Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

11Átomos e moléculas

Pegue uma gota de água e corte-a em duas. Cada metade continua sendo água. Corte uma metade em duas de novo, e de novo, e de novo. Daria para continuar para sempre, ou você chegaria a um pedaço tão pequeno que cortá-lo mais uma vez daria uma coisa que já não é água? Por volta de 400 a.C., o pensador grego Demócrito arriscou a resposta: a matéria é feita de pedacinhos minúsculos que não podem ser cortados, que ele chamou de átomos, do grego “indivisível”. Foram precisos mais de dois mil anos, e o trabalho dos químicos do século XIX, para transformar esse palpite em ciência. Este capítulo descreve esses pedacinhos — os átomos — e o modo como eles se agrupam em moléculas.

O que você já sabe

Uma substância pura, como a água ou o oxigênio, é formada por uma única espécie química; uma mistura, como o ar, contém várias (Capítulo 8). O ar tem cerca de quatro quintos de nitrogênio e um quinto de oxigênio (Capítulo 4).

11.1 Os átomos

Definição 11.1 (Átomo)

Toda a matéria é construída a partir de partículas extremamente pequenas chamadas átomos. Na natureza existem só cerca de cem tipos diferentes de átomos, e toda substância — a água, o ar, o ferro, o açúcar, o nosso próprio corpo — é feita de átomos de alguns desses tipos.

Proposição 11.2 (Os átomos são minúsculos)

O menor átomo, o átomo de hidrogênio, mede cerca de um décimo de milionésimo de milímetro de diâmetro; os outros são no máximo algumas vezes maiores. Dez milhões de átomos de hidrogênio enfileirados formariam uma linha de um milímetro. Para imaginar: se uma maçã fosse aumentada até o tamanho da Terra, cada um dos seus átomos teria mais ou menos o tamanho de uma cereja pequena.

Observação 11.3 (Vistos sem ser vistos)

Nenhum microscópio que usa luz consegue mostrar um átomo: os átomos são muito menores do que as ondas da luz. Desde a década de 1980, microscópios especiais que tateiam uma superfície com uma ponta extremamente fina produzem imagens em que átomos isolados aparecem como pequenas saliências.

Definição 11.4 (Símbolo de um átomo)

Cada tipo de átomo tem um nome e um símbolo: uma letra maiúscula, às vezes seguida de uma letra minúscula. O símbolo é o mesmo em todas as línguas.

átomo	símbolo	cor no modelo	átomo	símbolo	cor no modelo
hidrogênio	$\ce{H}$	branco	sódio	$\ce{Na}$	roxo
carbono	$\ce{C}$	preto	enxofre	$\ce{S}$	amarelo
nitrogênio	$\ce{N}$	azul	cloro	$\ce{Cl}$	verde
oxigênio	$\ce{O}$	vermelho	ferro, cobre	$\ce{Fe}$ , $\ce{Cu}$	—

Observação 11.5 (De onde vêm os símbolos)

A maioria dos símbolos são as primeiras letras do nome: $\ce{H}$ para o hidrogênio, $\ce{C}$ para o carbono, $\ce{O}$ para o oxigênio. Alguns vêm de um nome mais antigo, em latim: $\ce{Na}$ para o sódio (natrium), $\ce{Fe}$ para o ferro (ferrum), $\ce{Cu}$ para o cobre (cuprum). A segunda letra é sempre minúscula: $\ce{Co}$ é o átomo de cobalto, enquanto CO, com O maiúsculo, é uma coisa totalmente diferente.

História — Os átomos de Dalton, 1808

Em 1808, o químico John Dalton publicou uma tabela dos átomos então conhecidos, cada um desenhado como um pequeno círculo com um sinal próprio. Ele foi o primeiro a dizer que todos os átomos de um mesmo tipo têm o mesmo peso, e que os químicos podiam comparar esses pesos. Mas ele também supôs que a água era um átomo de hidrogênio ligado a um átomo de oxigênio; foram precisos mais cinquenta anos para os químicos concordarem que uma molécula de água contém dois átomos de hidrogênio.

11.2 As moléculas

Definição 11.6 (Molécula)

Uma molécula é um grupo de átomos firmemente unidos. Uma molécula é o menor pedaço de uma substância que ainda é essa substância: uma molécula de água é a menor quantidade possível de água.

Exemplo 11.7 (Sete moléculas)

a molécula de hidrogênio: dois átomos de hidrogênio;
a molécula de oxigênio, que respiramos: dois átomos de oxigênio;
a molécula de nitrogênio, quatro quintos do ar: dois átomos de nitrogênio;
a molécula de água: dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio;
a molécula de dióxido de carbono, que expiramos: um átomo de carbono e dois átomos de oxigênio;
a molécula de metano, a parte principal do gás natural queimado nos fogões a gás: um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio;
a molécula de óxido nitroso, um gás anestésico: dois átomos de nitrogênio e um átomo de oxigênio.

Modelos de bolas e varetas das sete moléculas do . Cada vareta representa uma ligação entre dois átomos; por que alguns átomos compartilham duas ou três varetas é explicado num capítulo mais adiante. — Modelos de bolas e varetas das sete moléculas do Exemplo 11.7. Cada vareta representa uma ligação entre dois átomos; por que alguns átomos compartilham duas ou três varetas é explicado num capítulo mais adiante.

Proposição 11.8 (Moléculas de uma substância pura e de uma mistura)

Numa substância pura formada por moléculas, todas as moléculas são idênticas: a água pura só contém moléculas de água. Uma mistura contém moléculas de vários tipos: o ar é formado principalmente por moléculas de nitrogênio e moléculas de oxigênio, cerca de quatro de nitrogênio para cada uma de oxigênio, com alguns átomos de argônio que ficam isolados e pouquíssimas moléculas de dióxido de carbono.

Um zoom enorme. À esquerda: no ar, as moléculas de nitrogênio (azuis) são muito mais numerosas que as de oxigênio (vermelhas), e um átomo de argônio (azul-claro) viaja sozinho; as moléculas de um gás ficam afastadas umas das outras. À direita: na água líquida, as moléculas são todas idênticas e se tocam.

11.3 As fórmulas químicas

Definição 11.9 (Fórmula química)

A fórmula química de uma molécula lista os símbolos dos seus átomos, cada um seguido de um pequeno número escrito abaixo da linha — o índice — que diz quantos átomos desse tipo a molécula contém. O índice 1 não é escrito.

Exemplo 11.10 (As sete fórmulas)

As moléculas do Exemplo 11.7 têm estas fórmulas:

molécula	fórmula	átomos
hidrogênio	$\ce{H2}$	2 de hidrogênio
oxigênio	$\ce{O2}$	2 de oxigênio
nitrogênio	$\ce{N2}$	2 de nitrogênio
água	$\ce{H2O}$	2 de hidrogênio, 1 de oxigênio
dióxido de carbono	$\ce{CO2}$	1 de carbono, 2 de oxigênio
metano	$\ce{CH4}$	1 de carbono, 4 de hidrogênio
óxido nitroso	$\ce{N2O}$	2 de nitrogênio, 1 de oxigênio

Método 11.11 (Ler uma fórmula)

Para ler a fórmula de uma molécula:

divida-a em símbolos: cada um começa com uma letra maiúscula;
depois de cada símbolo, leia o índice (sem índice quer dizer 1);
some os índices para obter o número total de átomos.

Para $\ce{C2H6O}$ (o etanol, o álcool das bebidas): 2 de carbono, 6 de hidrogênio, 1 de oxigênio, 9 átomos ao todo.

Observação 11.12 (Um número na frente)

Um número escrito na frente de uma fórmula conta moléculas: $\ce{3H2O}$ quer dizer três moléculas de água, que juntas contêm 6 átomos de hidrogênio e 3 átomos de oxigênio. Não confunda $\ce{O2}$ , uma molécula formada por dois átomos de oxigênio, com $\ce{2O}$ , dois átomos de oxigênio que não estão ligados.

Exemplo 11.13 (O metano na cozinha)

O gás natural de um fogão a gás é principalmente metano, $\ce{CH4}$ . Cada uma das suas moléculas é um átomo de carbono com quatro átomos de hidrogênio em volta. O gás é invisível e não tem cheiro: o cheiro de “gás” vem de uma substância acrescentada de propósito, para que um vazamento seja percebido.

A chama azul de um fogão a gás: o metano do gás natural está queimando.

11.4 Os modelos moleculares

Observação 11.14 (Os modelos e as suas cores)

Os químicos montam modelos moleculares com bolas para os átomos e varetas para as ligações entre eles. As cores são uma convenção usada no mundo inteiro — carbono preto, hidrogênio branco, oxigênio vermelho, nitrogênio azul — e não a cor real dos átomos: um átomo isolado não tem cor nenhuma. Um modelo também mostra a forma de uma molécula, o que uma fórmula não faz: a molécula de água é angular, a molécula de dióxido de carbono é linear.

Um kit de modelos moleculares: bolas para os átomos, com furos para as varetas que representam as ligações.

Método 11.15 (Do modelo à fórmula)

Para escrever a fórmula de uma molécula a partir do seu modelo:

dê o nome dos átomos pelas cores deles;
conte as bolas de cada cor;
escreva os símbolos com as contagens como índices, primeiro o carbono, depois o hidrogênio, depois os outros átomos em ordem alfabética dos símbolos.

Uma bola preta ligada a quatro brancas: um carbono, quatro hidrogênios, $\ce{CH4}$ .

11.5 Exercícios

Exercício 11.1 ★

O que é um átomo? O que é uma molécula?

Solução

Solução de Exercício 11.1.

Um átomo é uma das partículas extremamente pequenas a partir das quais toda a matéria é construída (existem cerca de cem tipos). Uma molécula é um grupo de átomos firmemente unidos, o menor pedaço de uma substância que ainda é essa substância.

Exercício 11.2 ★

Dê os símbolos do hidrogênio, do carbono, do nitrogênio, do oxigênio, do sódio e do ferro.

Solução

Solução de Exercício 11.2.

$\ce{H}$ , $\ce{C}$ , $\ce{N}$ , $\ce{O}$ , $\ce{Na}$ , $\ce{Fe}$ .

Exercício 11.3 ★

Quantos átomos de cada tipo há numa molécula de dióxido de carbono, $\ce{CO2}$ ? Quantos átomos ao todo?

Solução

Solução de Exercício 11.3.

1 átomo de carbono e 2 átomos de oxigênio: 3 átomos ao todo.

Exercício 11.4 ★

Dê o nome das moléculas $\ce{H2O}$ , $\ce{O2}$ , $\ce{CH4}$ e $\ce{N2}$ .

Solução

Solução de Exercício 11.4.

Água, oxigênio, metano, nitrogênio.

Exercício 11.5 ★

Uma molécula de dióxido de nitrogênio, um gás castanho presente no ar poluído, é formada por um átomo de nitrogênio e dois átomos de oxigênio. Escreva a fórmula dela.

Solução

Solução de Exercício 11.5.

$\ce{NO2}$ .

Exercício 11.6 ★★

Explique a diferença entre $\ce{O2}$ e $\ce{2O}$ , e entre $\ce{CO}$ e $\ce{Co}$ .

Solução

Solução de Exercício 11.6.

$\ce{O2}$ é uma molécula formada por dois átomos de oxigênio ligados; $\ce{2O}$ são dois átomos de oxigênio separados. $\ce{CO}$ é uma molécula de um átomo de carbono e um de oxigênio (duas letras maiúsculas, dois símbolos); $\ce{Co}$ é um átomo de cobalto (um símbolo, maiúscula seguida de minúscula).

Exercício 11.7 ★★

Quantos átomos de hidrogênio e quantos átomos de oxigênio há em $\ce{3H2O}$ ? E em $\ce{5O2}$ ?

Solução

Solução de Exercício 11.7.

$\ce{3H2O}$ : $3\times 2 = 6$ átomos de hidrogênio e $3\times 1 = 3$ átomos de oxigênio. $\ce{5O2}$ : nenhum hidrogênio, $5\times 2 = 10$ átomos de oxigênio.

Exercício 11.8 ★★

Um modelo é formado por uma bola preta ligada a duas bolas vermelhas. Dê o nome dos átomos, escreva a fórmula e dê o nome da molécula.

Solução

Solução de Exercício 11.8.

Preto é carbono, vermelho é oxigênio: um carbono, dois oxigênios, $\ce{CO2}$ , dióxido de carbono.

Exercício 11.9 ★★

Na tabela de Dalton, a água é formada por um átomo de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Escreva a fórmula que Dalton tinha em mente, e diga quantos átomos faltam na molécula de água dele.

Solução

Solução de Exercício 11.9.

A água de Dalton era $\ce{HO}$ . A molécula real, $\ce{H2O}$ , tem um átomo de hidrogênio a mais: faltava um átomo na molécula de Dalton.

Exercício 11.10 ★★

A água pura é uma mistura? E o ar? Responda descrevendo as moléculas que cada um contém.

Solução

Solução de Exercício 11.10.

A água pura não é uma mistura: todas as suas moléculas são moléculas de $\ce{H2O}$ idênticas. O ar é uma mistura: ele contém moléculas de nitrogênio, moléculas de oxigênio, átomos de argônio e algumas moléculas de dióxido de carbono.

Exercício 11.11 ★★★

Um átomo de hidrogênio mede cerca de um décimo de milionésimo de milímetro de diâmetro. Quantos átomos de hidrogênio, lado a lado, formariam uma linha de $1\,\mathrm{cm}$ ? E uma linha do comprimento de um campo de futebol, $100\,\mathrm{m}$ ?

Solução

Solução de Exercício 11.11.

Dez milhões de átomos formam $1\,\mathrm{mm}$ , então $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,\mathrm{mm}$ exige $10 \times$ dez milhões $=$ cem milhões de átomos. $100\,\mathrm{m} = 100\,000$ mm exige $100\,000\times$ dez milhões $=$ um milhão de milhões de átomos.

Exercício 11.12 ★★★

A glicose, o açúcar que alimenta as nossas células, tem a fórmula $\ce{C6H12O6}$ . Quantos átomos uma molécula de glicose contém? Que porcentagem deles são átomos de hidrogênio? Que porcentagem são átomos de carbono?

Solução

Solução de Exercício 11.12.

$6 + 12 + 6 = 24$ átomos. Hidrogênio: $\frac{12}{24} = 50\,\%$ . Carbono: $\frac{6}{24} = 25\,\%$ (e o oxigênio, os outros $25\,\%$ ).

11.6 Problema: os átomos de uma respiração

Problema 11.1

Problema de fim de semana — contar os átomos de uma porção de ar respirado, antes e depois de passar pelos nossos pulmões

O nitrogênio passa pelos pulmões sem mudar, por isso ele é uma boa referência. No ar seco, para cada 78 moléculas de nitrogênio há cerca de 21 moléculas de oxigênio e 1 átomo de argônio: 100 partículas (moléculas ou átomos isolados) ao todo. No ar expirado, depois de retirado o vapor de água, as mesmas 78 moléculas de nitrogênio vêm acompanhadas de cerca de 16 moléculas de oxigênio, 4 moléculas de dióxido de carbono e 1 átomo de argônio.

Parte I — O ar que inspiramos.

Escreva as fórmulas das moléculas de nitrogênio, de oxigênio e de dióxido de carbono, e dê o número de átomos de cada uma.
O argônio é contado em átomos, não em moléculas. O que isso nos diz sobre o argônio?
Nessas 100 partículas de ar inspirado, quantos átomos de nitrogênio há? Quantos átomos de oxigênio?
Quantos átomos há ao todo nessas 100 partículas?
Que porcentagem desses átomos são átomos de nitrogênio? Arredonde para o número inteiro mais próximo.

Parte II — O ar que expiramos.

No ar expirado que acompanha as mesmas 78 moléculas de nitrogênio, quantos átomos de oxigênio há dentro das moléculas de oxigênio? Dentro das moléculas de dióxido de carbono? Ao todo?
Compare com a questão 3. Quantos átomos de oxigênio faltam? Para dentro de que molécula, fabricada no corpo a partir do hidrogênio dos alimentos e retirada aqui junto com o vapor de água, eles foram?
Quantos átomos de carbono há no ar inspirado? E no ar expirado?
O ar não traz nenhum átomo de carbono para os pulmões. De onde podem vir os átomos de carbono do ar expirado? (Pense no que o corpo usa para viver.)
Quantas moléculas de oxigênio desapareceram, e quantas moléculas de dióxido de carbono apareceram?

Parte III — A contagem.

Descreva o modelo de bolas e varetas de cada um dos quatro tipos de partícula do ar expirado, com as cores das bolas (o argônio é representado por uma única bola azul-clara).
Quantos átomos há ao todo no ar expirado seco? Quantos átomos ele tem a mais do que o ar inspirado? Explique a diferença com os átomos de carbono ganhos e os átomos de oxigênio que faltam.

Solução

Solução de Problema 11.1.

1. Nitrogênio $\ce{N2}$ , 2 átomos; oxigênio $\ce{O2}$ , 2 átomos; dióxido de carbono $\ce{CO2}$ , 3 átomos.

2. Os átomos de argônio não se juntam em moléculas: o argônio é formado por átomos isolados.

3. Nitrogênio: $78 \times 2 = 156$ átomos. Oxigênio: $21\times 2 = 42$ átomos.

4. $156 + 42 + 1 = 199$ átomos.

5. $\frac{156}{199} \approx 0.78$ , cerca de $78\,\%$ .

6. Nas moléculas de oxigênio: $16\times 2 = 32$ ; nas moléculas de dióxido de carbono: $4 \times 2 = 8$ ; ao todo $32 + 8 = 40$ .

7. Faltam $42 - 40 = 2$ átomos de oxigênio: o equivalente a uma molécula de oxigênio. Eles foram para moléculas de água, $\ce{H2O}$ , que o corpo fabrica com o hidrogênio dos alimentos; essa água sai em parte como vapor de água no ar expirado (retirado destes números).

8. No ar inspirado: 0. No ar expirado: 4 (um em cada $\ce{CO2}$ ).

9. Dos alimentos que o corpo usa: os açúcares e as gorduras contêm átomos de carbono, e o corpo os libera no dióxido de carbono que expira.

10. Desapareceram $21 - 16 = 5$ moléculas de oxigênio e apareceram 4 moléculas de dióxido de carbono.

11. Nitrogênio: duas bolas azuis ligadas por três varetas. Oxigênio: duas bolas vermelhas ligadas por duas varetas. Dióxido de carbono: uma bola preta entre duas bolas vermelhas, cada uma ligada a ela por duas varetas, em linha reta. Argônio: uma única bola azul-clara.

12. $156 + 32 + 12 + 1 = 201$ átomos (as 4 moléculas de dióxido de carbono contêm 12 átomos). São $201 - 199 = 2$ átomos a mais do que no ar inspirado: 4 átomos de carbono ganhos dos alimentos, menos os 2 átomos de oxigênio que saíram na água.

Termos definidos neste capítulo

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