AS PARTÍCULAS

Já faz muito tempo que a diversidade dos materiais tem fascinado os seres humanos. Esse fascínio aguça a curiosidade e resulta em estudos mais aprofundados das características e propriedades dos materiais. Curiosidade, estudo e desejo de entender despertam a imaginação e a criatividade do ser humano.
Inúmeras perguntas, as mais diversas respostas, vários modelos e representações foram e continuam sendo formulados na tentativa de entender do que são feitos os diferentes materiais. Contudo nunca estamos certos de que nossas representações e modelos correspondem aos objetos reais que tentamos compreender. Muitas vezes essas construções mentais nos permitem explicar, entender e até fazer previsões sobre o que acontecerá a certos objetos sob determinadas condições. Outras vezes vão perdendo sua força explicativa diante de novos questionamentos e novas evidências.
Os modelos são sempre provisórios, por mais refinada e sofisticada que seja a forma que eles assumam. Na história das ciências, é comum alguns modelos serem substituídos por outros considerados mais adequados para compreender o mundo em que vivemos. A utilidade e a validade de um modelo científico são julgadas pelo número de fenômenos conhecidos que ele é capaz de explicar e de fenômenos novos que ele é capaz de prever. Pelo estudo, pela investigação incansável e, especialmente, por sua capacidade de imaginar, o ser humano vai aos poucos revelando as sutilezas dos materiais “vistos por dentro”.

Ao longo da história da ciência, vários modelos foram e continuam a ser propostos para explicar a constituição dos materiais. Os modelos aceitos pela ciência baseiam-se em algumas ideias fundamentais. São elas:

1. Os materiais são formados de um grande número de pequeníssimas partículas;
2.  Entre partículas existem espaços vazios;
3. As partículas movimentam-se sem cessar e em todas as direções;
4. As partículas interagem entre si.
Esse modelo em que se baseiam outros modelos científicos sobre a matéria é chamado modelo cinético molecular ou simplesmente modelo de partículas.
Para percebermos o alcance e o poder das ideias que estão por trás desse modelo, vamos entender o significado de cada uma delas e como nos ajudam a compreender o mundo à nossa volta.

Os materiais são formados de um grande número de pequeníssimas partículas

Uma das mais importantes ideias produzidas pela ciência foi supor que a imensa diversidade de matérias à nossa volta pudesse resultar da combinação de algumas partículas.
Por exemplo, podemos dizer que a água contida em um copo é composta de um grande número de partículas, as quais chamamos de moléculas. As moléculas de água, por sua vez, são formadas pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio. Já os elementos químicos são formados oor partículas domesmo tipo, as quais chamamos de átomos. Assim, podemos dizer que a água é um aglomerado de moléculas constituídas por átomos de dois elementos químicos diferentes. Uma molécula de água é formada por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio e costumamos representá-lo pela fórmula química H2O. Mas a substância água, tão importante para a nossa sobrevivência, é formada por muitas dessas moléculas.
Os átomos são como peças de um joguinho de montar, que formam peças maiores. Desse modo, tudo à nossa volta, e até mesmo nós, somos formados de átomos. Os seres vivos são compostos, principalmente, de átomos de quatro elementos químicos: carbono ( C ), oxigênio (O), hidrogênio (H) e nitrogênio (N).
Boa parte das moléculas tem uma dimensão comparável com a de um átomo, mas existem macromoléculas formadas de longas cadeias de milhares de átomos. É o caso das moléculas  de DNA, que contêm a informação genética.
Alguns estudantes acreditam, incorretamente, que os átomos de chumbo são densos, que as partículas que constituem o permanganato de potássio ( um sólido roxo) são roxas e que,quando uma barra de ferro se funde, os átomos de ferro também se fundem. Preste atenção ! Todas essas conclusões estão erradas.
As partículas (sejam elas átomos ou moléculas) não têm as propriedades da substância à qual elas pertencem. Assim, o colorido que você vê nos desenhos desta página é um recurso utilizado para diferenciar a representação de um átomo da de outro. Portanto, sempre que você encontrar modelos mostrando partículas coloridas, lembre-se de que as cores utilizadas são cores fantasia.

Entre as partículas existem espaços vazios.

Os modelos científicos não atribuem às partículas propriedades que são dos materiais, como cor, aparência, textura e dilatação. Portanto, quando uma garrafa é mergulhada em água quente, os espaços entre as partículas do ar aumentam. Porém, muitos ainda acreditam que são as partículas do ar que aumentam de tamanho. O ar dentro dessa garrafa passa a ocupar um espaço maior e, consequentemente,  o volume ocupado  por ele aumenta, o que explica o fato de o balão inflar.
O s gases podem também sofrer compressão com facilidade. Isso acontece quando baixamos sua temperatura ou quando aumentamos a pressão exercida sobre eles. Interpretamos essa mudança admitindo que, nesses casos, os espaços entre as partículas de ar diminuam.
As bolinhas dos modelos representam as substâncias que compõem o ar. Entre elas existem apenas espaços vazios. Ao longo da história da ciência, não foi fácil admitir a existência do vazio. Da mesma forma essa idéia pode parecer estranha para você. Entretanto, o modelo cinético molecular, também chamado de modelo de partículas, foi desenvolvido admitindo-se que existem espaços vazios entre as partículas e que as partículas que compõem os materiais não variam de tamanho em uma transformação. Em outras palavras, o que varia são os espaços vazios entre elas.
Em geral, os sólidos,quando são resfriados, contraem-se. Entre as partículas de um pedaço de ferro,de um pedaço de madeira, da água que bebemos e do ar que respiramos existem espaços vazios que podem aumentar ou diminuir em razão da variedade da temperatura e da pressão. Diferentes materiais apresentam dilatações distintas.
O mercúrio, por exemplo, dilata-se com muita facilidade e, por isso, é utilizado na fabricação de termômetros.

As partículas movimentam-se sem cessar e em todas as direções.

Você já deve ter observado que ninguém consegue esconder que está descascando uma mexerica, fruta também conhecida por tangerina ou bergamota. Tão logo começamos a descascá-la, o aroma de espalha de tal modo que pode ser percebido mesmo por quem está distante. O aroma é resultado de partículas que se propagam pelo ambiente e alcançam nossas narinas, nas quais se localizam células nervosas capazes de percebê-las.
Mas como as partículas aromáticas da mexerica chegam até as pessoas que se encontram mais distantes?
Somos levados a admitir que,ao se desprenderem da casca, as partículas das substâncias voláteis ( que se evaporam rapidamente) se movem em todas as direções e se espalham por todo o ambiente e, até mesmo,para fora dele. Por isso dizemos que as partículas aromáticas da mexerica se difundiram pelo ar.

O modelo de partículas ou modelo cinético molecular supõe que as partículas dos gases se movimentam ao acaso e em todas as direções. Cada partícula só modifica a direção de seu movimento quando se choca com outra. Lembre-se de que as partículas são muito pequenas e de que existe um grande número delas em um pequeno volume. Ao se chocarem umas com as outras, as partículas se movimentam em zigue zague, vão se espalhando, o que significa que as substâncias presentes no ar estão se misturando.

O espalhamento das substâncias gasosas em um lugar aberto será mais rápido quanto maior for a temperatura ambiente. Se o ar estiver a uma temperatura mais alta, o cheiro se espalhará mais rapidamente. Esse fato pode ser interpretado como uma evidência de que a temperatura dos materiais está ligada à velocidade das partículas que os compõem.
Por estar relacionado à temperatura dos materiais, o movimento das partículas é também denominado “agitação térmica”.
Os líquidos também se misturam espontaneamente. Ao olharmos um copo com água, não somos capazes de ver os deslocamentos das pequenas partículas do líquido. Entretanto, podemos evidenciar esse movimento. Entretanto, podemos evidenciar esse movimento observando o espalhamento da cor violeta do permanganato de potássio.  Ele se dissolve no fundo de um copo com água indicando que suas partículas se movem. Isso ocorre mesmo que o copo esteja parado e que a água não seja agitada com um bastão ou uma colher.

As partículas dos sólidos também apresentam movimentos, sem cessar. A rapidez desse movimento depende da temperatura do material. Nos sólidos as partículas não se movem de um lugar para outro como nos líquidos e nos gases, mas vibram continuamente em torno de um ponto fixo. Quanto maior for a temperatura de um material sólido, maior será a vibração de suas partículas.
A temperatura de um material é a medida da energia cinética de suas partículas. Um copo com água a uma temperatura de 20ºC tem certa quantidade de energia associada ao movimento de suas partículas. Se aquecermos a água, elevando sua temperatura a 50ºC, ela passará a ter maior quantidade de energia associada ao movimento de suas partículas. Esse copo de água quente, ao ser resfriado, transfere energia para o ar à sua volta. A velocidade das partículas da água diminui enquanto a velocidade das partículas do ar aumenta.

As partículas interagem entre si

Um gás espalha-se naturalmente em todas as direções ocupando todo o espaço disponível. É o que ocorre quando o gás de cozinha escapa por um vazamento. Depois de algum tempo, sentimos o cheiro do gás pela cozinha e,em seguida, por toda a casa. Isso ocorre de modo diferente nos líquidos e nos sólidos.
Como o modelo de partículas explica essa diferença? Se as partículas dos líquidos e dos sólidos se encontram em movimento ao caso, por que elas não se afastam umas das outras como nos gases?
No modelo de partículas, supõe-se que, nos sólidos, as partículas interagem entre si mais fortemente do que nos líquidos e nos gases.
A tensão superficial é um exemplo de interação entre partículas que ocorre na superfície dos líquidos, mais particularmente na água.
Neste caso, forma-se uma película elástica na área de contato entre o líquido e o ar.

Um “modelo de partículas” geral para sólidos, líquidos e gases.

Os materiais podem existir nos estados sólido, líquido e gasoso. Um mesmo material pode se apresentar nesses três estados físicos, dependendo das condições de pressão e temperatura a que for submetido.
Mas o que distingue um mesmo material em diferentes estados (sólido,líquido e gasoso)? Por que os sólidos,os líquidos e os gases se comportam de maneira tão diversa quando comparados entre si?
O modelo de partículas afirma que a natureza das partículas de um dado material não se modifica quando ele passa de um estado físico para o outro. O que se altera,nesses casos, é apenas o modo como as partículas se organizam, se movimentam e se interagem entre si.
Existem grandes espaços vazios entre as partículas que constituem os gases. Por essa razão, eles são pouco densos. Além disso, as interações entre essas partículas são muito fracas, permitindo que os gases se expandam com maior facilidade e ocupem todo o volume disponível. Pelo mesmo motivo os gases  são facilmente compressíveis, diferentemente de líquidos e sólidos.
Nos líquidos,as partículas encontram-se mais próximas umas das outras do que nos gases, e as forças de interação entre elas são mais intensas. Isso faz com que as partículas que formam os líquidos tenham menor liberdade de movimento do que as que compõem os gases. Um líquido em um recipiente adquire a forma desse recipiente, mas não se expande ocupando todo o espaço disponível, como acontece com os gases.
Os sólidos apresentam máxima organização interna, e muitos deles têm um arranjo geométrico definido das partículas que os constituem. Uma intensa interação entre as partículas mantém-nas unidas. Os movimentos das partículas, embora incessantes, restringem-se à vibração em torno de um ponto. Por isso, quando aquecidos, os sólidos se dilatam bem menos que os líquidos e muito menos ainda que os gases.

Água em ebulição : por que a temperatura não se altera quando a água está fervendo?

Quando fornecemos calor a uma quantidade de água em uma panela, sua temperatura irá se elevar até que comece a ferver. Entretanto, mesmo com a chama acesa, a temperatura da água em ebulição não se altera. Como podemos explicar isso? Para onde estaria indo a energia fornecida pela chama à água?
Podemos supor que essa energia esteja sendo transferida ao vapor formado, mas, ao medirmos  a temperatura do vapor, veremos que ela é igual à temperatura da água em ebulição.
Quanto maior é a temperatura de um material, maior é a velocidade média das partículas que o constituem. Podemos, então, dizer que,enquanto a água esquenta, a energia que ela recebe  é utiliada para aumentar a velocidade das partículas que a compõem. Contudo, quando a águacomeça a evaporar, a temperatura fica constante e a energia éusada para converter a água líquida em vapor de água.
Para entender como isso funciona, você deve se lembrar de que as partículas de água no estado líquido interagem mais fortemente do que quando elas se encontram no estado gasoso. Por isso, quando é fornecida energia às partículas da água líquida, elas conseguem romper as forças de interação.
Mesmo se houver um aumento da chama, a temperatura da água se manterá constante, mas a quantidade de vapor produzido aumentará. Isso pode ser explicado da seguinte forma : a energia fornecida é utilizada para separar as partículas de água quando esta passa do estado líquido para o gasoso.
A experiência mostra que, durante as mudanças de estado físico – de sólido para líquido, de líquido para gás ou vice versa -, a temperatura da substância que está mudando de estado não varia, ou seja, permanece constante. Esse comportamento, em geral, não é válido para as misturas, mas para as substâncias puras. Em todos esses casos, a energia envolvida na transformação está relacionada com a separação das partículas.

Vejamos o que ocorre quando acompanhamos a fusão do cubo de gelo. Para fundir o gelo é necessário fornecer calor a ele. Entretanto ele não se funde todo de uma vez, apresentando uma parte líquida e uma parte sólida, que permanecem à mesma temperatura, 0ºC, durante o processo. Por que isso ocorre? Porque a energia absorvida durante a fusão é usada para romper a estrutura cristalina do gelo, resultando na água líquida.

Muito nada e pouco nada: uma questão de densidade

Admitir a existência de espaços vazios entre as partículas que compõem um material nos permite interpretar algumas de suas propriedades, como é o caso da densidade. E como se admitir não bastasse, também falamos que em algumas situações existem “muito nada “ e “pouco nada”.
Quando temos “pouco nada” entre as partículas, queremos dizer que elas estão muito próximas umas das outras e que,portanto, há muita massa concentrada em um determinado volume. É o caso dos materiais muito densos, como o chumbo e o ferro. Assim, se algum colega perguntar o que pensa mais, 1 kg de chumbo ou 1 kg de isopor, você já sabe que se trata de uma brincadeira.
Por outro lado, quando temos “muito nada”, isto é, um material com muito espaço sem nada para preenchê-lo, dizemos que ele é pouco denso. Um pedaço de isopor seria um exemplo de “muito nada” por unidade de volume. Em outras palavras, as partículas estão mais afastadas umas das outras, comparando com o caso do chumbo e do ferro.