2.2: Elementos e átomos - Os blocos de construção da matéria

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Discuta as relações entre matéria, massa, elementos, compostos, átomos e partículas subatômicas
• Faça a distinção entre número atômico e número de massa
• Identifique a principal distinção entre isótopos do mesmo elemento
• Explicar como os elétrons ocupam camadas de elétrons e sua contribuição para a estabilidade relativa de um átomo

A substância do universo — de um grão de areia a uma estrela — é chamada de matéria. Cientistas definem matéria como qualquer coisa que ocupe espaço e tenha massa. A massa e o peso de um objeto são conceitos relacionados, mas não exatamente os mesmos. A massa de um objeto é a quantidade de matéria contida no objeto, e a massa do objeto é a mesma se esse objeto estiver na Terra ou no ambiente de gravidade zero do espaço sideral. O peso de um objeto, por outro lado, é sua massa afetada pela força da gravidade. Onde a gravidade atrai fortemente a massa de um objeto, seu peso é maior do que quando a gravidade é menos forte. Um objeto de certa massa pesa menos na lua, por exemplo, do que na Terra porque a gravidade da lua é menor que a da Terra. Em outras palavras, o peso é variável e é influenciado pela gravidade. Um pedaço de queijo que pesa meio quilo na Terra pesa apenas algumas onças na lua.

Elementos e compostos

Toda a matéria no mundo natural é composta por uma ou mais das 92 substâncias fundamentais chamadas elementos. Um elemento é uma substância pura que se distingue de todas as outras matérias pelo fato de não poder ser criada ou decomposta por meios químicos comuns. Embora seu corpo possa reunir muitos dos compostos químicos necessários para a vida a partir de seus elementos constituintes, ele não pode produzir elementos. Eles devem vir do meio ambiente. Um exemplo familiar de um elemento que você deve ingerir é o cálcio (Ca). O cálcio é essencial para o corpo humano; é absorvido e usado em vários processos, incluindo o fortalecimento dos ossos. Quando você consome laticínios, seu sistema digestivo decompõe os alimentos em componentes pequenos o suficiente para atravessar a corrente sanguínea. Entre eles está o cálcio, que, por ser um elemento, não pode ser mais decomposto. O cálcio elementar do queijo, portanto, é o mesmo que o cálcio que forma os ossos. Alguns outros elementos com os quais você pode estar familiarizado são oxigênio, sódio e ferro. Os elementos do corpo humano são mostrados na Figura 2.2, começando pelos mais abundantes: oxigênio (O), carbono (C), hidrogênio (H) e nitrogênio (N). O nome de cada elemento pode ser substituído por um símbolo de uma ou duas letras; você se familiarizará com alguns deles durante este curso. Todos os elementos do seu corpo são derivados dos alimentos que você ingere e do ar que respira.

Figura 2.2 Elementos do corpo humano Os principais elementos que compõem o corpo humano são mostrados dos mais abundantes aos menos abundantes.

Na natureza, os elementos raramente ocorrem sozinhos. Em vez disso, eles se combinam para formar compostos. Um composto é uma substância composta por dois ou mais elementos unidos por ligações químicas. Por exemplo, a glicose composta é um importante combustível corporal. É sempre composto pelos mesmos três elementos: carbono, hidrogênio e oxigênio. Além disso, os elementos que compõem qualquer composto sempre ocorrem nas mesmas quantidades relativas. Na glicose, sempre há seis unidades de carbono e seis unidades de oxigênio para cada doze unidades de hidrogênio. Mas o que, exatamente, são essas “unidades” de elementos?

Átomos e partículas subatômicas

Um átomo é a menor quantidade de um elemento que retém as propriedades únicas desse elemento. Em outras palavras, um átomo de hidrogênio é uma unidade de hidrogênio — a menor quantidade de hidrogênio que pode existir. Como você pode imaginar, os átomos são quase insondáveis. O período no final desta frase tem milhões de átomos de largura.

Estrutura atômica e energia

Os átomos são compostos de partículas subatômicas ainda menores, três tipos importantes: próton, nêutron e elétron. O número de prótons com carga positiva e nêutrons não carregados (“neutros”) dá massa ao átomo e o número de prótons determina o elemento. O número de elétrons carregados negativamente que “giram” ao redor do núcleo próximo à velocidade da luz é igual ao número de prótons. Um elétron tem cerca de 1/2000 da massa de um próton ou nêutron.

A Figura 2.3 mostra dois modelos que podem ajudá-lo a imaginar a estrutura de um átomo — nesse caso, hélio (He). No modelo planetário, os dois elétrons do hélio são mostrados circulando o núcleo em uma órbita fixa representada como um anel. Embora esse modelo seja útil na visualização da estrutura atômica, na realidade, os elétrons não viajam em órbitas fixas, mas giram em torno do núcleo de forma irregular na chamada nuvem de elétrons.

Figura 2.3 Dois modelos de estrutura atômica (a) No modelo planetário, os elétrons de hélio são mostrados em órbitas fixas, representados como anéis, a uma distância precisa do núcleo, algo como planetas orbitando o sol. (b) No modelo de nuvem de elétrons, os elétrons de hélio são mostrados na variedade de locais que eles teriam a diferentes distâncias do núcleo ao longo do tempo.

Os prótons e elétrons de um átomo carregam cargas elétricas. Os prótons, com sua carga positiva, são designados p ⁺. Elétrons, que têm uma carga negativa, são designados e ^-. Os nêutrons de um átomo não têm carga: são eletricamente neutros. Assim como um ímã adere a uma geladeira de aço porque suas cargas opostas se atraem, os prótons carregados positivamente atraem os elétrons carregados negativamente. Essa atração mútua dá ao átomo alguma estabilidade estrutural. A atração pelo núcleo com carga positiva ajuda a evitar que os elétrons se afastem. O número de prótons e elétrons dentro de um átomo neutro é igual, portanto, a carga geral do átomo é equilibrada.

Número atômico e número de massa

Um átomo de carbono é exclusivo do carbono, mas um próton de carbono não é. Um próton é igual ao outro, seja ele encontrado em um átomo de carbono, sódio (Na) ou ferro (Fe). O mesmo vale para nêutrons e elétrons. Então, o que dá a um elemento suas propriedades distintas — o que torna o carbono tão diferente do sódio ou do ferro? A resposta é a quantidade única de prótons que cada um contém. O carbono, por definição, é um elemento cujos átomos contêm seis prótons. Nenhum outro elemento tem exatamente seis prótons em seus átomos. Além disso, todos os átomos de carbono, encontrados no fígado ou em um pedaço de carvão, contêm seis prótons. Assim, o número atômico, que é o número de prótons no núcleo do átomo, identifica o elemento. Como um átomo geralmente tem o mesmo número de elétrons que prótons, o número atômico também identifica o número usual de elétrons.

Em sua forma mais comum, muitos elementos também contêm o mesmo número de nêutrons que os prótons. A forma mais comum de carbono, por exemplo, tem seis nêutrons e seis prótons, totalizando 12 partículas subatômicas em seu núcleo. O número de massa de um elemento é a soma do número de prótons e nêutrons em seu núcleo. Portanto, a forma mais comum do número de massa do carbono é 12. (Os elétrons têm tão pouca massa que não contribuem significativamente para a massa de um átomo.) O carbono é um elemento relativamente leve. O urânio (U), em contraste, tem um número de massa de 238 e é conhecido como metal pesado. Seu número atômico é 92 (tem 92 prótons), mas contém 146 nêutrons; tem a maior massa de todos os elementos que ocorrem naturalmente.

A tabela periódica dos elementos, mostrada na Figura 2.4, é um gráfico identificando os 92 elementos encontrados na natureza, bem como vários elementos maiores e instáveis descobertos experimentalmente. Os elementos são organizados em ordem de seu número atômico, com hidrogênio e hélio no topo da tabela, e os elementos mais massivos abaixo. A tabela periódica é um dispositivo útil porque, para cada elemento, ela identifica o símbolo químico, o número atômico e o número de massa, enquanto organiza os elementos de acordo com sua propensão a reagir com outros elementos. O número de prótons e elétrons em um elemento é igual. O número de prótons e nêutrons pode ser igual para alguns elementos, mas não é igual para todos.

Figura 2.4 A Tabela Periódica dos Elementos (crédito: R.A. Dragoset, A. Musgrove, C.W. Clark, W.C. Martin)

Link interativo

Visite este site para ver a tabela periódica. Na tabela periódica dos elementos, os elementos em uma única coluna têm o mesmo número de elétrons que podem participar de uma reação química. Esses elétrons são conhecidos como “elétrons de valência”. Por exemplo, todos os elementos na primeira coluna têm um único elétron de valência, um elétron que pode ser “doado” em uma reação química com outro átomo. Qual é o significado de um número de massa mostrado entre parênteses?

Isótopos

Embora cada elemento tenha um número único de prótons, ele pode existir como isótopos diferentes. Um isótopo é uma das diferentes formas de um elemento, diferenciadas umas das outras por diferentes números de nêutrons. O isótopo padrão de carbono é ¹² C, comumente chamado de carbono doze. ¹² C tem seis prótons e seis nêutrons, para um número de massa de doze. Todos os isótopos de carbono têm o mesmo número de prótons; portanto, ¹³ C tem sete nêutrons e ¹⁴ C tem oito nêutrons. Os diferentes isótopos de um elemento também podem ser indicados com o número de massa hifenizado (por exemplo, C-12 em vez de ¹² C). O hidrogênio tem três isótopos comuns, mostrados na Figura 2.5.

Figura 2.5 Os isótopos de hidrogênio prótio, designados ¹ H, têm um próton e nenhum nêutron. É de longe o isótopo de hidrogênio mais abundante na natureza. O deutério, designado ² H, tem um próton e um nêutron. O trítio, designado ³ H, tem dois nêutrons.

Um isótopo que contém mais do que o número normal de nêutrons é chamado de isótopo pesado. Um exemplo é ¹⁴ C. Isótopos pesados tendem a ser instáveis, e isótopos instáveis são radioativos. Um isótopo radioativo é um isótopo cujo núcleo se decompõe prontamente, liberando partículas subatômicas e energia eletromagnética. Diferentes isótopos radioativos (também chamados de radioisótopos) diferem em sua meia-vida, o tempo que leva para que metade de uma amostra de qualquer tamanho de um isótopo decaia. Por exemplo, a meia-vida do trítio - um radioisótopo de hidrogênio - é de cerca de 12 anos, indicando que são necessários 12 anos para que metade dos núcleos de trítio em uma amostra se decomponha. A exposição excessiva a isótopos radioativos pode danificar as células humanas e até causar câncer e defeitos congênitos, mas quando a exposição é controlada, alguns isótopos radioativos podem ser úteis na medicina. Para obter mais informações, consulte Conexões de carreira.

Conexão de carreira

Radiologista intervencionista

O uso controlado de radioisótopos tem diagnóstico médico avançado e tratamento de doenças. Os radiologistas intervencionistas são médicos que tratam doenças usando técnicas minimamente invasivas que envolvem radiação. Muitas condições que antes só podiam ser tratadas com uma operação longa e traumática agora podem ser tratadas de forma não cirúrgica, reduzindo o custo, a dor, o tempo de internação e o tempo de recuperação dos pacientes. Por exemplo, no passado, as únicas opções para um paciente com um ou mais tumores no fígado eram a cirurgia e a quimioterapia (a administração de medicamentos para tratar o câncer). Alguns tumores hepáticos, no entanto, são difíceis de acessar cirurgicamente, e outros podem exigir que o cirurgião remova muito do fígado. Além disso, a quimioterapia é altamente tóxica para o fígado, e certos tumores não respondem bem a ela de qualquer maneira. Em alguns desses casos, um radiologista intervencionista pode tratar os tumores interrompendo o suprimento de sangue, o que eles precisam para continuar a crescer. Nesse procedimento, chamado de radioembolização, o radiologista acessa o fígado com uma agulha fina, enfiada em um dos vasos sanguíneos do paciente. O radiologista então insere pequenas “sementes” radioativas nos vasos sanguíneos que irrigam os tumores. Nos dias e semanas seguintes ao procedimento, a radiação emitida pelas sementes destrói os vasos e mata diretamente as células tumorais nas proximidades do tratamento.

Os radioisótopos emitem partículas subatômicas que podem ser detectadas e rastreadas por tecnologias de imagem. Um dos usos mais avançados dos radioisótopos na medicina é o scanner de tomografia por emissão de pósitrons (PET), que detecta a atividade no corpo de uma injeção muito pequena de glicose radioativa, o açúcar simples que as células usam como energia. A câmera PET revela à equipe médica quais tecidos do paciente estão absorvendo mais glicose. Assim, os tecidos metabolicamente mais ativos aparecem como “pontos quentes” brilhantes nas imagens (Figura 2.6). O PET pode revelar algumas massas cancerosas porque as células cancerosas consomem glicose em alta taxa para estimular sua rápida reprodução.

Figura 2.6 PET Scan O PET destaca áreas do corpo onde há um uso relativamente alto de glicose, o que é característico do tecido canceroso. Este exame PET mostra locais de disseminação de um grande tumor primário para outros locais.

O comportamento dos elétrons

No corpo humano, os átomos não existem como entidades independentes. Em vez disso, eles estão constantemente reagindo com outros átomos para formar e decompor substâncias mais complexas. Para entender completamente a anatomia e a fisiologia, você deve entender como os átomos participam dessas reações. A chave é entender o comportamento dos elétrons.

Embora os elétrons não sigam órbitas rígidas a uma certa distância do núcleo do átomo, eles tendem a permanecer em certas regiões do espaço chamadas camadas de elétrons. Uma camada de elétrons é uma camada de elétrons que circunda o núcleo em um nível de energia distinto.

Os átomos dos elementos encontrados no corpo humano têm de uma a cinco camadas de elétrons, e todas as camadas de elétrons contêm oito elétrons, exceto a primeira camada, que só pode conter duas. Essa configuração das camadas de elétrons é a mesma para todos os átomos. O número preciso de camadas depende do número de elétrons no átomo. O hidrogênio e o hélio têm apenas um e dois elétrons, respectivamente. Se você der uma olhada na tabela periódica dos elementos, notará que o hidrogênio e o hélio são colocados sozinhos em ambos os lados da fileira superior; eles são os únicos elementos que têm apenas uma camada de elétrons (Figura 2.7). Uma segunda camada é necessária para manter os elétrons em todos os elementos maiores que o hidrogênio e o hélio.

O lítio (Li), cujo número atômico é 3, tem três elétrons. Dois deles preenchem a primeira camada de elétrons e o terceiro transborda para uma segunda camada. A segunda camada de elétrons pode acomodar até oito elétrons. O carbono, com seus seis elétrons, preenche inteiramente sua primeira camada e preenche pela metade a segunda. Com dez elétrons, o néon (Ne) preenche inteiramente suas duas camadas de elétrons. Novamente, uma olhada na tabela periódica revela que todos os elementos na segunda linha, do lítio ao néon, têm apenas duas camadas de elétrons. Átomos com mais de dez elétrons precisam de mais de duas camadas. Esses elementos ocupam a terceira linha e as subseqüentes da tabela periódica.

Figura 2.7 Cascas de elétrons Os elétrons orbitam o núcleo atômico em níveis distintos de energia chamados camadas de elétrons. (a) Com um elétron, o hidrogênio preenche apenas pela metade sua camada de elétrons. O hélio também tem uma única camada, mas seus dois elétrons a preenchem completamente. (b) Os elétrons de carbono preenchem completamente sua primeira camada de elétrons, mas apenas a metade preenchem a segunda. (c) O néon, um elemento que não ocorre no corpo, tem 10 elétrons, preenchendo ambas as camadas de elétrons.

O fator que governa mais fortemente a tendência de um átomo participar de reações químicas é o número de elétrons em sua camada de valência. Uma camada de valência é a camada de elétrons mais externa de um átomo. Se a camada de valência estiver cheia, o átomo é estável; o que significa que é improvável que seus elétrons sejam retirados do núcleo pela carga elétrica de outros átomos. Se a camada de valência não estiver cheia, o átomo é reativo; o que significa que ele tenderá a reagir com outros átomos de forma a tornar a camada de valência cheia. Considere o hidrogênio, com seu único elétron preenchendo apenas pela metade sua camada de valência. É provável que esse único elétron seja atraído para relações com os átomos de outros elementos, de modo que a camada de valência única do hidrogênio possa ser estabilizada.

Todos os átomos (exceto hidrogênio e hélio com suas camadas únicas de elétrons) são mais estáveis quando há exatamente oito elétrons em sua camada de valência. Esse princípio é chamado de regra do octeto e afirma que um átomo cederá, ganhará ou compartilhará elétrons com outro átomo, de modo que ele acabe com oito elétrons em sua própria camada de valência. Por exemplo, o oxigênio, com seis elétrons em sua camada de valência, provavelmente reagirá com outros átomos de uma forma que resulte na adição de dois elétrons à camada de valência do oxigênio, elevando o número para oito. Quando dois átomos de hidrogênio compartilham seu único elétron com o oxigênio, ligações covalentes são formadas, resultando em uma molécula de água, H ₂ O.

Na natureza, os átomos de um elemento tendem a se unir aos átomos de outros elementos de maneiras características. Por exemplo, o carbono geralmente preenche sua camada de valência ligando-se a quatro átomos de hidrogênio. Ao fazer isso, os dois elementos formam a molécula orgânica mais simples, o metano, que também é um dos compostos contendo carbono mais abundantes e estáveis na Terra. Como dito acima, outro exemplo é a água; o oxigênio precisa de dois elétrons para preencher sua camada de valência. Ele geralmente interage com dois átomos de hidrogênio, formando H ₂ O. Aliás, o nome “hidrogênio” reflete sua contribuição à água (hidro- = “água”; -gen = “fabricante”). Assim, o hidrogênio é o “fabricante de água”.