1.1: Química em contexto

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Objetivos de

Descreva o desenvolvimento histórico da química
Forneça exemplos da importância da química na vida cotidiana
Descreva o método científico e informe o processo científico
Diferencie entre hipóteses, teorias e leis
Forneça exemplos ilustrando domínios macroscópicos, microscópicos e simbólicos

Ao longo da história da humanidade, as pessoas tentaram converter a matéria em formas mais úteis. Nossos ancestrais da Idade da Pedra lascaram pedaços de sílex em ferramentas úteis e esculpiram madeira em estátuas e brinquedos. Esses esforços envolveram mudar a forma de uma substância sem alterar a substância em si. Mas à medida que nosso conhecimento aumentava, os humanos também começaram a mudar a composição das substâncias — a argila foi convertida em cerâmica, as peles foram curadas para fazer roupas, os minérios de cobre foram transformados em ferramentas e armas de cobre e os grãos foram transformados em pão.

Os humanos começaram a praticar química quando aprenderam a controlar o fogo e usá-lo para cozinhar, fazer cerâmica e fundir metais. Posteriormente, eles começaram a se separar e usar componentes específicos da matéria. Uma variedade de medicamentos, como aloe, mirra e ópio, foram isolados das plantas. Corantes, como índigo e roxo tírio, foram extraídos de matéria vegetal e animal. Os metais foram combinados para formar ligas — por exemplo, cobre e estanho foram misturados para produzir bronze — e técnicas de fundição mais elaboradas produziam ferro. Os álcalis foram extraídos das cinzas e os sabonetes foram preparados combinando esses álcalis com gorduras. O álcool foi produzido por fermentação e purificado por destilação.

As tentativas de entender o comportamento da matéria remontam a mais de 2500 anos. Já no século VI aC, os filósofos gregos discutiram um sistema no qual a água era a base de todas as coisas. Você já deve ter ouvido falar do postulado grego de que a matéria consiste em quatro elementos: terra, ar, fogo e água. Posteriormente, um amálgama de tecnologias químicas e especulações filosóficas foi espalhado do Egito, da China e do Mediterrâneo oriental por alquimistas, que se esforçaram para transformar “metais básicos”, como o chumbo, em “metais nobres” como o ouro, e criar elixires para curar doenças e prolongar a vida (Figura \(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): Este retrato mostra a oficina de um alquimista por volta de 1580. Embora a alquimia tenha feito algumas contribuições úteis sobre como manipular a matéria, ela não era científica para os padrões modernos. (crédito: Chemical Heritage Foundation).

Da alquimia surgiram as progressões históricas que levaram à química moderna: o isolamento de drogas de fontes naturais, a metalurgia e a indústria de corantes. Hoje, a química continua aprofundando nossa compreensão e melhorando nossa capacidade de aproveitar e controlar o comportamento da matéria. Esse esforço tem sido tão bem-sucedido que muitas pessoas não percebem nem a posição central da química entre as ciências nem a importância e universalidade da química na vida diária.

Química: A ciência central

A química às vezes é chamada de “a ciência central” devido à sua interconexão com uma vasta gama de outras disciplinas STEM (STEM significa áreas de estudo nas áreas de ciência, tecnologia, engenharia e matemática). A química e a linguagem dos químicos desempenham papéis vitais na biologia, na medicina, na ciência dos materiais, na ciência forense, na ciência ambiental e em muitos outros campos (Figura\(\PageIndex{2}\)). Os princípios básicos da física são essenciais para a compreensão de muitos aspectos da química, e há uma ampla sobreposição entre muitas subdisciplinas nos dois campos, como física química e química nuclear. Matemática, ciência da computação e teoria da informação fornecem ferramentas importantes que nos ajudam a calcular, interpretar, descrever e, em geral, entender o mundo químico. Biologia e química convergem na bioquímica, que é crucial para entender os muitos fatores e processos complexos que mantêm os organismos vivos (como nós) vivos. A engenharia química, a ciência dos materiais e a nanotecnologia combinam princípios químicos e descobertas empíricas para produzir substâncias úteis, desde gasolina a tecidos e eletrônicos. A agricultura, a ciência dos alimentos, a ciência veterinária e a fabricação de cerveja e vinho ajudam a fornecer sustento na forma de alimentos e bebidas à população mundial. Medicina, farmacologia, biotecnologia e botânica identificam e produzem substâncias que ajudam a nos manter saudáveis. A ciência ambiental, a geologia, a oceanografia e a ciência atmosférica incorporam muitas ideias químicas para nos ajudar a entender e proteger melhor nosso mundo físico. Ideias químicas são usadas para ajudar a entender o universo em astronomia e cosmologia.

Figura\(\PageIndex{2}\): O conhecimento da química é fundamental para a compreensão de uma ampla gama de disciplinas científicas. Este diagrama mostra apenas algumas das inter-relações entre a química e outros campos.

Quais são algumas mudanças na matéria que são essenciais para a vida diária? Digerir e assimilar alimentos, sintetizar polímeros usados para fazer roupas, recipientes, utensílios de cozinha e cartões de crédito e refinar petróleo bruto em gasolina e outros produtos são apenas alguns exemplos. Ao prosseguir neste curso, você descobrirá muitos exemplos diferentes de mudanças na composição e estrutura da matéria, como classificar essas mudanças e como elas ocorreram, suas causas, as mudanças na energia que as acompanham e os princípios e leis envolvidos. Ao aprender sobre essas coisas, você aprenderá química, o estudo da composição, propriedades e interações da matéria. A prática da química não se limita a livros ou laboratórios de química: acontece sempre que alguém está envolvido em mudanças na matéria ou em condições que podem levar a tais mudanças.

O método científico

A química é uma ciência baseada na observação e experimentação. Fazer química envolve tentar responder perguntas e explicar observações em termos das leis e teorias da química, usando procedimentos aceitos pela comunidade científica. Não há um caminho único para responder a uma pergunta ou explicar uma observação, mas há um aspecto comum a cada abordagem: cada uma usa o conhecimento baseado em experimentos que podem ser reproduzidos para verificar os resultados. Algumas rotas envolvem uma hipótese, uma explicação provisória das observações que funciona como um guia para coletar e verificar informações. Testamos uma hipótese por meio de experimentação, cálculo e/ou comparação com experimentos de outras pessoas e depois a refinamos conforme necessário.

Algumas hipóteses são tentativas de explicar o comportamento resumido nas leis. As leis da ciência resumem um grande número de observações experimentais e descrevem ou predizem alguma faceta do mundo natural. Se tal hipótese for capaz de explicar um grande corpo de dados experimentais, ela pode atingir o status de teoria. As teorias científicas são explicações bem fundamentadas, abrangentes e testáveis de aspectos particulares da natureza. As teorias são aceitas porque fornecem explicações satisfatórias, mas podem ser modificadas se novos dados forem disponibilizados. O caminho da descoberta que leva da pergunta e observação à lei ou da hipótese à teoria, combinado com a verificação experimental da hipótese e qualquer modificação necessária da teoria, é chamado de método científico (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Neste fluxograma, a caixa de observação e curiosidade tem uma seta apontando para uma caixa chamada de hipótese de formulário; faça uma previsão. Uma seta curva rotulada a seguir conecta essa caixa a uma caixa chamada realizar experimento; faça mais observações. Outra seta aponta de volta para a caixa que diz a hipótese do formulário; faça a previsão. Essa seta é rotulada como resultados não consistentes com a previsão. Outra seta, com os resultados rotulados, é consistente com os pontos de previsão da caixa de realização do experimento até uma caixa rotulada como contribui para o corpo de conhecimento. No entanto, uma seta também aponta de contribuições para o corpo de conhecimento de volta para a hipótese do formulário; faça uma caixa de previsão. Essa seta é rotulada como teste adicional não suporta hipóteses. Há também duas outras flechas saindo de contribuições para o corpo de conhecimento. Uma seta é rotulada como muitos testes adicionais produzem observações constantes. Isso faz com que a observação se torne uma caixa de lei. A outra seta é rotulada como muitos testes adicionais que suportam hipóteses. Essa flecha faz com que a hipótese se torne uma caixa teórica.

Os domínios da química

Os químicos estudam e descrevem o comportamento da matéria e da energia em três domínios diferentes: macroscópico, microscópico e simbólico. Esses domínios fornecem maneiras diferentes de considerar e descrever o comportamento químico.

Macro é uma palavra grega que significa “grande”. O domínio macroscópico é familiar para nós: é o reino das coisas cotidianas que são grandes o suficiente para serem detectadas diretamente pela visão ou pelo toque humano. Na vida diária, isso inclui a comida que você come e a brisa que sente no rosto. O domínio macroscópico inclui química diária e laboratorial, onde observamos e medimos propriedades físicas e químicas, ou mudanças como densidade, solubilidade e inflamabilidade.

O domínio microscópico da química quase sempre é visitado na imaginação. Micro também vem do grego e significa “pequeno”. Alguns aspectos dos domínios microscópicos são visíveis por meio de um microscópio, como uma imagem ampliada de grafite ou bactéria. Os vírus, por exemplo, são pequenos demais para serem vistos a olho nu, mas quando estamos sofrendo de um resfriado, somos lembrados de como eles são reais.

No entanto, a maioria dos sujeitos no domínio microscópico da química, como átomos e moléculas, são pequenos demais para serem vistos mesmo com microscópios padrão e, muitas vezes, precisam ser retratados na mente. Outros componentes do domínio microscópico incluem íons e elétrons, prótons e nêutrons e ligações químicas, cada uma das quais é muito pequena para ser vista. Esse domínio inclui os átomos de metal individuais em um fio, os íons que compõem um cristal de sal, as mudanças nas moléculas individuais que resultam em uma mudança de cor, a conversão de moléculas de nutrientes em tecido e energia e a evolução do calor à medida que ligações que mantêm os átomos juntos são criadas.

O domínio simbólico contém a linguagem especializada usada para representar componentes dos domínios macroscópico e microscópico. Símbolos químicos (como os usados na tabela periódica), fórmulas químicas e equações químicas fazem parte do domínio simbólico, assim como gráficos e desenhos. Também podemos considerar os cálculos como parte do domínio simbólico. Esses símbolos desempenham um papel importante na química porque ajudam a interpretar o comportamento do domínio macroscópico em termos dos componentes do domínio microscópico. Um dos desafios para os estudantes que aprendem química é reconhecer que os mesmos símbolos podem representar coisas diferentes nos domínios macroscópico e microscópico, e uma das características que tornam a química fascinante é o uso de um domínio que deve ser imaginado para explicar o comportamento em um domínio que pode ser observado.

Uma maneira útil de entender os três domínios é por meio da substância essencial e onipresente da água. Que a água é um líquido em temperaturas moderadas, congelará para formar um sólido em temperaturas mais baixas e ferverá para formar um gás em temperaturas mais altas (Figura 1.1.4) são observações macroscópicas. Mas algumas propriedades da água caem no domínio microscópico — o que não podemos observar a olho nu. A descrição da água como composta por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, e a explicação do congelamento e da ebulição em termos de atrações entre essas moléculas, estão dentro da arena microscópica. A fórmula H ₂ O, que pode descrever a água nos níveis macroscópico ou microscópico, é um exemplo do domínio simbólico. As abreviações (g) para gás, (s) para sólido e (l) para líquido também são simbólicas.

Figura\(\PageIndex{4}\): (a) A umidade no ar, nos icebergs e no oceano representa a água no domínio macroscópico. (b) No nível molecular (domínio microscópico), as moléculas de gás estão distantes e desorganizadas, as moléculas de água sólida estão próximas e organizadas e as moléculas líquidas estão próximas umas das outras e desorganizadas. (c) A fórmula H ₂ O simboliza água e (g), (s) e (l) simbolizam suas fases. Observe que as nuvens são, na verdade, compostas por gotículas de água líquida muito pequenas ou cristais de água sólida; a água gasosa em nossa atmosfera não é visível a olho nu, embora possa ser detectada como umidade. (crédito a: modificação do trabalho de “Gorkaazk” /Wikimedia Commons).

Conceitos principais e resumo

A química lida com a composição, estrutura e propriedades da matéria e as formas pelas quais várias formas de matéria podem ser interconvertidas. Assim, ocupa um lugar central no estudo e na prática da ciência e tecnologia. Os químicos usam o método científico para realizar experimentos, apresentar hipóteses, formular leis e desenvolver teorias, para que possam entender melhor o comportamento do mundo natural. Para isso, eles operam nos domínios macroscópico, microscópico e simbólico. Os químicos medem, analisam, purificam e sintetizam uma grande variedade de substâncias que são importantes para nossas vidas.

Glossário

química: estudo da composição, propriedades e interações da matéria

hipótese: explicação provisória de observações que funciona como um guia para coletar e verificar informações

lei: declaração que resume um grande número de observações experimentais e descreve ou prevê algum aspecto do mundo natural

domínio macroscópico: reino de coisas cotidianas que são grandes o suficiente para serem sentidas diretamente pela visão e pelo toque humanos

domínio microscópico: reino de coisas que são muito pequenas para serem sentidas diretamente

método científico: caminho de descoberta que leva da pergunta e observação à lei ou da hipótese à teoria, combinado com a verificação experimental da hipótese e qualquer modificação necessária da teoria

domínio simbólico: linguagem especializada usada para representar componentes dos domínios macroscópico e microscópico, como símbolos químicos, fórmulas químicas, equações químicas, gráficos, desenhos e cálculos

teoria: explicação bem fundamentada, abrangente e testável de um aspecto particular da natureza