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A
constituição da matéria sempre intrigou os homens. Ela está entre as primeiras especulações filosóficas, e nestas a idéia de átomos tem uma longa his- tória. Várias concepções surgiram, tanto no Ocidente como no Oriente, em circunstâncias, culturas e épocas distintas. Diferentes hipóteses a res- peito da constituição da matéria a par- tir de partículas discretas surgiram na Índia antiga, por exemplo, e especula- se se poderia ter ocorrido alguma forma de intercâmbio intelectual com os gregos nesse campo. Tanto no bramanismo como no budismo e no jainismo desenvolveram-se concep- ções de organização da matéria an- tes da era cristã. No entanto, como este artigo trata da tradição ocidental, culminando na obra de John Dalton, esse aspecto do atomismo não será aqui abordado. Por isso, vamos pas- sar em revista algumas das concep- ções surgidas na Grécia e em outras partes da Europa Ocidental. Em Eléia, ao sul da Itália, surgiu no início do século V a.C. uma escola de pensamento, representada por filósofos como Parmênides e Zenão, que se preocuparam sobretudo com questões ligadas ao mundo material. Sua concepção da matéria tem muito
Recebido em 28/05/04; aceito em 5/11/
Carlos Alberto L. Filgueiras
A teoria atômica de Dalton, um dos marcos da Química do século XIX, surgiu e foi publicada ao longo da primeira década daquele século. Ela deu uma forma operacional, capaz de ser usada em determinações experimentais, a uma das mais antigas inquietações humanas, que dizia respeito à constituição da matéria. Com Dalton cessa toda a especulação puramente abstrata que cercava o tema desde a Antigüidade clássica. Em seu lugar surge uma teoria que une conceitos teóricos à possibilidade de sua aplicação prática. Por isso o presente artigo faz uma breve resenha de aspectos das teorias filosóficas que precederam a elaboração daltoniana e procura mostrar o encadeamento que levou ao aparecimento da obra do químico inglês.
origem da Teoria Atômica, Dalton, bicentenário da Teoria Atômica
a ver com a realidade ou não do movimento e do vácuo. Para os elea- tas, o movimento, a mudança e a variedade das coisas e tudo o que apreendemos com os sentidos é ilu- sório. O movimento não existe: o pre- tenso deslocamento de uma flecha no ar é um engano de nossos sentidos e pode ser decomposto em quadros estáticos, como numa película cine- matográfica. São nossos olhos que nos iludem, fazendo- nos crer na realidade do movimento. A matéria é contínua; logo não pode haver movimento. Se ele existisse, o desloca- mento de um corpo em relação a outro teria de dar-se no vazio. Caso contrá- rio, corpos diferentes ocupariam o mesmo espaço, o que é absurdo. Se a matéria é contínua, não existem va- zios e o movimento não pode ocorrer. Leucipo de Abdera (ativo em mea- dos do século V a.C.), em oposição aos eleatas, acreditava na evidência dos sentidos e, conseqüentemente, na realidade do movimento dos cor- pos. Em conseqüência, deve haver vácuo, para que os corpos se movi-
mentem uns em relação aos outros. Para que haja movimento, a matéria não pode ser contínua, portanto ela deve ser constituída por partículas, ou princípios. Os primeiros princípios de que se constitui a matéria são partí- culas fundamentais, os “ átomos ” (dis- cute-se se o nome “ átomos ”, ou “ indi- visíveis ”, teria sido cunhado por Leu- cipo ou por Demócrito). Os átomos, além de indivisíveis, são também sólidos, compactos e podem ter inúme- ros formatos. Dife- rentes combinações de diferentes átomos dão origem à varie- dade de coisas no mundo. Demócrito de Abdera (~460- a.C.) é tradicional- mente considerado um elaborador das idéias de Leucipo, embora não se tenha certeza da autoria das contri- buições de cada um, uma vez que o que se conhece deles provém quase totalmente de citações de pósteros, como Aristóteles, que os citaram para deles discordarem. Para Demócrito, nada é criado do nada e nada é des- truído para o nada. Esta é uma ex- pressão prematura do princípio de
Diferentes hipóteses a respeito da constituição da matéria a partir de partículas discretas surgiram na Índia antiga, e especula-se se poderia ter ocorrido alguma forma de intercâmbio intelectual com os gregos nesse campo
conservação da matéria, o qual, em sua versão quantitativa, viria a ser explicitado por Lavoisier ao final do século XVIII. Demócrito acreditava que os áto- mos, em adição às características já assinaladas, também eram inquebrá- veis, tinham peso e participavam da constituição de todos os corpos, os quais tinham cada qual seu tipo de átomo. Aristóteles (384-322 a.C.) não aceitava o atomismo de Leucipo e Demócrito, por considerá-lo rudimen- tar. Esse caráter rudimentar resulta de sua natureza exclusivamente materia- lista. Os corpos são constituídos de matéria, mas também de atributos imateriais. As distinções mais impor- tantes entre os corpos estão nas pro- priedades, funções e capacidades de cada um. A principal objeção de Aris- tóteles à teoria atômica de Leucipo e Demócrito é sua incapacidade de ex- plicar a mudança nas substâncias, as transformações químicas, como diría- mos hoje. Se existem átomos para cada tipo de substância, não há pos- sibilidade de transformações quími- cas, o que evidentemente se choca com a evidência. Epicuro de Samos (342/1-271/ a.C.) sustentava que a única garantia ou critério de verdade é a percepção sensorial. A filosofia epicurista revive o atomismo, ao admitir que toda sen- sação é um movimento de átomos resultando do contato entre corpos materiais. No tato ou no paladar isto é óbvio. A visão, por outro lado, é ex- plicada da mesma maneira, supondo que ela depende de que átomos dos objetos vistos sejam emitidos por esses objetos e venham até nossos olhos.
Em Lucrécio (Roma, 100/94- a.C.), a teoria atômica é retomada e expressa em verso, num longo poe- ma intitulado De Rerum Natura ( Da Natureza das Coisas ). Durante a Ida- de Média e o Renascimento, todavia, o materialismo da teoria atômica e a oposição de Aristóteles, elevado à condição de principal filósofo das uni- versidades e da cristandade ociden- tal, tornaram a teoria inaceitável, chegando a ser considerada herética. Com a efervescência cultural da Revolução Científica, as possibilida- des de existência de vácuo e de áto- mos voltaram a ser temas de grande importância. A invenção do barômetro pelo discípulo de Galileo, Evangelista Torricelli (1608-1647), mostrou que, ao se inverter um tubo cheio de mercúrio sobre uma cuba contendo o mesmo metal, a coluna de mercúrio só permanece até um certo pon- to, que depende da pressão atmosférica local. Acima da coluna há vácuo (na realidade, vapor de mercúrio em equi- líbrio com o líquido, o que não se conhecia no século XVII). O aparecimento desse “vácuo” estava de acordo com o prin- cípio hidrostático de Blaise Pascal (1623-1662). Pascal, todavia, distinguia o “vácuo” sobre a coluna de mercúrio do “nada”. Por isso não admitia a possibilidade de haver vácuo fora do mundo. No entendi- mento moderno de que o “vá- cuo” é na verdade uma rarefa- ção, o pensamento de Pascal nos afigura bastante moderno. De acordo com René Descar- tes (1596-1650), a caracterís- tica essencial da matéria do
universo é sua extensão. A extensão é também a característica fundamen- tal do espaço. A matéria cartesiana é infinitamente divisível e não há espaço vazio na natureza. O universo está pleno de matéria e o movimento é uma realidade, transmitindo-se por contato entre vórtices que se comu- nicam ao longo do espaço. Esses vórtices, ou turbilhões, seriam devidos ao movimento de um material hipoté- tico e muito sutil que permearia todo o universo, denominado “éter”. Pierre Gassendi (1592-1655) se contra- punha a seu contemporâneo, defen- dendo uma espécie de “atomismo cristianizado”, a partir das idéias de Epicuro. Como sacerdote católico, Gassendi não podia admitir o atomis- mo ateu dos gregos e sim um sistema que necessitava de Deus como cria- dor e autor da força que anima e regu- la o mundo. Na Inglaterrra, Robert Boyle (1627-
- procurou conciliar o atomismo com sua própria experiência de quími- co, preferindo, todavia, falar de “cor- púsculos” constituintes dos corpos, em vez de fenômenos que não são oriundos apenas de trocas entre as características aristotélicas da ma- téria. Uma qualidade como o odor depende do arranjo dos corpúsculos que formam os corpos: desta sorte,
Cronologia sucinta do desenvolvimento da obra de Dalton
até chegar à Teoria Atômica
1801: Lei das Pressões Parciais 1803: Primeira tabela de pesos atômicos (publicada em 1805) 1807: Primeira publicação da teoria atômica de Dalton, por Thomas Thomson ( System of Chemistry ) 1808: Publicação da primeira parte do livro mais importante de Dalton, o New System of Chemical Philosophy , com seu próprio relato da nova teoria atômica (as outras duas partes se seguiriam em 1810 e 1827, respectivamente).
John Dalton em gravura de 1823. Além de equipa- mento de laboratório, vêem-se também os símbolos químicos de Dalton nos papéis à sua frente.
destruiu a sede da Sociedade Literária e Filosófica de Manchester, onde estavam depositados aqueles mate- riais. O primeiro dos estudos de Dalton sobre os gases levou à teoria da mis- tura dos gases. Havia ao final do sé- culo XVIII um enigma que desafiava os pesquisadores. Sabia-se que a atmosfera era composta principal- mente de nitrogênio e oxigênio, contendo também gás carbônico e vapor d’água. No entanto, como se relacionavam esses gases entre si? Formavam eles um composto gaso- so, que podia ser decomposto duran- te as reações exaustivamente estuda- das pelos eminentes químicos dos setecentos, ou, ao contrário, estavam apenas misturados, como numa mistura de açúcar e sal? Curiosamen- te, a composição do ar era pratica- mente constante, como mostravam as abundantes observações de Dal- ton realizadas em lugares os mais dis- tantes entre si. Alguns anos depois, em França, o químico Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) viria a mos- trar que a constituição percentual da atmosfera é praticamente constante até alturas consideráveis, mesmo sendo a pressão menor. Isto ele pró- prio determinou por meio de duas ascensões em balão, no ano de 1804, quando chegou a atingir a altitude de 7016 metros. Dalton, sob a influência de Newton, acreditava que os gases
da atmosfera formassem apenas uma mistura, sem que qualquer ligação química existisse entre eles. Se isso fosse correto, por que o dióxido de carbono, mais pesado, não se con- centraria nas camadas inferiores da atmosfera, seguido do vapor d’água, do oxigênio e do nitrogênio, em or- dem decrescente de peso? Aqui é bom lembrar que ainda não se sabia que o oxigênio e o nitrogênio forma- vam espécies diatômicas O 2 e N 2 , e que a composição da água era consi- derada como sendo do tipo 1:1 em hidrogênio e oxigênio, ou HO. A con- dução da questão por Dalton é um exemplo de que muitas vezes a ciên- cia progride não a partir de dados experimentais, mas sim de uma idéia concebida previamente pelo cientista e só então testada à luz da experiên- cia. Tudo isso está claro em seu artigo intitulado “Nova teoria da constituição dos fluidos aeriformes mistos e parti- cularmente da atmosfera”, lido origi- nalmente em 1801 na Sociedade Literária e Filosófica de Manchester e publicado no ano seguinte nas Me- mórias da Sociedade. Nessa memó- ria Dalton introduz a seguinte propo- sição:
Quando dois fluidos elásti- cos, denominados A e B, são misturados, não há qualquer re- pulsão mútua entre suas partí- culas, isto é, as partículas de A
não repelem as de B, como elas se repelem umas às outras (isto é, só A repele A , ou só B repele B , n. do presente autor). Conseqüentemente, a pressão ou peso total sobre qualquer partícula deve-se apenas àque- las de sua própria espécie. Esta é uma importante lei desco- berta por Dalton, conhecida como lei das pressões parciais. Mais tarde ele daria um novo enunciado dessa lei em termos mais práticos: Quando a mistura de quais- quer dois ou mais gases atinge o equilíbrio, a energia elástica de cada um deles sobre a su- perfície do recipiente ou de qualquer líquido é precisamen- te a mesma como se ele fosse o único gás presente ocupan- do todo o espaço, e todos os outros tivessem sido retirados. Seu amigo William Henry (1774-
- enunciaria essa mesma lei co- mo: cada gás é um vácuo para qual- quer outro gás. Um enunciado moder- no da lei é: a pressão total de uma mistura de gases é igual à soma das pressões que cada um exerceria se estivesse sozinho. Na realidade, os dados então disponíveis não levariam a essa generalização, mas Dalton es- tava convencido de sua realidade, que veio a se mostrar correta. Anos mais tarde o próprio Dalton confessaria, numa conferência profe- rida na Royal Institution , em Londres, que sua teoria atômica lhe veio a partir da lei das pressões parciais. A inde- pendência de um gás em relação a outro seria devida aos diferentes tamanhos das partículas que os cons- tituíam. Mais tarde também lhe ocor- reu a idéia de que seus pesos tam- bém seriam diferentes. É sintomático da variedade dos interesses de Dalton que, no mesmo ano de 1801 em que produziu suas memórias sobre os gases, ele tam- bém publicaria seus Elementos de Gramática Inglesa. Esse interesse por assuntos de natureza variada seria mantido ao longo de toda a sua vida. A influência de Lavoisier e seu ima- ginário calórico, o fluido do calor, tam- bém foram consideráveis sobre
Os símbolos criados por Dalton para os elementos e seus compostos, de A New Sys- tem of Chemical Philosophy.
Dalton. Ele descreveria uma partícula gasosa como constituída por um átomo central de matéria sólida extre- mamente pequena, que está cercado por uma atmosfera de calor, de grande densidade nas proximidades do átomo, e rarefazendo-se gradualmen- te de acordo com alguma potência da distância. Já que as partículas de dife- rentes gases não interagiam quimi- camente, uma possível conseqüên- cia era aquela que ele vislumbrou brilhantemente ao formular a lei das pressões parciais. A preocupação em mostrar a vali- dade de suas idéias a respeito da natureza dos gases que constituem a atmosfera levou Dalton a continuar sua pesquisa, enveredando pelo ca- minho da natureza da dissolução dos gases em água e do problema de de- terminar o peso relativo de diferentes gases em relação a outros. Aqui se encontra o germe de sua teoria atô- mica. Seus apontamentos de setem- bro de 1803 mostram pela primeira vez os símbolos atômicos, fórmulas atômicas e pesos relativos do que ele ainda chamava de “partículas últi-
mas”. Como o vapor d’água tem den- sidade menor que o oxigênio, embora contenha oxigênio, ele rejeitou com- parar os pesos relativos das partícu- las últimas com as densidades dos gases. A partir daí decidiu tentar obter os pesos relativos a partir das propor- ções em que essas partículas se combinam. Surgiram então relações simples como as seguintes: o car- bono se une ao oxigênio para formar o monóxido de carbono na proporção de 3 para 4 em peso, ao passo que na formação do dióxido de carbono a proporção é de 3 para 8. Conside- rações dessa natureza levaram a mais uma lei fundamental, a das pro- porções múltiplas: em compostos diferentes formados pelos mesmos elementos, há uma razão simples en- tre o peso fixo de um elemento e os pesos variáveis do outro. Na verdade, pode-se ler nos apon- tamentos de laboratório de Dalton que, em 1803, de forma explícita ou implícita, ele já sustentava os seguin- tes princípios:
- a matéria é constituída por par- tículas últimas ou átomos; - os átomos são indivisíveis e não podem ser criados nem destruí- dos ( Princípio de Conservação da Matéria - Lavoisier); - todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos e apre- sentam o mesmo peso; - átomos de elementos diferentes têm pesos diferentes; - os compostos são formados por um número fixo de átomos de seus elementos constituintes ( Lei das Proporções Fixas - Proust); - se existir mais de um composto formado por dois elementos diferentes, os números dos áto- mos de cada elemento nos compostos guardam entre si uma razão de números inteiros ( Lei das Proporções Múltipla s - Dalton) - podemos aplicar este princípio em muitos exemplos, como nos óxidos de ferro, FeO, Fe 2 O 3 e Fe 3 O 4 ; - o peso 1 do átomo de um ele- mento é constante em seus compostos - se a reagir com b para formar ab e c reagir com d para formar cd , então se ab reagir com cd os produtos serão ad e cb ( Lei das Proporções Recíprocas - Richter). Como exemplo, podemos considerar as seguintes reações, dadas, em notação moderna, por: 2K + I 2 → 2KI
Pb + Cl 2 → PbCl (^2)
2KI + PbCl 2 → 2KCl + PbI (^2) Estava preparado o terreno para a explicitação da Teoria Atômica.
A Teoria Atômica
A primeira comunicação oral de Dalton a respeito de sua teoria foi lida por ele na Sociedade Literária e Filo- sófica de Manchester em 21 de outu- bro de 1803. Sua publicação deveu- se inicialmente a seu amigo Thomas Thomson (1773-1852) que, após ouvi- la do autor em 1804, decidiu apresen- tá-la, com o devido crédito, em seu livro System of Chemistry , publicado em 1807. Thomson, em sua detalha- da descrição da teoria de Dalton, usa
Versão elaborada dos símbolos criados por Dalton para os elementos e seus compostos.
Nota
Abstract: Two Hundred Years of Dalton’s Atomic Theory - Dalton’s Atomic Theory, one of the landmarks of chemistry in the 19th century, was developed and published along the first decade of that century. It gave an operational format, amenable to use in experimental determinations, to one of humankind’s oldest quests, an explanation of the constitution of matter. With Dalton all purely abstract speculation that pervaded the theme since classical antiquity ceases. In its place emerges a theory that unites theoretical concepts with the possibility of their practical application. For this reason the present article briefly reviews aspects of the philosophical theories that preceded the daltonian elaboration and aims at showing the chain of thought that led to the appearance of the work of the English chemist. Keywords: orign of the atomic theory, Dalton, bicentennial of the atomic theory
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dente do Institut de France e, em 1830, sucedeu a Humphry Davy (1778-1829) como um dos oito asso- ciados estrangeiros daquele instituto. Foi também eleito, em 1822, membro da Royal Society , a Academia das Ciências da Grã-Bretanha, e quatro anos depois recebeu sua Medalha Real. Dalton sempre gozou de ótima saúde até próximo dos setenta anos; a partir daí sua condição deteriorou gradativamente até sua morte em
- Ele manteve até o fim da vida sua rotina metódica de pesquisador incansável. Com o tempo veio a tor- nar-se uma celebridade em toda a Europa, morrendo coberto de honras em seu país e no estrangeiro. Dalton estudou e escreveu sobre assuntos os mais variados, tendo
publicado cerca de 150 comunica- ções, desde a cegueira às cores, que ele descobriu em si próprio em 1792, e que conhecemos pelo nome de daltonismo, até sua principal contri- buição à Ciência, uma teoria atômica operacional, que veio a ser um dos esteios da Química. Sua teoria atô- mica diferia de tantas outras, de natu- reza especulativa, enunciadas ante- riormente desde os gregos, porque permitia a realização de cálculos quantitativos baseados em dados experimentais coligidos em labora- tório. A teoria atômica de Dalton é um dos marcos fundamentais da Química do século XIX. Ao contrário das cogi- tações abstratas de tantas outras teo- rias sobre a constituição da matéria, a sua se originou de uma combinação de intuição teórica e observações de
laboratório, sendo respaldada direta- mente por seus estudos sobre os ga- ses. A obtenção de resultados confiá- veis nas determinações de pesos atômicos levou muitas décadas. Com pesos atômicos confiáveis e o escla- recimento definitivo da diferença en- tre átomos e moléculas, a teoria pas- sou a ter aceitação universal e tornou- se um dos alicerces da Química.
Nota
- Neste artigo, optou-se por usar a expressão “peso” em vez de “mas- sa”, sendo-se fiel ao uso da época.
Carlos Alberto L. Filgueiras ([email protected]), enge- nheiro químico pela Universidade Federal de Minas Gerais e doutor em Química pela Universidade de Maryland (EUA), é docente do Instituto de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Foi pre- sidente da SBQ no biênio 1990-1992.
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Para saber mais
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Elemento 111: Roentgênio
No dia 1º de novembro de 2004, o elemento 111, descoberto em dezembro de 1994 por pesquisadores do GSI
- Centro de Pesquisas sobre Íons Pe- sados, em Darmstadt, Alemanha (vide QNEsc n. 5, p. 12, 1997), foi ofi- cialmente nomeado pela IUPAC como roentgênio (símbolo Rg). A descoberta deste elemento foi confirmada, em 2003, por um grupo de trabalho conjunto da IUPAC e da
IUPAP (União Internacional de Física Pura e Aplicada). A seguir, os desco- bridores do elemento propuseram à IUPAC o nome roentgênio e o símbolo Rg, seguindo a tradição de nomear elementos em homenagem a cientis- tas famosos. Wilhelm Conrad Roent- gen descobriu os raios X em 8 de novembro de 1895, um novo tipo de radiação ao qual ele deu esse nome dada a sua natureza incerta (vide QNEsc n. 2, p. 19-22, 1995). Imediata- mente, os raios X passaram a ser usa- dos em Medicina e encontraram muitas
aplicações tecnológicas, anunciando a era da Física Moderna, baseada em propriedades atômicas e moleculares. Em 1901, somente seis anos após sua descoberta, os benefícios dos raios X à humanidade já eram tão evidentes que Roentgen foi laureado com o Prê- mio Nobel de Física. O elemento 111 foi sintetizado exatamente 100 anos depois da descoberta de Roentgen. Para mais informações: www.iupac. o r g / n e w s / a r c h i v e s / 2 0 0 4 / naming111.html. (R.C.R.F.)
Rg
