Química

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Antoine Lavoisier, considerado o pai da química moderna.

Dupla hélice da molécula de DNA.

Átomo de helio.

Denomina-se química (do árabe kēme (kem, كيمياء), que significa terra") à ciência que estuda a composição, estrutura e propriedades da matéria, como as mudanças que esta experimenta durante as reacções químicas e sua relação com a energia. Historicamente a química moderna é a evolução da alquimia depois da Revolução Química (1733).

As disciplinas da química têm sido agrupadas pela classe de matéria baixo estudo ou o tipo de estudo realizado. Entre estas se têm a química inorgánica, que estuda a matéria inorgánica; a química orgânica, que trata com a matéria orgânica; a bioquímica, o estudo de substâncias em organismos biológicos; o físico-química, compreende os aspectos energéticos de sistemas químicos a escalas macroscópicas, moleculares e atómicas; a química analítica, que analisa mostras de matéria tratando de entender sua composição e estrutura. Outros ramos da química têm emergido em tempos recentes, por exemplo, a neuroquímica que estuda os aspectos químicos do cérebro.

Introdução

A ubicuidad da química nas ciências naturais faz que seja considerada como uma das ciências básicas. A química é de grande importância em muitos campos do conhecimento, como a ciência de materiais, a biologia, a farmácia, a medicina, a geologia, a engenharia e a astronomia, entre outros.

Os processos naturais estudados pela química envolvem partículas fundamentais (elétrons, protones e neutrones), partículas compostas (núcleos atómicos, átomos e moléculas) ou estruturas microscópicas como cristais e superfícies.

Desde o ponto de vista microscópico, as partículas envolvidas em uma reacção química podem considerar-se como um sistema fechado que troca energia com seu meio. Em processos exotérmicos, o sistema liberta energia a seu meio, enquanto um processo endotérmico somente pode ocorrer quando o meio contribui energia ao sistema que reage. Na grande maioria das reacções químicas há fluxo de energia entre o sistema e seu campo de influência, pelo qual podemos estender a definição de reacção química e envolver a energia cinética (calor) como um reactivo ou produto.

Ainda que há uma grande variedade de ramos da química, as principais divisões são:

É comum que entre as comunidades académicas de químicos a química analítica não seja considerada entre as subdisciplinas principais da química e seja vista mais como parte da tecnologia química. Outro aspecto notável nesta classificação é que a química inorgánica seja definida como "química não orgânica". É de interesse também que a Química Física é diferente da Física Química. A diferença é clara em inglês: "chemical physics" e "physical chemistry"; em espanhol, já que o adjectivo vai ao final, a equivalencia seria:

Química física $\Longleftrightarrow \;$ Physical Chemistry
Física química $\Longleftrightarrow \;$ Chemical physics

Usualmente os químicos são educados em termos de físico-química (Química Física) e os físicos trabalham problemas da física química.

A grande importância dos sistemas biológicos faz que em nossos dias grande parte do trabalho em química seja de natureza bioquímica. Entre os problemas mais interessantes encontram-se, por exemplo, o estudo do desdoblamiento das proteínas e a relação entre sequência, estrutura e função de proteínas.

Se há uma partícula importante e representativa na química é o elétron. Um dos maiores lucros da química é ter chegado ao entendimento da relação entre reactividad química e distribuição electrónica de átomos, moléculas ou sólidos. Os químicos têm tomado os princípios da mecânica cuántica e suas soluções fundamentais para sistemas de poucos elétrons e têm feito aproximações matemáticas para sistemas mais complexos. A ideia de orbital atómico e molecular é uma forma sistémica na qual a formação de enlaces é entendible e é a sofisticación dos modelos iniciais de pontos de Lewis. A natureza cuántica do elétron faz que a formação de enlaces seja entendible fisicamente e não se recorra a crenças como as que os químicos utilizaram dantes do aparecimento da mecânica cuántica. Ainda assim, obteve-se grande entendimento a partir da ideia de pontos de Lewis.

História

Artigo principal: História da química

As primeiras experiências do homem como químico se deram com a utilização do fogo na transformação da matéria, a obtenção de ferro a partir do mineral e de vidro a partir de areia são claros exemplos. Pouco a pouco o homem deu-se conta de que outras substâncias também têm este poder de transformação. Dedicou-se um grande empenho em procurar uma substância que transformasse um metal em ouro, o que levou à criação da alquimia. O agregado de experiências alquímicas jogou um papel vital no futuro estabelecimento da química.

A química é uma ciência empírica, já que estuda as coisas por médio do método científico, isto é, por médio da observação, a cuantificación e, sobretudo, a experimentación. Em seu sentido mais amplo, a química estuda as diversas substâncias que existem em nosso planeta bem como as reacções que as transformam em outras substâncias. Por outra parte, a química estuda a estrutura das substâncias a seu nível molecular. E por último, mas não menos importante, suas propriedades.

Subdisciplinas da química

A química cobre um campo de estudos bastante amplo, pelo que na prática se estuda da cada tema de maneira particular. As seis principais e mais estudadas ramos da química são:^{[cita requerida]}

Química inorgánica: Síntese e estudo das propriedades eléctricas, magnéticas e ópticas dos compostos formados por átomos que não sejam de carbono (ainda que com algumas excepções). Trata especialmente os novos compostos com metais de transição, os ácidos e as bases, entre outros compostos.
Química orgânica: Síntese e estudo dos compostos que se baseiam em correntes de carbono.
Bioquímica: estuda as reacções químicas nos seres vivos, estuda o organismo e os seres vivos.
Química física: estuda os fundamentos e bases físicas dos sistemas e processos químicos. Em particular, são de interesse para o químico físico os aspectos energéticos e dinâmicos de tais sistemas e processos. Entre suas áreas de estudo mais importantes incluem-se a termodinámica química, a cinética química, a electroquímica, a mecânica estatística e a espectroscopía. Usualmente associa-lha também com a química cuántica e a química teórica.
Química industrial: Estuda os métodos de produção de reactivos químicos em quantidades elevadas, da maneira economicamente mais beneficiosa. Na actualidade também tenta aunar seus interesses iniciais, com um baixo dano ao médio ambiente.
Química analítica: estuda os métodos de detecção (identificação) e cuantificación (determinação) de uma substância em uma mostra. Se subdivide em Cuantitativa e Cualitativa.

Ademais existem múltiplos subdisciplinas, que por ser demasiado específicas, ou multidiciplinares, se estudam individualmente:^{[cita requerida]}

Química organometálica
Fotoquímica
Química cuántica
Química medioambiental: estuda a influência de todos os componentes químicos que há na terra, tanto em sua forma natural como antropogénica.
Química teórica
Química computacional
Electroquímica
Química nuclear
Petroquímica
Geoquímica: estuda todas as transformações dos minerales existentes na terra.
Química macromolecular: estuda a preparação, caracterização, propriedades e aplicações das macromoléculas ou polímeros.
Magnetoquímica
Química supramolecular
Nanoquímica
Astroquímica

Contribua-los de célebres autores

Faz aproximadamente quatrocentos cinquenta e cinco anos, só se conheciam doze elementos. À medida que foram descobrindo mais elementos, os cientistas deram-se conta de que todos guardavam uma ordem precisa. Quando os colocaram em uma tabela ordenados em bichas e colunas, viram que os elementos de uma mesma coluna tinham propriedades similares. Mas também apareciam espaços vazios na tabela para os elementos ainda desconhecidos. Estes espaços ocos levaram ao cientista russo Dimitri Mendeleyev a pronosticar a existência do germanio, de número atómico 32, bem como sua cor, peso, densidade e ponto de fusão. Sua “predição sobre outros elementos como - o galio e o escandio - também resultou muito atinada”, assinala a obra Chemistry, livro de texto de química editado em 1995.

Campo de trabalho: o átomo

A origem da teoria atómica remonta-se à escola filosófica dos atomistas, na Grécia antiga. Os fundamentos empíricos da teoria atómica, de acordo com o método científico, deve-se a um conjunto de trabalhos feitos por Antoine Lavoisier, Louis Proust, Jeremias Benjamin Richter, John Dalton, Gay-Lussac e Amadeo Avogadro entre muitos outros, para princípios do século XIX.

Os átomos são a fracção mais pequena de matéria estudados pela química, estão constituídos por diferentes partículas, carregadas electricamente, os elétrons, de ónus negativa; os protones, de ónus positiva; os neutrones, que, como seu nome indica, são neutros (sem ónus); todos eles contribuem massa para contribuir ao peso.

Conceitos fundamentais

Partículas

Os átomos são as partes mais pequenas de um elemento (como o carbono, o ferro ou o oxigénio). Todos os átomos de um mesmo elemento têm a mesma estrutura electrónica (responsável esta da grande maioria das características químicas), podendo diferir na quantidade de neutrones (isótopos). As moléculas são as partes mais pequenas de uma substância (como o açúcar), e se compõem de átomos enlaçados entre si. Se têm ónus eléctrica, tanto átomos como moléculas se chamam iones: cationes se são positivos, aniones se são negativos.

O mol usa-se como contador de unidades, como a dúzia (12) ou o milhar (1000), e equivale a . $6,022045\cdot10^{23}$ Diz-se que 12 gramas de carbono ou uma grama de hidrógeno ou 56 gramas de ferro contêm aproximadamente um mol de átomos (a massa molar de um elemento está baseada na massa de um mol de dito elemento). Diz-se então que o mol é uma unidade de mudança. O mol tem relação directa com o número de Avogadro. O número de Avogadro foi estimado para o átomo de carbono pelo Químico e Físico italiano Carlo Amedeo Avogadro Conde de Quarequa e dei Cerreto. Este valor, exposto anteriormente, equivale ao número de partículas presentes em 1 mol de dita substância. Vejamos:

1 mol de glucosa equivale a moléculas $6,022045\cdot10^{23}$ de glucosa

1 mol de Urânio equivale a átomos $6,022045\cdot10^{23}$ de Urânio

Dentro dos átomos, podemos encontrar um núcleo atómico e um ou mais elétrons. Os elétrons são muito importantes para as propriedades e as reacções químicas. Dentro do núcleo encontram-se os neutrones e os protones. Os elétrons encontram-se ao redor do núcleo. Também se diz que é a unidade básica da matéria com características próprias. Está formado por um núcleo onde se encontram protones.

Dos átomos às moléculas

Os enlaces são as uniões entre átomos para formar moléculas. Sempre que existe uma molécula é porque esta é mais estável que os átomos que a formam por separado. À diferença de energia entre estes dois estados denomina-se-lhe energia de enlace.

Geralmente, os átomos combinam-se em proporções fixas para dar moléculas. Por exemplo, dois átomos de hidrógeno combinam-se com um de oxigénio para dar uma molécula de água. Esta proporção fixa conhece-se como estequiometría.

Orbitais

Diagrama espacial mostrando os orbitais atómicos hidrogenoides por enquanto angular do tipo d (l=2).

Artigos principais: Orbital atómico e orbital molecular

Para uma descrição e entendimento detalhadas das reacções químicas e das propriedades físicas das diferentes substâncias, é muito útil sua descrição através de orbitais , com ajuda da química cuántica.

Um orbital atómico é uma função matemática que descreve a disposição de um ou dois elétrons em um átomo. Um orbital molecular é análogo, mas para moléculas.

Na teoria do orbital molecular a formação do enlace covalente deve-se a uma combinação matemática de orbitais atómicos (funções de onda) que formam orbitais moleculares, chamados assim por que pertencem a toda a molécula e não a um átomo individual. Bem como um orbital atómico (seja híbrido ou não) descreve uma região do espaço que rodeia a um átomo onde é provável que se encontre um elétron, um orbital molecular descreve uma região do espaço em uma molécula onde é mais factible que se achem os elétrons.

Ao igual que um orbital atómico, um orbital molecular tem um tamanho, uma forma e uma energia específicos. Por exemplo, na molécula de hidrógeno molecular combinam-se dois orbitais atómicos um s ocupados a cada um por um elétron. Há duas formas em que pode se apresentar a combinação de orbitais: aditiva e subtractiva. A combinação aditiva produz a formação de um orbital molecular que tem menor energia e que tem, aproximadamente, forma ovalada, enquanto a combinação subtractiva conduz à formação de um orbital molecular com maior energia e que gera um nó entre os núcleos.

Dos orbitais às substâncias

Os orbitais são funções matemáticas para descrever processos físicos: um orbital só existe no sentido matemático, como podem existir uma soma, uma parábola ou uma raiz quadrada. Os átomos e as moléculas são também idealizaciones e simplificações: um átomo só existe em vazio, uma molécula só existe em vazio , e, em sentido estrito, uma molécula só se decompõe em átomos se se rompem todos seus enlaces.

No "mundo real" só existem os materiais e as substâncias. Se confundem-se os objectos reais com os modelos teóricos que se usam para os descrever, é fácil cair em falacias lógicas.

Dissoluções

Artigo principal: Dissolução

Em água, e em outros disolventes (como a acetona ou o álcool), é possível dissolver substâncias, de forma que ficam disgregadas nas moléculas ou iones que as compõem (as dissoluções são transparentes). Quando se supera verdadeiro limite, chamado solubilidad, a substância já não se dissolve, e fica, bem como precipitado no fundo do recipiente, bem como suspensão, flutuando em pequenas partículas (as suspensões são opacas ou translúcidas).

Denomina-se concentração à medida da quantidade de soluto por unidade de quantidade de disolvente .

Medida da concentração

Artigo principal: Concentração

A concentração de uma dissolução pode-se expressar de diferentes formas, em função da unidade empregada para determinar as quantidades de soluto e disolvente. As mais usuais são:

g/l (Gramas por litro) razão soluto/disolvente ou soluto/dissolução, dependendo da convenção
% p/p (Concentração percentual em peso) razão soluto/dissolução
% V/V (Concentração percentual em volume) razão soluto/dissolução
M (Molaridad) razão soluto/dissolução
N (Normalidade) razão soluto/dissolução
m (molalidad) razão soluto/disolvente
x (fracção molar)
ppm (Partes por milhão) razão soluto/dissolução

Acidez

Artigo principal: pH

O pH é uma escala logarítmica para descrever a acidez de uma dissolução acuosa. Os ácidos, como o zumo de limão e o vinagre, têm um pH baixo (inferior a 7). As bases, como a sosa ou o bicarbonato de sodio, têm um pH alto (superior a 7).

O pH calcula-se mediante a seguinte equação:

$pH= -\log a_{H^+} \approx -\log [H^+]\,$

onde $a_{H^+}\,$ é a actividade de iones hidrógeno na solução, a que em soluções diluidas é numericamente igual à molaridad de iones Hidrógeno $[H^+]\,$ que cede o ácido à solução.

uma solução neutra (água ultra pura) tem um pH de 7, o que implica uma concentração de iones hidrógeno de 10^-7 M
uma solução ácida (por exemplo, de ácido sulfúrico)tem um pH < 7, isto é que a concentração de iones hidrógeno é maior que 10^-7 M
uma solução básica (por exemplo, de hidróxido de potasio) tem um pH > 7, ou seja que a concentração de iones hidrógeno é menor que 10^-7 M

Formulación e nomenclatura

A IUPAC, um organismo internacional, mantém umas regras para a formulación e nomenclatura química. Desta forma, é possível referir aos compostos químicos de forma sistémica e sem equívocos.

Mediante o uso de fórmulas químicas é possível também expressar de forma sistémica as reacções químicas, em forma de equação química. Por exemplo:

$MgSO_{4} + Ca(OH)_{2} \rightleftharpoons CaSO_{4} + Mg(OH)_{2}$