1.2: Química em contexto
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Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva o desenvolvimento histórico da química
- Forneça exemplos da importância da química na vida cotidiana
- Descreva o método 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 1.2).
Da alquimia surgiram as progressões históricas que levaram à química moderna: o isolamento de drogas de fontes naturais, como plantas e animais. Mas, embora muitas das substâncias extraídas ou processadas dessas fontes naturais fossem essenciais no tratamento de doenças, muitas eram escassas. Por exemplo, a progesterona, que é fundamental para a saúde da mulher, tornou-se disponível como medicamento em 1935, mas suas fontes animais produziram quantidades extremamente pequenas, limitando sua disponibilidade e aumentando seus gastos. Da mesma forma, na década de 1940, a cortisona passou a ser usada para tratar artrite e outros distúrbios e lesões, mas foi necessário um processo de 36 etapas para sintetizar. O químico Percy Lavon Julian recorreu a uma fonte mais abundante: a soja. Anteriormente, Julian havia desenvolvido um laboratório para isolar a proteína de soja, que era usada no combate a incêndios, entre outras aplicações. Ele se concentrou no uso de esteróis de soja - substâncias usadas principalmente nas membranas vegetais - e foi capaz de produzir rapidamente progesterona e, posteriormente, testosterona e outros hormônios. Posteriormente, ele desenvolveu um processo para fazer o mesmo com a cortisona e lançou as bases para o design moderno de medicamentos. Como a soja e fontes vegetais similares eram extremamente abundantes, os medicamentos logo se tornaram amplamente disponíveis, salvando muitas vidas.
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 1.3). 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.
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. Uma hipótese é testada por experimentação, cálculo e/ou comparação com experimentos de outras pessoas e depois refinada 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 1.4).
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, como densidade, solubilidade e inflamabilidade.
Micro vem do grego e significa “pequeno”. O domínio microscópico da química é frequentemente visitado na imaginação. Alguns aspectos do domínio microscópico são visíveis por meio de microscópios ópticos padrão, por exemplo, muitas células biológicas. Instrumentos mais sofisticados são capazes de gerar imagens de entidades ainda menores, como moléculas e átomos (veja a Figura 1.5 (b)).
No entanto, a maioria dos assuntos no domínio microscópico da química são muito pequenos para serem vistos, mesmo com os microscópios mais avançados, e só podem 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.
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, desenhos e cálculos. 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 ferver para formar um gás em temperaturas mais altas (Figura 1.5) são observações macroscópicas. Mas algumas propriedades da água caem no domínio microscópico — o que não pode ser observado a olho nu. A descrição da água como compreendendo 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.