extenderam as iniciativas dos filósofos do século XIX para alcançar uma nova descrição matemática do Universo. 
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Em 1926 Schrödinger chegou 
à famosa equação 
		H = E 
Com a qual em princípio devemos poder descrever o comportamento de qualquer sistema físico em termos dos espaços de Hilbert.
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A Mecânica Quântica foi então usada para confirmar as idéias de ligação química como tinham sido propostas em 1909 por G. Lewis (a regra do octeto). 
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Conclusão
Nesta disciplina estudaremos as duas principais manifestações do atomismo (Estequeometria e Teoria Quântica).
Isto é fundamental para desenvolver todos os trabalhos posteriores em Química ou Engenharia Química.
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