Aula 05 - Composição da matéria, molécula e átomo

O verdadeiro impulso para o uso da energia elétrica só aconteceu quando os cientistas começaram a estudar de que é feita a matéria. Isso resultou no conhecimento das propriedades dos materiais, na identificação de materiais condutores e isolantes e na sua melhor utilização.

Composição da matéria

Quadro 01 - Evolução do conhecimento sobre átomo.

Tudo o que existe no universo é constituído de matéria: desde as maiores galáxias, os planetas, as estrelas e os corpos celestes situados nos seus pontos mais afastados, até a menor partícula de poeira. Por isso, o estudo da eletricidade ficará mais fácil se antes entendermos de que a matéria é composta. Isso porque os fenômenos elétricos acontecem dentro das minúsculas partículas que a compõem. Buscando conhecer o mundo que o rodeava, o homem foi capaz de criar muitas teorias a respeito de como surgiram o céu e a terra e de que se compõe toda a matéria que está a nossa volta. Os gregos foram os primeiros a criar uma teoria que considerava o átomo a menor partícula de que a matéria é composta. A palavra átomo é de origem grega e quer dizer indivisível, quem a usou, por volta do ano 400 a.C., para explicar que o átomo constitui toda e qualquer matéria, foi o filósofo grego Demócrito de Abdera, ele é considerado o pai do atomismo grego. No século XIX, vários cientistas se interessaram pelo assunto e, a partir de 1897, as teorias foram desenvolvidas com a ajuda de testes experimentais. O quadro 01 resume o que se descobriu sobre os átomos.

Molécula e o átomo

Figura 01 - Molécula de água

Os cientistas provaram que toda a matéria é composta por átomos constituídos por um núcleo central de carga positiva (os prótons) e de carga neutra (os nêutrons) ao redor do qual se movimentam os elétrons, que são as partículas de carga negativa. Porém, um átomo sozinho não faz a matéria. É aí que entra a molécula. Nas aulas de química, aprendemos que uma molécula é a menor partícula em que se pode dividir uma substância mantendo-se, ainda, as mesmas características da substância que a originou. Por exemplo, uma gota de água pode ser dividida continuamente até chegarmos à molécula de água, que é a menor partícula que conserva as características originais da água. 

Figura 02 - Átomo de oxigênio.

Essa molécula é formada por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, portanto, sua fórmula química é H2O. Veja na figura 01 uma representação de uma molécula de água.          Embora os átomos que formam as moléculas sejam compostos por partículas menores, para todos os efeitos eles são considerados uma unidade fundamental que apresenta algumas particularidades. 

Elas são:

• O átomo não tem carga porque o número de prótons é igual ao número de elétrons.
• Todos os átomos de um dado elemento são iguais. Por isso, um elemento e seu átomo recebem o mesmo nome. Assim, o elemento oxigênio é composto de átomos de oxigênio.
• Uma grande força de atração mantém os nêutrons e prótons unidos, formando um corpo denso chamado núcleo. Os prótons têm carga elétrica positiva e os nêutrons não têm carga elétrica.
• Os elétrons têm carga negativa. Possuem quantidades pequenas e específicas de energia e localizam-se dentro de um conjunto de níveis de energias eletrônicas. Isso os impede de serem atraídos para o núcleo, mesmo tendo uma carga elétrica diferente da dele.
• Um elétron com uma determinada quantidade de energia localiza-se em torno do núcleo, em uma região chamada de orbital.
• Orbital, no átomo, é uma região do espaço em que, sob a ação do núcleo, o elétron com uma dada energia pode ser encontrado.
• Os elétrons movem-se com elevada velocidade em torno dos respectivos núcleos e sem trajetórias definidas.

Portanto, o modelo de átomo aceito atualmente compreende duas regiões:

• um núcleo minúsculo que contém toda a carga positiva e praticamente toda a massa do átomo; 
• uma região fora do núcleo que possui forma de nuvem e é composta, principalmente, de espaço vazio. É nessa nuvem que estão os elétrons.

Dentro da nuvem, que você viu representada na figura, os elétrons estão distribuídos em camadas ou níveis energéticos. De acordo com o número de elétrons presente em cada camada, ela pode apresentar de 1 a 7 níveis energéticos, denominados por Niels Bohr – como você já viu – de K, L, M, N, O, P e Q.

Figura 3 - Maneiras de representar os
 níveis de eletrônicos de energia

A camada K é a que está mais próxima do núcleo e a camada Q é a que está mais distante dele. Dependendo da quantidade de elétrons do átomo, ele pode ter um ou vários níveis energéticos, cada um com uma quantidade específica de elétrons. Isso pode ser visto na figura abaixo, na qual a quantidade de elétrons de cada nível aparece abaixo de cada letra indicadora da camada. A título de curiosidade, na figura você pode ver um outro modo de representar os níveis eletrônicos de energia.

A distribuição dos elétrons nas diversas camadas obedece a regras definidas. A regra mais importante para a área eletroeletrônica refere-se ao nível energético mais distante do núcleo, ou seja, a camada externa (Q). Nessa região podem ser encontrados no máximo oito elétrons.

Figura 4 - Representação esquemática
do comportamento do elétron livre

Os elétrons da camada mais distante do núcleo são chamados de elétrons livres, pois têm uma certa facilidade de se desprender de seus átomos. Todas as reações químicas e elétricas – e são essas as que nos interessam – acontecem na camada externa, chamada de nível, ou camada de valência. Veja na figura a seguir uma representação esquemática do que acontece quando um elétron livre se desprende da camada de valência.

Por essa razão, a teoria eletroeletrônica estuda o átomo apenas no aspecto da sua eletrosfera, ou seja, naquela região periférica, ou orbital, em que estão os elétrons.

Isso nos leva a outro conceito que nos interessa para a teoria eletroeletrônica: o íon.

O íon é o átomo em desequilíbrio. O desequilíbrio é causado sempre que forças externas, sejam magnéticas, térmicas ou químicas, atuam sobre o átomo, fazendo com que o número de elétrons seja maior ou menor que o número de prótons.

O íon pode ser:

• negativo, chamado de ânion: é o átomo que recebeu elétrons.
• positivo, chamado de cátion: é o átomo que perdeu elétrons.

Vamos relembrar que a transformação de um átomo em íon ocorre devido às forças externas ao próprio átomo. Uma vez cessada a causa externa que originou o íon, a tendência natural do átomo é atingir novamente o equilíbrio elétrico. E para alcançá-lo, ele cede os elétrons que estão em excesso ou recupera os que foram perdidos. Isso tem tudo a ver com a eletricidade e com os tipos de materiais que conduzem ou isolam a eletricidade.

A tabela periódica com a distribuição eletrônica está disponível em: Tabela Periódica detalhada. 

No link a seguir há exercícios de aplicação: 02 - Lista de exercícios de Eletricidade básica.

Fonte: Eletricidade, volume 1 / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. SENAI/DN, 2012. 184 p. il. (Série Eletroeletrônica).