Estrutura da matéria

Matéria é tudo o que tem massa e ocupa lugar no espaço. A Química estuda a composição da matéria, suas propriedades e suas transformações. Nesta aula, veremos os estados físicos, as propriedades da matéria, as substâncias e misturas, a estrutura do átomo, a tabela periódica e as ligações químicas. Para o bombeiro, esses conceitos explicam, por exemplo, por que alguns materiais se inflamam com facilidade e por que gases se espalham rapidamente num ambiente fechado.

Estados físicos e mudanças de estado

Estado	Forma	Volume	Organização das partículas
Sólido	Definida	Definido	Muito organizadas, forte atração
Líquido	Variável (do recipiente)	Definido	Menos organizadas, atração intermediária
Gasoso	Variável	Variável (ocupa todo o recipiente)	Desorganizadas, fraca atração, grande agitação

Mudanças de estado:

• fusão: sólido → líquido (gelo derretendo);
• solidificação: líquido → sólido;
• vaporização: líquido → gasoso, que pode ser evaporação (lenta, na superfície, a qualquer temperatura), ebulição (rápida, em toda a massa, na temperatura de ebulição) ou calefação (muito rápida, quando o líquido cai numa superfície muito quente);
• condensação ou liquefação: gasoso → líquido;
• sublimação: sólido → gasoso diretamente (naftalina, gelo-seco); a passagem inversa é chamada ressublimação (ou deposição).

Atenção: fusão, vaporização e sublimação absorvem calor (são endotérmicas); solidificação, condensação e ressublimação liberam calor (são exotérmicas). É por isso que a água é um agente extintor tão eficiente: ao se vaporizar, ela absorve uma grande quantidade de calor do fogo.

Propriedades da matéria

• Gerais: comuns a toda matéria (massa, volume, inércia, impenetrabilidade, divisibilidade, compressibilidade, elasticidade).
• Específicas: permitem identificar uma substância:
  • físicas: ponto de fusão (PF), ponto de ebulição (PE), densidade (d = m/V), solubilidade, condutividade;
  • químicas: capacidade de reagir (por exemplo, ser inflamável, oxidar, reagir com ácidos);
  • organolépticas: percebidas pelos sentidos (cor, odor, sabor, brilho).

Densidade: a gasolina tem densidade menor que a da água (cerca de 0,75 g/cm³) e não se mistura com ela. Por isso, jogar água num incêndio de gasolina pode espalhar o combustível em chamas, que flutua sobre a água.

Substâncias e misturas

• Substância pura: tem composição fixa e propriedades constantes (PF e PE definidos).
  • Simples: formada por um único elemento químico (O₂, O₃, N₂, Fe, H₂).
  • Composta: formada por dois ou mais elementos (H₂O, CO₂, NaCl, CH₄).
• Mistura: reunião de duas ou mais substâncias, sem composição fixa.
  • Homogênea (solução): uma única fase (água com sal dissolvido, ar filtrado, álcool 70%).
  • Heterogênea: duas ou mais fases (água e óleo, água e areia, granito).

Alotropia: é o fenômeno em que um mesmo elemento forma substâncias simples diferentes. Exemplos: oxigênio (O₂, gás que respiramos) e ozônio (O₃); carbono grafite, diamante e fulerenos; fósforo branco e vermelho; enxofre rômbico e monoclínico.

Separação de misturas:

• heterogêneas: decantação (água e óleo, com funil de bromo), filtração (sólido e líquido), catação, peneiração, levigação, separação magnética, centrifugação;
• homogêneas: destilação simples (sólido dissolvido em líquido: água e sal), destilação fracionada (líquidos com pontos de ebulição diferentes: petróleo, álcool e água), evaporação (obtenção do sal marinho), liquefação fracionada (separação dos componentes do ar).

O átomo

Modelos atômicos (evolução):

• Dalton (1808): átomo como esfera maciça e indivisível ("bola de bilhar").
• Thomson (1897): descobriu o elétron; átomo como esfera positiva com elétrons incrustados ("pudim de passas").
• Rutherford (1911): experimento com a lâmina de ouro; o átomo tem um núcleo pequeno, denso e positivo e uma eletrosfera muito maior, onde ficam os elétrons; o átomo é, em sua maior parte, vazio.
• Bohr (1913): os elétrons giram em órbitas (camadas ou níveis) de energia definida; ao receber energia, o elétron salta para uma camada mais externa e, ao voltar, emite luz (explica as cores dos fogos de artifício).

Partículas fundamentais:

Partícula	Carga	Local	Massa relativa
Próton	+1	Núcleo	1
Nêutron	0	Núcleo	1
Elétron	−1	Eletrosfera	≈ 1/1836

Grandezas:

• número atômico (Z): número de prótons; identifica o elemento químico;
• número de massa (A): A = Z + N (prótons + nêutrons);
• num átomo neutro, o número de elétrons é igual ao de prótons;
• íons: átomos que ganharam (ânions, negativos) ou perderam (cátions, positivos) elétrons.

Semelhanças atômicas:

• isótopos: mesmo Z, diferente A (¹H, ²H e ³H; ¹²C e ¹⁴C);
• isóbaros: mesmo A, diferente Z;
• isótonos: mesmo número de nêutrons;
• isoeletrônicos: mesmo número de elétrons.

Distribuição eletrônica (diagrama de Linus Pauling): os elétrons ocupam subníveis em ordem crescente de energia: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p. Capacidades: s = 2, p = 6, d = 10, f = 14. A camada mais externa é a camada de valência.

Tabela periódica

Os elementos estão organizados em ordem crescente de número atômico, em 7 períodos (linhas horizontais, que indicam o número de camadas eletrônicas) e 18 grupos ou famílias (colunas verticais, cujos elementos têm propriedades químicas semelhantes e, nos grupos representativos, o mesmo número de elétrons na camada de valência).

Grupo	Nome	Elétrons de valência	Exemplos
1	Metais alcalinos	1	Li, Na, K
2	Metais alcalinoterrosos	2	Mg, Ca
13	Família do boro	3	B, Al
14	Família do carbono	4	C, Si
15	Família do nitrogênio	5	N, P
16	Calcogênios	6	O, S
17	Halogênios	7	F, Cl, Br, I
18	Gases nobres	8 (He: 2)	He, Ne, Ar

O hidrogênio fica no grupo 1, mas não é metal alcalino. Os gases nobres são muito estáveis e pouco reativos. Os metais alcalinos reagem violentamente com a água, liberando gás hidrogênio, que é inflamável: por isso, não se usa água em incêndios envolvendo sódio ou potássio metálicos (incêndios de classe D).

Propriedades periódicas:

• raio atômico: aumenta de cima para baixo no grupo e da direita para a esquerda no período;
• energia de ionização e eletronegatividade: aumentam de baixo para cima e da esquerda para a direita. O elemento mais eletronegativo é o flúor; a ordem clássica é F > O > N > Cl > Br > I > S > C > P > H.

Ligações químicas

Os átomos se ligam para adquirir estabilidade, geralmente com 8 elétrons na camada de valência (regra do octeto).

• Ligação iônica: transferência de elétrons entre um metal (que perde elétrons) e um ametal (que ganha). Forma compostos sólidos, de alto ponto de fusão, que conduzem corrente quando fundidos ou dissolvidos em água. Exemplo: NaCl (sal de cozinha).
• Ligação covalente (molecular): compartilhamento de pares de elétrons entre ametais (ou ametal e hidrogênio). Exemplos: H₂O, CO₂, CH₄, O₂.
• Ligação metálica: entre átomos de metais, com elétrons livres ("mar de elétrons"), explicando a condutividade elétrica e térmica e o brilho dos metais.

Polaridade e forças intermoleculares: moléculas polares (como H₂O) dissolvem substâncias polares; moléculas apolares (como os hidrocarbonetos da gasolina) dissolvem substâncias apolares ("semelhante dissolve semelhante"). A água forma ligações de hidrogênio, o que explica seu ponto de ebulição alto para uma molécula tão pequena.

Como a banca cobra

• Mudanças de estado (endotérmicas x exotérmicas).
• Substância simples x composta; mistura homogênea x heterogênea; alotropia.
• Modelos atômicos e partículas; isótopos, isóbaros e isótonos.
• Famílias da tabela periódica e eletronegatividade.
• Tipos de ligação e propriedades dos compostos.

Pegadinhas comuns

• "A evaporação só ocorre na temperatura de ebulição" (errado: ocorre a qualquer temperatura).
• "O O₂ e o O₃ são isótopos" (errado: são alótropos).
• "Isótopos têm o mesmo número de massa" (errado: mesmo número atômico).
• "O hidrogênio é um metal alcalino" (errado).
• "O NaCl é formado por ligação covalente" (errado: iônica).

Quadro-resumo

Tema	Ponto-chave
Endotérmicas	Fusão, vaporização, sublimação
Substância simples	Um só elemento (O₂, O₃)
Alotropia	Mesmo elemento, substâncias diferentes
Z / A	Prótons / prótons + nêutrons
Isótopos	Mesmo Z
Período / grupo	Nº de camadas / propriedades semelhantes
Mais eletronegativo	Flúor
Iônica / covalente / metálica	Transferência / compartilhamento / mar de elétrons