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Química Sem Mistério Série Sem Mistério Alemão Sem Mistério Álgebra Sem Mistério Cálculo Sem Mistério Conversação em Alemão Sem Mistério Conversação em Espanhol Sem Mistério Conversação em Francês Sem Mistério Conversação em Italiano Sem Mistério Espanhol Sem Mistério Francês Sem Mistério Geometria Sem Mistério Gramática Inglesa Sem Mistério Italiano Sem Mistério Pré-Álgebra Sem Mistério Pré-Cálculo Sem Mistério Química Orgânica Sem Mistério Química Sem Mistério Linda D. Williams Tradução da 2a Edição Rio de Janeiro, 2013 v Sumário Prefácio xi Agradecimentos xiii CAPÍTULO 1 Química 1 O que É Matéria? 2 O que É Química Moderna? 2 Ciência Básica e Ciência Aplicada 4 Método Científico 6 Hipótese 7 Medições 8 Precisão versus Exatidão 13 Fatores de Conversão 15 Teste Rápido 18 CAPÍTULO 2 Teoria e Estrutura Atômica 21 O que São Átomos? 22 Primórdios da Teoria Atômica 22 Moléculas 26 Teste Rápido 30 CAPÍTULO 3 Elementos e a Tabela Periódica 33 O que É Matéria? 34 Nomenclatura Química 35 Número Atômico 36 Massa Atômica 37 Classes de Elementos 41 Períodos e Grupos 42 Metalurgia – A Química dos Metais 43 Teste Rápido 52 vi QUÍMICA SeM MiSTéRio CAPÍTULO 4 Sólidos e Líquidos 55 O que São Sólidos? 56 Cristalização e Ligação 57 Propriedades de um Sólido 60 Misturas 62 Compostos 63 O que São Líquidos? 63 Teste Rápido 73 CAPÍTULO 5 Gases e as Leis dos Gases 75 O que São Gases? 76 Atmosfera 77 Energia Cinética e Teoria dos Gases 78 Pressão Atmosférica 79 As Leis Empíricas dos Gases 81 Lei do Gás Combinada 85 Lei de Avogadro 85 Lei do Gás Ideal 86 A Lei de Dalton das Pressões Parciais 88 Teste Rápido 90 CAPÍTULO 6 Soluções 93 O que É uma Solução? 94 Regras de Solubilidade 94 O que É um Mol? 96 Massa Molar 96 Molaridade 97 Percentual de Solução 98 Alteração da Concentração 101 Teste Rápido 103 CAPÍTULO 7 Orbitais 105 O que São Orbitais? 106 Níveis de Energia dos Elétrons 106 Subcamadas e a Tabela Periódica 112 Energia de Ionização 114 Teoria da Ligação de Valência 116 Teoria do Orbital Molecular 116 Teoria da Ressonância 117 Geometria Molecular 119 Teste Rápido 121 SUMÁRIO vii CAPÍTULO 8 Ligações Químicas 123 O que São Ligações Covalentes? 124 Compostos Covalentes 126 Polaridade 127 Nomeando Compostos Covalentes 129 O que São Íons? 130 Ligações Iônicas 133 Teste Rápido 136 CAPÍTULO 9 Eletroquímica 139 Introdução à Eletroquímica 140 O que É Oxidação e Redução (Redox)? 140 Balanceamento de Reações Redox 141 Estado de Oxidação 144 O que É uma Célula Eletroquímica? 145 O que É Eletrólise? 148 Condutores e Isolantes 149 Teste Rápido 152 CAPÍTULO 10 Ácidos e Bases 155 O que São Ácidos e Bases? 156 A Teoria de Arrhenius 156 Ácidos e Bases de Brønsted-Lowry 157 Neutralização 157 Pares Conjugados Ácido-Base 158 Por que o Hidrogênio É Importante? 162 Escala de pH 163 Tampões 165 Ácidos, Bases e Segurança 166 Teste Rápido 167 CAPÍTULO 11 Termodinâmica 169 O que É Termodinâmica? 170 Energia Cinética e Potencial 170 O que É Estado Padrão? 170 Primeira Lei da Termodinâmica 171 Segunda Lei da Termodinâmica 175 Terceira Lei da Termodinâmica 176 Energia Livre de Gibbs 176 Cinética Química 177 viii QUÍMICA SeM MiSTéRio Equilíbrio 181 Princípio de Le Châtelier 182 Por que a Termodinâmica É Tão Importante? 182 Teste Rápido 183 CAPÍTULO 12 Química Orgânica: Tudo sobre Carbono 185 O que É Química Orgânica? 186 Carbono – Mais Surpreendente do que Nunca 186 Hidrocarbonetos 188 Nomenclatura dos Orgânicos 192 Polaridade de Ligação 194 Grupos Funcionais Comuns 195 Isômeros 196 Reações Orgânicas 200 Teste Rápido 203 CAPÍTULO 13 Bioquímica 205 O que É Bioquímica? 206 Hidrocarbonetos – Hidrofílicos versus Hidrofóbicos 207 Ácidos Carboxílicos 208 Ésteres 209 Aminas 211 Amidas 212 Fenóis 213 O que São Proteínas? 215 O que São Enzimas? 217 O que São Carboidratos? 220 O que São Lipídios? 223 Marcadores Biológicos 226 Nanomedicina 227 Teste Rápido 231 CAPÍTULO 14 Química Ambiental 233 O que É Química Ambiental? 234 Contaminação 234 O que É Chuva Ácida? 237 Efeito Estufa 239 Biodegradável 245 Teste Rápido 246 SUMÁRIO ix CAPÍTULO 15 Química Nuclear 249 O que É Radioatividade? 250 Isótopos 250 Reações Nucleares e Balanceamento 253 O que É Decaimento Radioativo? 253 Detecção de Radiação 257 Números Mágicos 259 O que É Meia-Vida? 259 Exposição à Radiação 263 Dose de Radiação 264 Medicina Nuclear 265 Outros Usos de Elementos Radioativos 267 Lixo Radioativo 267 Teste Rápido 268 Teste Final 271 Respostas dos Testes Rápidos e do Teste Final 293 Apêndice: Unidades-Base do SI e Conversões 297 Glossário 301 Referências e Sites da Internet 315 Planilhas de Estudo - Química em um Relance 319 Tabela Periódica dos Elementos 323 Índice 325 xi Prefácio Química Sem Mistério, Tradução da 2ª Edição, é para alguém que está interessado em química e quer aprender mais sobre essa importante área científica. O livro também pode ser usado por alunos que estudam em casa, estudantes tutelados e pessoas que querem mudar de carreira. O material é apresentado de uma maneira fácil de seguir e pode ser compreendido melhor quando lido do início ao fim. No entanto, se você só precisa de mais informações sobre temas específicos (por exemplo, oxidação/ redução, entalpia, radioisótopos) ou quer rever as moléculas orgânicas, os capítulos específicos podem ser analisados separadamente. Nesta segunda edição, combinei alguns dos capítulos originais (por exemplo, sólidos e líquidos) e acrescentei novos (por exemplo, bioquímica e termodinâmica). Atualizei ideias e realizações marcantes de químicos, biólogos, físicos e engenhei- ros para dar-lhe uma noção de como as perguntas e as ideias de pessoas como você avançaram a humanidade. A ciência é toda sobre a curiosidade e o desejo de descobrir como algo acontece. Os ganhadores do Prêmio Nobel eram estudantes que sonhavam em enfrentar os problemas de novas maneiras. Eles sabiam que as respostas tinham de estar lá e fo- ram teimosos o suficiente para continuar a pesquisar. Desde 1901, o Prêmio Nobel foi concedido mais de 500 vezes para a excelência científica. A pessoa mais jovem a receber o prêmio, o físico britânico Lawrence Bragg, tinha somente 25 anos de idade quando o dividiu em 1915 com seu pai, o físico Sir William Henry Bragg, pelo trabalho de ambos sobre a estrutura atômica cristalina e a difração de raios X. Até o final de sua vida, Alfred Nobel tinha 355 patentes de invenções diferentes. Após sua morte em 1896, Nobel descreveria o estabelecimento de uma premiação anual internacional “para aqueles que, no ano anterior, contribuíram com benefícios para a humanidade” nas áreas de química, física, fisiologia/medicina, literatura e paz. Em 1968, o Prêmio Nobel de Economia foi estabelecido. Mais de 829 pessoas receberam o Nobel em todas as áreas desde que o primeiro prêmio foi dado. Nobel quis reconhecer os heróis inovadores e incentivar outras pessoas na sua busca de conhecimento. Talvez, aprendendo sobre o passado das descobertas premiadas, a sua própria criatividade seja acesa. xii QUÍMICA SeM MiSTéRio Este livro oferece uma ampla visão da química geral com divisões em todas as principais áreas que você encontrará em uma aula de química ou em um estudo individual da matéria. Os princípios básicos são explicados para familiarizar você com os termos, os conceitos e as ferramentasmais utilizadas por cientistas, médicos e engenheiros. Também listei os sites da internet com informações intrigantes atua- lizadas e dispositivos interativos de aprendizagem. Ao longo do texto, há ilustrações para ajudar a visualizar o que está acontecendo na estrutura química, na ligação e nas reações. Testes Rápidos e o Teste Final são fornecidos. Todas as questões são de múltipla escolha e muito parecidas com aque- las usadas em testes padronizados. Cada capítulo tem um pequeno Teste Rápido de “livro aberto”. Você não deve ter nenhum problema com esses. Você pode olhar atrás em todo o capítulo para refrescar sua memória ou verificar os detalhes da reação. Anote suas respostas e tenha um amigo ou os pais para verificá-las com as respostas no final do livro. Leve o tempo necessário para passar por cada capítulo e não siga em frente até que você tenha um bom controle sobre o material e obtenha a maioria das perguntas certas do Teste Rápido. O Teste Final do livro é composto por perguntas mais fáceis do que aquelas dos Testes Rápidos. Faça o Teste Final quando você tiver terminado todos os Testes Rápidos e quando se sentir confortável com o material de modo geral. Uma boa pontuação no Teste Final é de pelo menos 75% de respostas corretas. Com os Testes Rápidos e o Teste Final, você pode querer que um amigo ou os pais lhe deem a sua pontuação, sem revelar quais as perguntas que errou. Então, você não deve tentar memorizar as respostas para as perguntas erradas, mas, em vez disso, volte e veja se você não compreendeu uma ideia. Quando a sua pontua- ção do Teste Rápido estiver onde você gostaria que ela estivesse, volte e verifique as questões individuais para confirmar seus pontos fortes e as áreas que necessitam de maior estudo. Tente passar por um capítulo por semana. Uma hora por dia, ou então permita-se assimilar as informações devagar. Não corra. Química não é difícil mas, às vezes, pede um pouco de reflexão para decifrar. Apenas mantenha um ritmo constante. Se você quiser obter mais informações sobre tampões, leve mais tempo no Capítulo 10. Se você precisar saber mais sobre os recentes marcadores biológicos, gaste seu tempo no Capítulo 13. Depois de concluir o curso e você ser um químico em formação, este livro poderá servir como um guia de referência pronto com seu glossário, Planilhas de Es- tudo da Química em um Relance, Tabela Periódica, apêndice e índice compreensivo. Linda D. Williams xiii Agradecimentos As ilustrações deste livro foram geradas com o CorelDRAW e o Microsoft PowerPoint, cortesia da Corel Corporation e da Microsoft Corporation, respectivamente. Agradecemos à National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), à National Aeronautics and Space Administration (NASA), à Environmental Protec- tion Agency (EPA) e ao United States Department of Agriculture (USDA) pelas in- formações que foram utilizadas, onde indicadas. Um agradecimento especial a Paulo Grover Miller, ph.D., professor-associado da Faculdade de Medicina da Universidade de Arkansas, em Ciências Médicas, pelas sugestões na reorganização do assunto e nos conhecimentos de química durante a revisão técnica do livro. Muito obrigado a Judy Bass, da McGraw Hill, por sua incrível energia e apoio, apesar dos soluços e descarrilhamentos ocasionais da vida. Química Sem Mistério, Tradução da 2ª Edição, é uma prova da sua visão dos livros de matemática e ciências na série Sem Mistério. Sobre a Autora Linda D. Williams é uma escritora de não ficção, com especialidades em ciência, medicina e espaço. O trabalho da senhorita Williams variou de bioquímica e microbiologia a genética e pesquisa de enzimas de humanos. Com experiência em microbiologia e imunologia, ela trabalhou como cientista-chefe e/ou escritora técnica para Wyle Laboratories, McDonnel Douglas Space Systems e Rice University, e serviu como palestrante sobre ciência para a Divisão de Ciências Médicas da NASA– Johnson Space Center. A senhorita Williams tem mais de 20 anos de experiência em investigação científica e publicou mais de uma dezena de livros, alguns inclusos na série Sem Mistério (por exemplo, Environmental Science Demystified). Sua obra foi traduzida em várias línguas. Além disso, ela é professora substituta de ciências no Ensino Fundamental e nos níveis de Ensino Médio, e fundou um Café de Ciência para compartilhar as descobertas da ciência e da tecnologia com o público. 1 Capítulo 1 Química Nossos ancestrais não tinham comida pronta disponível, medicamentos e produtos feitos em máquinas. A vida diária incluia secar o peixe e as carnes com sal, concen- trar líquidos em tinturas, fundir e moldar metais em ferramentas. Testes de tentativa e erro ofereciam pistas para a composição do mundo natural. O que funcionava era passado para a próxima geração; o que não funcionava era descartado. Muitas substâncias do mundo físico eram um mistério. OBJETIVOS DO CAPÍTULO Neste capítulo, você vai: ! Aprender como o método científico funciona ! Entender o Sistema Internacional de Unidades (SI) ! Descobrir as diferenças entre precisão e exatidão ! Entender os fatores de conversões ! Aprender por que a temperatura é importante 2 QUÍMICA SeM MiSTéRio O que É Matéria? Química é uma ciência em torno de uma questão simples: o que é matéria? Aris- tóteles (384-322 a.C.), um estudioso da Academia Grega, pensou na matéria como composta por quatro elementos: fogo, água, ar e terra. Ele escreveu que nem a forma nem a matéria existiam sozinhas, mas em combinações de quente, úmido, seco e frio, que se uniam para formar os elementos. A explicação de Aristóteles sobre o mundo foi aceita por quase 1800 anos. Mas os tempos mudaram, e mudou também a nossa compreensão da matéria. Os capítulos deste livro exploram, passo a passo, os conceitos sobre a matéria exatamente como eles foram descobertos e explicados ao longo do tempo. Alquimia A teoria dos quatro elementos, de Aristóteles, juntamente com a formação de ligas metálicas, foi a base da química primitiva e da alquimia. Uma mistura de astúcia e arte, a alquimia prometeu coisas surpreendentes (por exemplo, chumbo em ouro) para aqueles que detinham o poder. Alquimistas se tornaram grandes estrelas. Aqueles que fizeram alarde, mas não puderam mostrar resultado, foram permanentemente deixados de lado. Outros fizeram progressos científicos. Soluções de cristalização e destilação começaram a ser compreendidas e utilizadas como práticas comuns. Muitos elementos e compostos anteriormente desconhecidos foram descobertos. Química é a ciência das substâncias (ou seja, matéria), incluindo estrutura, propriedades e as reações que as transformam em outras substâncias. O que É Química Moderna? Como um estudo da matéria, a química é uma ciência física. Químicos isolam e estudam não apenas os átomos e as moléculas, mas soluções, cerâmicas e ligas metálicas. Por meio da experimentação, os químicos estudam o que as substâncias fazem e como reagem. A química é agrupada em grandes áreas ou disciplinas. (Ver Tabela 1-1.) Estas incluem ! Química analítica – o uso de instrumentação precisa para analisar uma mistura quanto aos tipos e quantidades de substâncias presentes ! Bioquímica – o estudo de organismos vivos e sistemas em nível molecular, incluin- do processos como reprodução, metabolismo e digestão ! Inorgânica – o estudo da estrutura e das propriedades de todos os compostos (exceto o carbono) (ex.: sais) Capítulo 1 QUÍMICA 3 TABELA 1-1 Disciplinas da Química Disciplina Descrição Agroquímica aplicação da química em produção agrícola, processamento de comida e remediação ambiental como um resultado da agricultura;também chamada de química agrícola Química analítica propriedades de materiais ou desenvolvimento de ferramentas para analisar materiais Astroquímica composição / reações de elementos químicos e moléculas en- contradas em estrelas, no espaço, e interações entre matéria e radiação Bioquímica reações químicas que ocorrem dentro de organismos vivos Engenharia química aplicação prática da química para solucionar problemas Química cluster conjuntos de átomos ligados, em tamanho intermediário entre as moléculas individuais e os sólidos de tamanho grande Química combinatória simulação computacional de moléculas e reações entre moléculas Eletroquímica reações químicas em uma solução na interface entre um condutor iônico e um condutor elétrico Química ambiental química do solo, do ar, da água e do impacto humano em sistemas naturais Geoquímica composição química / processos associados com a Terra e outros planetas Química sustentável processos / produtos que eliminam ou reduzem o uso ou a libe- ração de substâncias perigosas Química inorgânica estrutura e interações entre compostos inorgânicos (ou seja, compostos que não se baseiam em carbono) Cinética examina a taxa na qual ocorrem reações químicas e os fatores que afetam a taxa de processos químicos Nanoquímica montagem e propriedades dos agrupamentos de átomos ou partículas em nanoescala Química nuclear química associada com reações nucleares e isótopos Química orgânica a química do carbono e dos seres vivos Fotoquímica química centrada em interações entre a luz e a matéria Físico-química aplica a física ao estudo da química (por exemplo, mecânica quântica e termodinâmica) Química de polímeros examina a estrutura e as propriedades de macromoléculas e polímeros; síntese dessas moléculas; também chamada de química macromolecular Química do estado sólido focada na estrutura, nas propriedades e nos processos químicos na fase sólida (por exemplo, a síntese e a caracterização de novos materiais em estado sólido) Química teórica aplica cálculos de química / física para descrever ou predizer eventos químicos 4 QUÍMICA SeM MiSTéRio ! Química orgânica – o estudo do carbono e de todas as substâncias que contêm carbono, incluindo muitos compostos biológicos, drogas, petróleo e plásticos ! Físico-química – o estudo das propriedades físicas da matéria e a criação de mode- los que analisam por que um produto químico reage de uma maneira específica Os antigos egípcios foram os primeiros químicos. Eles foram pioneiros na arte da química usando soluções. Em 1000 a.C., antigas civilizações usavam tecnologias que formaram a base de várias disciplinas químicas. A química analítica surgiu da extração de metais dos minérios, bem como produtos químicos de plantas para medicina e perfume. Fermentação para fazer cerveja, vinho e queijo envolve bio- química. A química inorgânica era importante na fabricação de ligas como bronze, cerâmica, esmaltes, vidros e pigmentos para cosméticos e pinturas. As aplicações da química orgânica eram diversas, incluindo tingimento de pano, curtimento de cou- ro, processamento de gordura em sabão e produção de pigmentos orgânicos. Muitas dessas técnicas envolviam observações eficientes da físico-química de compostos a fim de isolá-los e mudá-los para diferentes fins. Ciência Básica e Ciência Aplicada A química é composta de ciência básica e ciência aplicada. Pesquisadores buscam entender os segredos e ações dos produtos químicos. A ciência básica, então, tenta entender as regras que regem as propriedades da matéria. No entanto, muitas pessoas sabem mais sobre ciência aplicada, uma vez que se aplica às coisas diárias. Como é formada a ferrugem e como você pode removê- -la? Como fazer roupas ficarem limpas quando lavadas com sabão feito de cinzas e gordura? Por que o cobre se torna verde e depois preto quando exposto ao ar? Como os nanotubos de carbono automontados podem carregar informação e eletricidade? O governo federal norte-americano apoia a ciência básica e a ciência aplicada por meio de muitas agências, como o National Institute oh Health (NIH) e a National Aeronautical and Space Administration (NASA). A NASA é famosa por aplicar a ci- ência básica de novas formas. Ela testa como algo se comporta no espaço com quase nenhuma gravidade, como a formação de cristais ou a perda de tecido muscular e, em seguida, usa essas informações para entender os experimentos terrestres. Em associação com os cientistas na indústria, a NASA melhora os dispositivos farmacêuticos, óticos e da bioengenharia. A pesquisa aplicada dessa forma pode viajar mais rápido do laboratório para o indivíduo. A parceria entre instituições federais como a NASA e a indústria é chamada sociedade. Uma amostragem de so- ciedades de ciência e tecnologia da NASA é apresentada na Tabela 1-2. Capítulo 1 QUÍMICA 5 TABELA 1-2 Sociedades da NASA Ano Tecnologias em sociedade da NASA 1976, 2005 A espuma viscoelástica absorve o choque e oferece segurança extra nos carros de corrida da NASCAR, da Fórmula 1, do Champion Auto Racing Team (CART) e da Indy Racing League; em motocicletas e selas de cavalo; parques de diversões; aeronaves militares / civis; alvos dos arqueiros; mol- des do corpo em tamanho natural; e próteses humanas / animais 1976 Melhorou o sistema de respiração dos bombeiros, pois sua mochila pesa apenas 9,1 kg para 30 min de suprimento de ar; a máscara facial redesenhada permite uma visão melhor; aviso pessoal notifica aos bombeiros quando eles estão ficando sem ar; reduz a confusão em um incêndio, quando a comunicação verbal é impossível 1981 Ferramentas sem fio originalmente vieram do desenvolvimento de uma broca portátil autônoma capaz de extrair amostras do núcleo de até 3 m abaixo da superfície da Lua; agora a tecnologia sem fio é usada em tudo, de comedores de plantas daninhas a instrumentos ortopédicos 1984, 1996 As lentes antirriscos com revestimento duro de diamante são resistentes a riscos e deixam escorrer a água mais facilmente, reduzindo manchas 1994 O sistema de biópsia de mama estéreo LORAD utiliza um sistema de câmera digital para substituir a biópsia cirúrgica e é realizado sob anestesia local com uma agulha, e poupa tempo das mulheres, além de preservar da dor, de cicatrizes, exposição à radiação e economizar dinheiro 1995, 2008 Válvula de retenção microbiana; dispensa de iodo para purificar a água potável 1995, 2009 O dispositivo de redução de etileno impede produtos e plantas de amadurecerem muito rápido por meio da conversão de etileno (C 2 H 4 ) em água (H 2 O) e dióxido de carbono (CO 2 ) 2003 O dispositivo de desminagem humanitária é semelhante a uma labareda e utiliza combustível de foguete para criar uma chama de alta temperatura, que queima o preenchimento explosivo das minas terrestres antes que elas explodam 2006 As lentes Eagle Eyes protegem a visão humana dos efeitos nocivos da radiação do espectro de luz 2002 O desfibrilador cardioversor automático implantável monitora o coração continuamente, reconhece o surgimento de fibrilação ventricular e emite um choque elétrico corretivo 2002 A Virtual Window fornece, em tempo real, imagens 3D sem necessidade de óculos, head trackers, capacetes ou outros meios de visualização 1977, 2003 Implante coclear seleciona a informação do sinal de fala e, em seguida, produz um padrão de impulsos elétricos na orelha do paciente. Um microfone capta os sons e os transmite ao processador de fala, que os converte em sinais digitais 6 QUÍMICA SeM MiSTéRio TABELA 1-2 Sociedades da NASA Ano Tecnologias em sociedade da NASA 2006Petroleum Remediation Product (PRP), para tratamento em caso de derramamento, tem milhares de microcápsulas (ou seja, minúsculas esferas ocas de cera de abelha); a água não pode entrar nas células das microcápsulas, mas o óleo é absorvido pelas esferas de cera de abelha enquanto elas flutuam na superfície da água 2005, 2008 Diodos emissores de luz (LEDs) para aplicações médicas, como tratamento de câncer 2009 Os Botes Salva-Vidas Givens Buoy têm um forte preeenchimento de água de lastro para manter o centro da gravidade constante, tornando a janga- da quase impossível de virar, mesmo com ventos de 160 km/h 2009 Biorreatores para multiplicar células-tronco do sangue de um paciente para tratar doenças 2009 Biossensor de nanotubos de carbono alerta investigadores para pequenas quantidades de contaminantes orgânicos perigosos e patógenos Sociedades da NASA incluem tecnologia computacional, produtos de consumo para lazer e domésticos, gestão ambiental e de recursos, indústria e produção, se- gurança pública e transporte. As chaves do método científico são curiosidade e determinação, observação e análise, medição e conclusão. Como humanos, somos curiosos por natureza. Nos capítulos seguintes, você verá como os cientistas satisfazem essa curiosidade. Método Científico O desenvolvimento inicial do método científico surgiu a partir das leis de lógica de Aristóteles. Ele viu a importância da observação e então classificou o que era observado a fim de melhor compreender a natureza. Na Idade Média, Ibn al-Haytham, um matemático persa e estudante da filosofia grega, desenvolveu mais o método científico. Seu estudo dos trabalhos de Aristóte- les o fez perceber que a física e a matemática eram chaves importantes para desven- dar os mistérios do universo. Durante sua vida, ele desenvolveu experimentos dife- rentes para verificar suas observações físicas e fez descobertas valiosas no estudo da visão. Os sete volumes do Livro de Ótica de Al-Haytham foram escritos entre 1011 d.C. e 1021 d.C., e descreveram corretamente a transmissão, a reflexão e a refração da luz. Seu trabalho demonstrou o poder inicial do método científico. Nos tempos modernos, Galileu (1564-1642) é comumente creditado como o pai do método científico, embora muitos cientistas tenham contribuído para o seu Capítulo 1 QUÍMICA 7 entendimento ao longo dos séculos. No século XX, o método científico foi organi- zado em quatro etapas: ! Observação ! Hipótese ! Predição ! Experimentação Desde que o fogo foi descoberto, as pessoas notaram como ele mudou seu am- biente; capim nas proximidades foi incendiado, e árvores, queimadas. Eventual- mente, seguindo o método científico, cientistas fizeram grandes descobertas, como o que acontece quando alguma coisa queima. Eles perceberam que recolher o má- ximo de informação possível antes de qualquer conclusão era fundamental para a adquirir compreensão. No século XVIII, Antoine Lavoisier, um cientista francês, descobriu que quan- do o mercúrio prateado era queimado no ar, ele virava uma substância vermelho- -alaranjada, com uma massa maior do que a de uma amostra de mercúrio original. Ele também fez observações sobre os gases do ar. Por essas descobertas, Lavoisier é muitas vezes chamado de pai da química. Hipótese Quando todos os fatos são conhecidos, o próximo passo no método científico é desenvolver uma hipótese. A hipótese é uma declaração que explica uma observação. Lavoisier criou uma hipótese com base em suas observações com o fogo e o ar. Ele sugeriu uma hipótese para explicar a combustão ou como as coisas se queimam. Sua ideia era que alguma parte do ar combinada com uma amostra queimando o transformava. Lavoisier chamou essa parte do mistério de oxigênio. Hipótese é uma declaração que descreve ou explica uma observação. Uma hipótese é importante não só para explicar o que é visto, mas também para predizer o que pode acontecer. Se algo no ar se combina com uma amostra, então a nova substância (ou seja, formada após a queima) deve ter a adição de mas- sa proveniente da contribuição do ar para a combustão. Isso também poderia ser possível para reverter o processo. 8 QUÍMICA SeM MiSTéRio Ainda com Dif iculdades? Lavoisier sabia como era importante realizar experimentos precisos. Ele mostrou depois da queima do mercúrio que uma nova substância mais pesada, óxido de mercúrio, foi formada. Ele também mostrou a reação reversa (ou seja, a massa original do mercúrio poderia ser recuperada). Em outras palavras, o oxigênio pode ser recuperado do óxido de mercúrio. ? Um experimento é um teste controlado das propriedades de uma substância ou de um sistema por medições cuidadosamente registradas. Agora, para aprender se a hipótese é verdadeira, esta deve ser testada com ex- perimentos. O experimento adicional de Lavoisier mostrou que o ar é composto de vários outros gases (por exemplo, nitrogênio), mas, ao contrário do oxigênio, eles não combinam com o mercúrio. Sua hipótese em combustão tornou-se uma teoria, que é uma hipótese completamente provada pela experimentação. Uma teoria é o resultado de um teste completo e a confirmação de uma hipótese. Após experiências realizadas mais tarde por outros cientistas em muitas dis- ciplinas diferentes, como astronomia, eletricidade, matemática, biologia, química e medicina, foram registrados dados que apoiaram como quase tudo poderia ser estudado e previsto por meio de uma série de observações e cálculos. Quando os cientistas ao redor do mundo tinham o mesmo resultado repetidamente, uma hipó- tese particular ou teoria se tornava uma lei. Uma lei científica é uma hipótese ou teoria que é testada repetidas vezes com os mesmos dados resultantes e pensada para ser sem exceção. Medições Observação e medição, como são em toda ciência, são chaves para a química. Na pesquisa, como em outras partes da vida, nós estamos constantemente medindo. A bola de beisebol ultrapassou a barreira do campo por um metro. A bola de futebol não acertou o vaso de flores por dez centímetros. O motorista austríaco cruzou a 160 quilômetros por hora (km/h). A favorita Kentucky Derby saiu na frente por Capítulo 1 QUÍMICA 9 um palmo. O esquiador olímpico deslizou em primeiro lugar por dois centésimos de segundo. A carta para a casa do soldado pesava 28 gramas. Pesquisa baseia-se em medições. Para repetir uma experiência ou seguir os mé- todos de alguém, a mesma unidade deve ser usada. Não funciona ter um pesqui- sador em Nova York medindo com xícaras enquanto na Alemanha se mede em milímetros. Para repetir uma experiência e aprender sobre ela, cientistas do mundo inteiro precisam de um sistema comum. Em 1670, um cientista francês chamado Gabriel Mouton sugeriu um sistema decimal de medidas. As unidades eram baseadas em grupos de 10. Demorou um pouco para as pessoas experimentarem-no por si mesmas, mas em 1799 a Aca- demia Francesa de Ciências estabeleceu um sistema de medição decimal. Eles o chamaram de sistema métrico, do grego metron, que significa uma medida. Em 1º de janeiro de 1840, a Legislatura Francesa aprovou uma lei exigindo que o sistema métrico fosse usado em todo o comércio. TABELA 1-3 Unidades-base do SI usadas na química Medida Unidade Símbolo Massa (não peso) quilograma kg Comprimento metro m Temperatura kelvin K Tempo segundo s Quantidade de substância pura mol (mole) mol Corrente elétrica ampere A Brilho da luz (comprimento de onda) candela cd Sistema Internacional de Unidades (SI) Em 1960, a Conferência Geral de Pesos e Medidas adotou o Sistema Internacional de Unidades (SI), do Le Système International d’Unités. O Escritório Internacional de Pesos e Medidas, emSèrves, França, tem medidas oficiais padrão de platina pelas quais todos os outros padrões são conferidos. O SI tem sete bases de unidades pelas quais as outras unidades são calculadas. A Tabela 1-3 apresenta as listas das unidades do SI na química. Quando a Grã-Bretanha formalizou a adoção do sistema métrico em 1965, os Estados Unidos tornaram-se a única grande nação do mundo que não requereu esse sistema, embora as pessoas o usem desde meados de 1800. Notação Científica A notação científica é uma forma simples de escrever e acompanhar os grandes e pequenos números sem usar toneladas de zeros. Ela oferece uma maneira rápida para fazer cálculos e registrar os resultados. 10 QUÍMICA SeM MiSTéRio O sistema de medição SI é baseado em um sistema decimal. Com os cálculos escritos em grupos de 10, os resultados podem ser facilmente registrados como exponentes de 10. Escritas sobrescritas indicam valores exponenciais. Por exemplo, 1.000.000 pode ser escrito como 1 × 106 ou 0,001 pode ser escrito como 1x 10-3. (Nota: 1 × 100 é só 1.) Alguns dos termos usados em notação exponencial são lista- dos na Tabela 1-4. A facilidade desse método é mostrada a seguir. TABELA 1-4 Notação exponencial Prefixo Símbolo Valor tera T 1012 giga G 109 mega M 106 quilo k 103 deca da 101 deci d 10-1 centi c 10-2 mili m 10-3 micro µ* 10-6 nano n 10-9 pico p 10-12 * Letra grega mu EXEMPLO 1-1 100 = (10)(10) = 102 = cem 1000 = (10)(10)(10) = 103 = mil 10,000 = (10)(10)(10)(10) = 104 = dez mil 100,000 = (10)(10)(10)(10)(10) = 105 = cem mil 1,000,000 = (10)(10)(10)(10)(10)(10) = 106 = um milhão 1,000,000,000 = (10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10) = 109 = um bilhão 1,000,000,000,000 = (10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10) = 1012 = um trilhão 1/10 = 10!" = um décimo 1/100 = 1/(10)(10) = 10!# = um centésimo 1/1000 = 1/(10)(10)(10) = 10!$ = um milésimo 1/10,000 = 1/(10)(10) (10)(10) = 10!% = um décimo de milésimo 1/1,000,000 = 1/(10)(10)(10)(10)(10)(10) = 10!& = um milionésimo 1/1,000,000,000 = 1/(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10) = 10!' = um bilionésimo 1/1,000,000,000,000 = 1/(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10)(10) = 10!"# = um trilionésimo
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