Tabela Periódica - Guia dos Elementos

O Conceito de Elemento Químico e suas Descobertas

O conceito atual de elemento químico, que é o de uma substância simples formada por somente um tipo de átomo (o que engloba todos os átomos de mesmo número atômico, mas de massas diferentes conhecidos como isótopos) passou por uma grande evolução ao longo de 2.500 anos.

Os próprios Gregos tinham diferentes pontos de vista sobre a constituição da matéria e diferentes filosofias foram desenvolvidas, para explicar a constituição de nosso mundo material. Filosofias porque eram oriundas do pensamento humano e deduzidas a partir de observações subjetivas. A Ciência no sentido como conhecemos hoje, não existia nesta época e acreditava-se que todo o conhecimento do mundo poderia ser desvendado aplicando-se a lógica do pensamento.

Ao mesmo tempo que se acreditava na Grécia que a matéria podia ser infinitamente dividida e constituída de elementos simples como a água, o ar, a terra e o fogo, outros pensadores como Leucipo no século V a.C. e seu discípulo Demócrito (460 a.C- 370 a.C.) acreditavam que a matéria era constituída de partícula muito pequenas e indivisíveis que chamaram de “Átomos”, significando em grego “sem partes”. Estes mesmos filósofos também acreditavam na existência de diversos tipos de átomos, com formas e tamanhos diversos, todos sem cheiro, sabor e cor. Além disso estes átomos podiam se combinar fortemente formando os corpos sólidos; serem constituídos de partículas redondas e com isso formariam os líquidos; ou no caso dos gases, os átomos estariam bastante separados um dos outros, o que permitia moverem no espaço vazio. Apesar deste conceito ser bastante coerente com os fatos observados, foi esquecido por diversos séculos e somente em 1661 o filósofo natural Robert Boyle (1627-1691) publicou em seu livro “Químico Cético” a possibilidade da matéria ser constituída de corpúsculos ou átomos e estes formarem os elementos simples e compostos que conhecemos.

Vários tipos de átomos e moléculas descritos por John Dalton (retrato) em “Um Novo sistema de Filosofia Química” (1808).

Em 1803, o inglês John Dalton (1766-1844) retomou esta antiga teoria atômica dos gregos a partir de observações relacionadas com a Lei das Proporções Definidas e Múltiplas e do estabelecimento por ele, dos pesos atômicos relativos de diversos elementos.

Depois dele, diversos cientistas confirmaram por diferentes métodos, a teoria atômica de Dalton para a constituição dos elementos da matéria:
Robert Brown (1773-1858), botânico, usando um microscópio observou o movimento irregular de partículas de poeira flutuantes na água e que foi chamado de “Movimento Browniano”, sendo este movimento devido a colisão das moléculas de água com estas partículas.

Albert Einstein (1879-1955) em 1905 produziu a primeira análise matemática deste movimento e confirmou a hipótese das colisões de moléculas originar o “Movimento Browniano”.

A prova definitiva da constituição atômica da matéria foi descoberta pelo físico Ernest Rutherford (1871-1937) em 1909, pelo bombardeamento de uma folha de ouro com partículas alfa e com isso ele deduziu que o átomo era formado por uma região central (núcleo) maciça, muito pequena e possuidora de carga positiva. Os elétrons descobertos pelo físico J. J. Thomson (1856-1940) em 1897, com carga negativa, ficavam orbitando este núcleo, como se fossem os planetas no sistema solar.

Recentemente pela utilização do Microscópio de Tunelamento com Varredura (STM), desenvolvido 1981 por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer da IBM em Zurich, Suíça, foi possível “enxergar” os átomos e inclusive manipulá-los, como mostra a figura onde foi possível escrever a palavra “IBM” com átomos de Xenônio sobre uma superfície de Níquel.

Átomos de Xenônio em azul sobre superfície de Níquel.

Com a convicção científica estabelecida que a matéria é formada de átomos, podemos indagar de quantos tipos deles ela é formada ou ainda, quantos elementos químicos formam o nosso corpo, planeta ou universo? Sem dúvida, uma das maiores empreitadas do conhecimento humano que se iniciou na pré-história e somente terminou no início da primeira metade do século XX, que consumiu a maior parte da vida dos melhores sábios de todos os tempos; que levou outros para as fogueiras da inquisição; que fez a riqueza de muitos ou a pobreza de outros em busca de objetivos impossíveis de serem conseguidos como a “Pedra Filosofal”; foi a busca pela compreensão de quais e quantos elementos constituem nosso universo material.

O pensamento e busca por esta compreensão elementar, da constituição da matéria, sempre estiveram ligados às mais antigas manifestações filosóficas do conhecimento humano e seus mais antigos registros datam da Grécia antiga. Primeiramente acreditava-se que o mundo era constituído do elemento água, segundo o pensamento de Tales de Mileto que viveu por volta de 624 a 558 a.C. Depois veio seu discípulo, Anaxímenes (585/528 a.C – datas aproximadas) que julgava que tudo era permeado e formado pelo Ar. A seguir Heráclito (540/ 470 a.C– datas aproximadas) acreditou que tudo era constituído pelo fogo.

Estes filósofos gregos supunham um universo formado por um único elemento e a partir deste elemento todas as substâncias conhecidas eram produzidas.

De Empedocles (490/430 a.C.) veio a teoria de que o universo não era formado de um único elemento e sim dos elementos, Água de Tales, Ar de Anaxímenes, do Fogo de Heráclito e mais um novo elemento foi introduzido, a Terra. Partindo do raciocínio de Empédocles, outro filósofo grego, Aristóteles (384 a.C-322 a.C), introduziu um quinto elemento que chamou Quintessência ou Éter e seria responsável pela formação do céu. Aristóteles acreditava então que com todo o universo material formado de água, ar, terra e fogo, com suas quatro qualidades, frio, calor, secura e umidade se poderia formar todos os tipos de materiais existentes, inclusive o homem. A diversidade material conhecida era então devida as diferentes proporções que estes elementos se encontravam nas substâncias.

Os Quatro Elementos clássicos dos Gregos e as combinações das qualidades.
Água: Combinação de frio e umidade
Ar: Combinação de quente e umidade
Fogo: Combinação de quente e secura
Terra: Combinação de frio e secura

Desta filosofia de Aristóteles se evolui para a idéia que se conhecendo as proporções (análise) destes elementos primordiais nas substâncias, se poderiam recriá-las (síntese) nas quantidades que se desejassem. Foi a interpretação da Teoria dos Elementos de Aristóteles que levou às tentativas de se obter o Ouro, a partir dos metais conhecidos até então, e com isso enriquecer aquele que possuísse este segredo. Os primeiros a buscarem esta proeza foram os Alquimistas que consideravam esta como a “Grande Obra” e o objeto que tornaria todo o metal ou substância que a tocasse em ouro foi chamado de “Pedra Filosofal”. O Ouro por ser considerado eterno e imortal, por não alterar suas características nem ao fogo, foi a primeira ambição da Alquimia e este mesmo desejo de perseguição da imortalidade para um metal , por analogia foi buscado para o homem, e aquilo que lhe daria a imortalidade seria o “Elixir da Longa Vida”. Desta maneira o sonho do alquimista estaria completo: Teria a riqueza e os prazeres propiciado pelo Ouro e a eternidade para desfrutá-las.

Apesar de errada a doutrina de Aristóteles, que levou a busca pela Pedra Filosofal e pelo Elixir da Longa Vida pela Alquimia, foi esta pseudociência que originou a Química atual. O legado desta busca, a qual sabemos hoje fracassada, foram as substâncias químicas, os métodos, as técnicas e os instrumentos descobertos pelos alquimistas, que herdados pela Química, permitiu o seu desenvolvimento atual.

Afresco de Raphael Sanzio (1483-1520) retratando Platão e seu discípulo Aristóteles na obra “Escola de Atenas”. Foi pintada entre 1510 e 1511 e se encontra no Palácio Apostólico na Cidade do Vaticano.

Neste contexto, é verdadeiro o conceito que mesmo uma teoria sendo errônea, como foi a Teoria dos Elementos de Aristóteles, ela teve seu mérito no sentido de ser uma das primeiras manifestações do conhecimento humano sobre a constituição da matéria e que na sua tentativa de comprovação e aplicação pelos alquimistas, se permitiu o desenvolvimento da Química atual. Infelizmente este erro perdurou por muitos séculos, tendo sido a alquimia praticada até o século XIX. Acredita-se que existam alquimistas até hoje praticando alquimia, buscando a Pedra Filosofal e o Elixir da Longa Vida, como existem os astrólogos praticando a Astrologia, prevendo o futuro, ao mesmo tempo que a Astronomia evolui a passos largos.

À medida que os século se passavam e os alquimista não conseguiam descobrir a “Pedra Filosofal” e nem adquirir a imortalidade com o “Elixir da Longa Vida”, a Teoria dos Elementos de Aristóteles começava e ficar desacreditada e os praticantes da alquimia começam a desenvolver novas teorias e procurar novos objetivos para as práticas alquímicas.

Um dos primeiros a questionar a teoria de Aristóteles foi Paracelso, pseudônimo de Phillipus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, (1493 -1541) que apresentou sua própria teoria da constituição da matéria, que para ele não só era formada dos elementos: água, ar, terra e fogo, mas também de três princípios que são o Sal, o Enxofre e o Mercúrio. Paracelso, apesar de buscar a Pedra e o Elixir, buscava também descobrir e utilizar substâncias químicas minerais puras em medicina, que até então fazia uso de substâncias vegetais e animais que eram sempre misturas e de efeito duvidoso. Por isso Paracelso é lembrado como um dos pioneiros da Química e Farmacologia Moderna e entre seu legado de contribuições, podemos destacar a descoberta que as doenças tinham causas específicas e poderiam ser tratadas com medicamentos próprios, se fossem conhecidos os seus efeitos no organismo. Esta química médica fundada por Paracelso foi chamada de Iatroquímica. Paracelso também foi o primeiro a usar o termo Zink para o elemento Zinco.

Gravura retratando o médico alquimista Paracelso, um dos fundadores da Química Médica ou Iatroquímica no século XVI.

Depois de Paracelso, que já dera outras aplicações para o conhecimento alquímico na medicina, surgiu na Inglaterra, Robert Boyle (1627-1691), considerado o pai da Química Moderna. Boyle sepultou de vez a Alquimia e foi o primeiro a dar uma definição moderna de Elemento Químico. Em seu livro o “Químico Cético” publicado em 1661, que descreve um diálogo entre três personagens, aos moldes do “Dialogo Sobre os Dois Máximos Sistemas do Mundo” de Galileu Galilei. Um destes personagens defendia o ponto de vista de Aristóteles, outro defendia a Iatroquímica de Paracelso e o último era um Químico Cético, o qual tomava partido. Com isso Boyle desacreditou o conhecimento alquímico vigente e deu um passo decisivo para a criação da Química atual, que só poderia se desenvolver pelo emprego do método do raciocínio científico defendido por Descartes.

Segundo Boyle “Entendo por elementos, certos corpos primitivos e simples ou perfeitamente não misturados que, não sendo constituído por outros corpos, ou um do outro, são os ingredientes dos quais todos os corpos mistos são imediatamente compostos, e nos quais estes se resolvem quando divididos até as últimas conseqüências”. Com esta definição de Boyle, um pouco confusa, mas que está correta, poderia existir no universo um número infinito de elementos químicos, e qualquer substâncias que não pudesse ser separada em seus constituintes distintos, atenderia este requisito básico. Seguindo o raciocínio de Boyle, poderíamos indagar: Quantas substâncias simples poderiam existir sem que pudessem ser desdobradas em outras e formar todas as substâncias compostas existentes?

À medida que os séculos se passavam e a Química se firmava cada vez mais como ciência, novas substâncias eram descobertas e elementos no sentido da definição de Robert Boyle também eram isolados. Apesar de alguns elementos químicos verdadeiros terem sido conhecidos desde a antiguidade, como os sete metais associados aos sete corpos celestes conhecidos, o Ouro (Sol), a Prata (Lua), o Ferro (Marte), o Mercúrio (Mercúrio), o Cobre (Vênus), o Estanho (Júpiter), o Chumbo (Saturno), outros metais como o Bismuto e o Antimônio e também de alguns não metais como o Enxofre, o Carbono e o Arsênio, estes não eram considerados elementos químicos no sentido da Teoria dos Elementos de Aristóteles.

Livro de Robert Boyle (1627-1691), “Químico Cético” publicado em 1661. Ao lado – Seu retrato.

Até o final do século XVIII, mesmo sendo já considerada uma ciência, a Química com as suas inúmeras substâncias conhecidas sendo utilizadas em medicina e nas técnicas da época, ainda não eliminara a herança da Alquimia, permanecendo hermética (fechada) em muitos sentidos. Seu entendimento e aprendizado eram muito complexos devido às nomenclaturas e simbolismos existentes e aos diversos nomes para as mesmas substâncias químicas e processos químicos empregados. Coube ao químico francês Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794), o trabalho de organizar este conhecimento dispersivo, relacionar os elementos conhecidos no sentido da definição de Boyle e criar uma nomenclatura moderna, lógica e acessível a todos. Em seu livro “Tratado Elementar de Química”, publicado em 1788, consta a primeira tabela dos elementos químicos ou substâncias simples que não poderiam ser desdobradas em outras. Neste livro estão descritas 33 substâncias simples conhecidas e separadas em 4 classes, com seus novos nomes e os antigos. Lavoisier não relacionou nesta tabela os elementos de Aristóteles, pois já sabia que o Ar era composto por diferentes tipos de gases como o Azoto (Nitrogênio) e o Oxigênio e a água pelos elementos Oxigênio e o Hidrogênio (Ar Inflamável).

Outro fato importante na tabela de Lavoisier é que ela apresentava como substâncias simples, corpos que sabemos serem compostos como a Sílica (SiO₂), a Alumina (Al₂O), a Barita (BaO), a Cal (CaO), a Magnésia (MgO) e os radicais Muriático (Cl-), Fluórico (F-) e Borácico (BO₃^3-), devido a incapacidade dos químicos da época de isolarem os elementos correspondentes. Lavoisier, com seu grande mérito na Química, cometeu um erro ao relacionar nesta tabela como substâncias simples, o Calórico e a Luz, que sabemos hoje serem manifestações de energia e imponderáveis, ao contrário das outras substâncias simples. Também, apesar da Soda (Na₂CO₃) e a Potassa (K₂CO₃) terem sido conhecidas por Lavoisier, este não as relacionou em sua tabela, pois acreditava que não eram substâncias simples, o que é verdadeiro.

“Tratado Elementar de Química” Livro de Lavoisier publicado em 1788, com a primeira descrição ordenada dos elementos químicos conhecidos.

Infelizmente ele não teve tempo de continuar a sua contribuição para a organização e progresso da Química, já que foi guilhotinado em 1794, durante a Revolução Francesa, por ser um rico coletor de impostos para o Rei Luiz XVI, que teve o mesmo fim trágico.

Com esta contribuição deixada por Lavoisier, a Química evoluiu bastante, e em 1799 Alessandro Volta (1745-1827) inventou a primeira pilha elétrica a partir de observações de Luigi Galvani (1737- 1798). Ainda sem aplicações práticas, a pilha de Volta serviu para o químico inglês Humphry Davy (1778-1829) aumentar o número de elementos químicos conhecidos, pelo isolamento de diversos metais como o sódio, o potássio, o cálcio, o bário, o estrôncio, o lítio e o magnésio, que foram obtidos pela eletrólise de seus sais e hidróxidos fundidos. Lembrando que muitos destes elementos pertenciam ao grupo de substâncias simples denominadas “Terras” por Lavoisier.

Retrato de Antoine-Laurent de Lavoisier (1743 –1794)
que foi o primeiro a relacionar em um livro, na forma de tabela,
todas as substâncias simples ou elementos conhecidos.

A descoberta destes metais altamente reativos, por Davy, ofereceu aos químicos novos elementos altamente redutores, que contavam até então somente com o Carbono (carvão), para redução de óxidos e compostos, aos respectivos elementos. Pela utilização do potássio e do sódio, muitas “Terras” que iam sendo descobertas, podiam ser reduzidas aos respectivos metais e entre elas a Alumina (Al₂O₃) de Lavoisier, por Friedrich Wöhler (1800-1882) que isolou o Alumínio em 1827 empregando o potássio. Outro elemento que formava a “Terra Silicica” de Lavoisier, o Silicio, também foi isolado em 1824 por Berzelius (1779-1848) empregando a redução do fluorsilicato de potássio com potássio. O Boro encontrado no radical borácico de Lavoisier também foi isolado pelo auxílio do potássio em 1808 por Gay-Lussac (1778-1850) e Thénard. (1777-1857).

Empregando diferentes métodos e analisando um grande número de minerais e substâncias, os químicos iam descobrindo novos elementos e terras que aos poucos iam revelando os elementos que as compunham. Um grande avanço dado nas técnicas de análises químicas que fez com que a tabela periódica se expandisse rapidamente foi invenção do espectroscópio por Bunsen (1811-1899) e Kirchhoff (1824-1887), o que permitiu a descoberta de diversos elementos como o Rubídio, o Césio, o Tálio, o Índio, o Gálio, o Európio, o Gadolínio, o Holmio, o Túlio, o Lutécio e inclusive o Hélio no Sol.

Cada vez mais o número de elementos químicos ou substâncias simples aumentavam e os químicos já estavam confusos, pois não sabiam quantos deles poderiam ainda serem descobertos, até que em 1869, o químico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev, (1834 -1907) publicou seu livro “Princípios de Química” onde relacionou de forma organizada em formato de tabela os 63 elementos conhecidos. Esta tabela de Mendeleev tinha algumas vantagens sobre outras tabelas ou teorias antes apresentadas, mostrando semelhanças numa rede de relações vertical, horizontal e diagonal. A classificação de Mendeleev deixava ainda espaços vazios, prevendo a descoberta de novos elementos.

A tabela de Mendeleev serviu de base para a elaboração da atual tabela periódica, que além de catalogar os elementos conhecidos, fornece inúmeras informações sobre o comportamento de cada um. Mendeleev ordenou os 63 elementos químicos conhecidos de sua época na ordem crescente de peso atômico de certa forma que em uma mesma coluna vertical ficavam os elementos com propriedades químicas semelhantes, constituindo os grupos verticais, ou as chamadas famílias químicas. O trabalho de Mendeleev foi um trabalho audacioso e um exemplo espetacular de intuição científica. De todos os trabalhos apresentados que tiveram influência na tabela periódica moderna, o de Mendeleev foi o mais importante.

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