Isótopos de um elemento são formas ligeiramente diferentes daquele elemento. Os isótopos têm as mesmas propriedades químicas, físicas e elétricas do elemento original, mas têm um número diferente de nêutrons no seu núcleo. A descoberta dos isótopos criou uma nova dimensão de um novo conceito para a física e a química.

Esta descoberta veio responder a problemas intrigantes que tinham colocado numa posição difícil os físicos pesquisadores que estavam estudando elementos radioativos. O estudo dos isótopos se tornou uma chave fundamental para o desenvolvimento do poder e das armas atômicas. Os isótopos são também importantes para a geologia, desde a datação pelo carbono a outras técnicas de datação das rochas, todas dependem das relações de isótopos específicos.

Esta única descoberta removeu barricadas para o progresso científicos, abriu novos campos para a pesquisa da física e da química e forneceu ferramentas indispensáveis para a pesquisa da ciência.

Os isótopos são muito mais importantes do que pensamos. Cada rocha antiga, fóssil, restos humanos ou plantas jamais datados o foram usando isótopos de vários elementos. Os isótopos criam radioatividade natural. A bomba atômica usa um isótopo de urânio.

Como foi a descoberta do Isótopo?

Em 1913,o química inglês Frederick Soddy e o químico americano Theodore William Richard descobriram duas massas atômicas diferentes parao chumbo. Quase ao mesmo tempo, Thomson, descobriu massas atômicas diferentes para o neônio.

Apesar de terem massas atômicas diferentes, os átomos apresentavam as mesmas propriedades químicas, comprovando ser de um mesmo elemento. Apenas as propriedades físicas que se relacionavam com a massa eram diferentes.

Deu-se a esse fenômeno o nome de isotopia e ao átomos de um mesmo elemento químico que apresentavam massas atômicas diferentes chamou-se isótopos (do grego ísos, mesmo, e tópos, lugar, em referência ao fato de ocuparem o mesmo lugar na tabela periódica dos elementos).

A isottopia ficou sem explicação até 1932, quando o físico James Chadwick solucionou a questão, descobrindo uma nova parícula nuclear, produzida como consequência do bombardeamento de berílio com partículas alfa.

A partícula descoberta por Chadwick tinha massa praticamente igual à massa do próton e não tinha carga elétrica, sendo por esta razão denominada nêutron. Os nêutrons explicam não apenas a diferença de massas atômicas (e, consequentemente, a diferença nas propriedades físicas) dos isótopos, como também a igualdade no seu comportamento químico, já que isso é função das cargas elétricas existentes nos átomos. Verificou-se nessa época que as partículas alfa possuem 2 prótons  e 2 nêutrons.

Praticamente todos os elementos químicos possuem isótopos, naturais e/ou artificiais (obtidos pelo bombardeamento de núcleos atômicos com partículas aceleradas).

Podemos definir então que:

Apenas os isótopos do elemento químico Hidrogênio possuem nomes próprios, os demais são diferenciados apenas pelo número de nêutrons e, portanto, pela massa: H: prótio ou hidrogênio comum, ²H: deutério ou hidrogênio pesado e ³H: trítio ou hidrogênio superpesado.

Simplificações para Fórmulas Estruturais

Às vezes a fórmula estrutural plana de um composto orgânico pode se tornar muito grande e complexa se representarmos todas as ligações entre os átomos. Por esta razão é comum simplificarmos as fórmulas não mostrando algumas ligações, colocando-se apenas um átomo ao lado do outro.

Também é possível representar a cadeia carbônica por linhas em ziguezague formando vértices. Cada vértice indica um átomo de carbono.

Os átomos de hidrogênio que se encontram ligados aos átomos de carbono não são representados, pois é preceito preestabelecido que as ligações de carbono que estiverem faltando estão sendo feitas com hidrogênio.

Apenas átomos diferentes de carbono e hidrogênio são representados por seus símbolos e são ligados à cadeia carbônica por uma linha menor do que aquela que forma o ziquezague.

As ligações duplas e triplas são representadas normalmente.

Observe alguns exemplos:

Em compostos cuja molécula apresenta cadeia cíclica podemos levar simplificar desenhando apenas a forma geométrica da cadeia tendo em vista as seguintes considerações:

Cada vértice da figura geométrica representa um átomo de carbono, e alinha entres os vértices, o tipo de ligação. Se há um aligação dupla entre os àtomos de carbono no ciclo, ela deve ser representada por uma linha dupla.

Outros átomos, ou grupos de átomos diferentes de hidrogênio, devem ser representados com suas respectivas ligações.

Classificação de Carbonos sp³

A classificação de determinado átomo de carbono sp³ (que faz 4 ligações simples) em uma cadeia carbônica apresenta como único critério o número de carbonos que estão ligados a ele.

Assin temos:

Veja abaixo uma imagem ilustrando a classificação dos carbonos:

Classificação de compostos

É comum classificar os compostos orgânicos num dos seguintes grupos:

Finalizamos aqui os princípios mais básicos da Química Orgânica, para ver a parte 1 e 2 clique nos links abaixo:

Princípios fundamentais da Química Orgânica – II
Princípios fundamentais da Química Orgânica – I

O que é Ressonância

Se uma molécula que possui ligações covalentes do tipo r pode ser representada por duas ou mais fórmulas estruturais diferentes apenas se trocando a(s) ligação(ões) r de lugar e se, experimentalmente, for constatado que a estrutura real da molécula é intermediária às formas esperadas teoricamente, conclui-se que a substância sofre ressonância.

Considere, por exemplo, a molécula de benzeno, C₆H₆, cuja fórmula estrutural pode ser representada por uma das seguintes maneiras:

Essas estruturas, denominadas formas canônicas do benzeno, embora representem adequadamente a molécula, não possuem existência física real.

Experimentalmente, verifica-se que o benzeno é na verdade um híbrido de ressonância dessas duas formas canônicas.

O fenômeno da ressonância pode ser confirmado pela técnica de difração com raios X, que consiste basicamente no seguinte: um feixe de raios X atravessa uma amostra de uma substância simples cristalina que contém átomos ou íons de um único elementos químico (por exemplo, carbono diamante ou carbono grafita). Esses átomos ou íons provocam um desvio na trajetória do feixe de raios X que incide sobre eles. O desvio é registrado numa chapa fotográfica. Essa imagem permite perceber a posição dos núcleos do átomos no material e a distância (d) que há entre eles, assim como os ângulos entre as ligações que os mantêm juntos.

Utilizando-se esse recurso, mede-se o comprimento da ligação (distância entre os núcleos de dois átomos ligados) dos carbonos.

Assim, o modelo mais fiel à estrutura da molécula de benzeno, de acordo com os dados experimentais, é representado a seguir, o círculo tracejado indica o movimento contínuo e deslocalizado dos elétrons r dos átomos de carbono.

Torbern Olof Bergman

A primeira separação da Química em Inorgânica e Orgânica ocorreu porvolta de 1777 pelo químico Torbern Olof Bergman, e ficou constituído como:

Com base nessa definição, Jöns Jacob Berzelius formulou a teoria da força vital, ou vitalismo, no qual os compostos necessitavam de uma força maior para serem sintetizados, por isso o nome força vital, ele acredita que essa força maior era a força da vida. Em 1828 Friedrich öhler, aluno de Berzelius, conseguiu sintetizar em laboratório a uréia (CO(NH2)2(s) pelo simples aquecimento de um composto inorgânico extraídode minerais, o cianto de amônio NH₄OCN_(s).

Após os cientistas perceberem que a definição de Torbern Olof Bergman para Quimica Orgânica não era adequada, o químico Friedrich August Kekulé percebendo que o a presença constante do carbono em compostos orgânicos propôs a definição que é aceita atualmente:

Jöns Jacob Berzelius

Sendo assim, a Quimica Inorgânica é a parte da quimica que estuda os compostos dos demais elementos e alguns poucos compostos do elemento carbono, que são denominados compostos de transição, ou seja, compostos que possuem o carbono, mas têm propriedades semelhantes às dos compostos inorgânicos.

Dentre eles podemos citar o gás carbônico CO2, monóxido de carbono CO, cianeto de Hidrogênio HCN e o isocianeto de hidrogênio HCNO.

Com a síntese da uréia, Wöhler deu início a um grande campo de pesquisa, o das sínteses orgânicas. Hoje sãoconhecidos por volta de 7 milhões de compostos orgânicos e apenas 200 mil inorgânicos.

O Postulado de Kekulé

Entre 1858 e 1861, os químicos Friedrich August Kekulé, Archibald Scot Couper e Alexander M. Betherov, lançaram os três postulados que constituem as bases fundamentais da Química Orgânica.

Friedrich August Kekulé

Elementos Organógenos

Denominam-se elementos organógenos quatro elementos que formem praticamente todos os compostos da Química orgânica: C, H, O e N.

O carbono é tetravalente, o hidrogênio é monovalente, o oxigênio é bivalente e o Nitrogênio trivalente. Além desses elementos, há outros que também formam compostos orgânicos, só que em menor número, como o enxofre (bivalente), o fósforo (trivalente) e os halogênios (monovalentes): cloro, bromo, iodo e flúor.

Uma das teorias mais aceitas para explicar a origem do universo é a denominada teoria do big-bang.

Segundo essa teoria, o universo teria se originado de uma explosão cósmica ocorrida entre 8 e 20 bilhões de anos atrás. Até então, as estruturas do uiverso, que estava contraído a um limite máximo, concentravam-se num único ponto de temperatura e densidade altíssimas.

Ao explodir esse ponto iniciou a expansão do universo. Calcula-se entre matéria e energia na forma de luz ocorreu um milhão de anos após o big-bang.

Confira a seguir alguns conceitos básicos sobre as  grandezas físicas e quimicas, e alguns conceitos de quimica.

Conceito de Matéria

Tudo que podemos ver e sentir a nossa volta é classificado como matéria e a ausência total de matéria é classificado como vácuo.

Massa é a grandeza física que mede a quantidade de matéria que um corpo ou objeto possui. Como exemplo de matéria temos água, leite, ar, ferro, aço entre muitos outros. Os diferentes tipos de matérias são comumente denominados materiais.

Uma porção limitada de um material qualquer, como um pedaço de madeira, por exemplo, é denomida corpo.

Quando um corpo possui um formato específico que o torna útil para um determinado fim, como uma mesa de madeira, por exemplo, passa a ser denominado objeto.

Conceito de energia

A existência da matéria depende diretamente da existência de energia.

A palavra energia deriva do grego enégeria, que significa “força em ação”.

Todas as ações que nos rodeiam estão relacionadas diretamente à manifestação da energia e suas transformações.

A energia não pode ser vista nem tocada, mas pode ser sentida a todo momento como um elo fundamental que envolve e relaciona tudo que existe no universo. Cientificamente, o conceito de energia está relacionado principalmente à realização de trabalho.

Podemos definir que: Energia é a grandeza que avalia a capacidade de um sistema realizar trabalho.

Devemos entender como sistema uma parte do universo isolada para estudo, por exemplo, uma queda d’água. Realizar trabalho significa utilizar uma força (F) para deslocar um corpo de massa (M) por uma determinada distância (S). Assim, podemos definir trabalho (T) realizado como produto da força pelo deslocamento por meio da expressão:

T = F • S

A energia pode se manifestar de muitas formas, mas todas elas, em última análise, estão relacionadas a movimento e /ou posição.

Energia Cinética

A força de uma correnteza está relacionada ao deslocameto de uma grande massa de água que ocorre com determinada velocidade.

A massa e a velocidade são grandezas relacionadas diretamente com a energia cinética.

Energia cinética (E_c) é aquela relacionada ao movimento de um corpo ou objeto e é calculada pelo produto de sua massa (m) por sua velocidade (v) elevada ao quadrado dividido por 2.

Veja a fórmula matemática:

E_c = (m • v²)/2

Energia Potencial

Quando a energia depende da posição, ela é denomindada energia potencial e pode estar relacionada a ação da gravidade, a elasticidade de um corpo ou ainda à eletricidade ou magnetismo.

Energia potencial (E_p) é aquela armazenada em um corpo ou objeto quando esse é submetido a certas condições, como gravidade (g), elasticidade ou magnetismo. Sua intensidade varia conforme a massa (m) do corpo e sua posição ou altura (h) em relação a um nível de referência.

Expressão matemática:

E_p = m • g • h

A energia mecânica, Em de um corpo é a soma de suas energias cinética e potencial.

E_m = E_c + E_p

Pressão

upeA pressão é a força exercida por uma unidade de srfície.

Um conceito muito importante relacionada à pressão é o de pressão atmosférica:

Pressão atmosférica é a pressão exercida pela atmosfera terrestre em qualquer ponto da mesma e pode ser expressa pela massa da coluna de ar sobre unidade de área, no ponto dado, multiplicada pela aceleração da gravidade do mesmo ponto.

Assim a pressão atmosférica varia conforme a altitude local.

Em quimica é comum utilizar a unidade de pressão em milímetro de mercúrio, mmHg.

Temperatura

Toda espécie de matéria pode ser dividida em partes muito pequenas que unidas a caracterizam. Essas partes muito pequenas da-se o nome de partículas.

O grau de organização das partículas que constituem a matéria varia desde muito organizado até altamente desorganizado, conforme os valores de energia cinética e potencial que as partículas possuem, o que depende diretamente da temperatura e pressão atmosférica local.

Quanto maior a energia cinética, maior a agitação das partículas. Essa agitação causa a colisão das partículas da matéria entre si e com outros materiais que estejam ao redor, é o que chamamos de agitação térmica.

A temperatura é uma medida de agitação térmica das partículas que constituem a matéria.

Na quimica utiliza-se mais a unidade de medida kelvin (k) e também celsius (C).

Energia na forma de calor

O calor é uma forma de energia que pode ser diretamente transferida de um corpo para outro se houver diferença de temperatura entre os corpos.

A energia na forma de temperatura sempre flui espontaneamente do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura, nunca ao contrário, até que os dois corpos tenham atingido a mesma temperatura.

O calor não existe no corpo antes ou depois da tranferência, somente durante.

O calor é uma energia em trânsito.

A quantidade de calor (Q) cedida ou recebida por um corpo depende da massa (m), da variação de temperatura (delta T) e do calor específico do material (c).

Expressão matemática:

Q = m • c • deltaT

Calor e temperatura são duas coisas diferentes. O calor depende da quantidade de massa do objeto, assim 2 litros de água fervente pode fornecer mais calor do que 1 litro.

Já a temperatura não depende da massa, é apenas uma medida da energia cinética das partículas que constituem o objeto, sendo assim, 2 litros de água fervente possuem a mesma temperatura que 1 litro.

A acetona forma-se, juntamente com outros produtos, na destilação seca da madeira. Em casos patológicos, bem como após um jejum prolongado, a acetona parece na urina humana.

Existem certos microorganismos capazes de produzir a acetona durante o metabolismo dos hidratos de carbono – Bacillus macerans e Clostridium acetumbutiricum. Esse fato tem sido aproveitado para fins técnicos de preparação desse composto.

O método de Piria foi, no passado, utilizado industrialmente para se obter acetona. Hoje em dia, é sintetizado a partir do acetileno, segundo o esquema:

Obs: Trata-se de uma reação estranha, difícil mesmo de ser compreendida.

A hidrogenação catalítica do isopropanol vem sendo usada, com muito sucesso, como processo industrial de preparação da acetona. Esse processo é identico ao da obtenção do formaldeído e do acetaldeído. Todavia desenvolveu-se um outro método de oxidação do isopropanol por meio de oxigênio do ar, na ausência de catalisadores.

420 – 460 ºC

(CH3)2CH-OH + O2 – (CH3)2C = O + H2O2

Obs: Essa reação constitui um bom processo de obtenção da água oxigenada.

Um método muito interessante, usado para preparar acetona industrialmente, consiste no rearranjo do hidroperóxido do cumeno. Fenol é preparado comercialmente nessa oxidação. O mecanismo desse rearranjo, que é catalisado por ácido, parece ser o seguinte:

A acetona, líquido incolor muito volátil, é largamente usada como matéria-prima para o preparo de diversas substâncias orgânicas. Todavia sua principal aplicação consiste ser solvente de inúmeros produtos, tais como acetato de celulose, lacas, resinas, acetileno, etc. É totalmente miscível com água, sendo também usada para homogeneização de misturas de solventes. Um derivado da acetona que apresenta ação hipnótica é o sulfonal (veja estrutura do composto abaixo).

A ruptura de ligações entre átomos pode ocorrer de modo homogêneo ou heterogêneo.

Ruptura Homolítica: a molécula é separada de modo igual para os radicais resultantes, ou seja, é uma cisão de ligação sem perda nem ganho de elétrons.

Quando a quebra da ligação é feita igualmente, cada átomo fica com seu elétron original da ligação, dando origem aos chamados radicais livres.

Radical livre: átomo com elétron desemparelhado, cuja carga elétrica é neutra.

Ruptura Heterolítica: a quebra da ligação é feita de modo desigual, ficando o par eletrônico com apenas um dos átomos da ligação.

Observe que uma das espécies ganha elétrons e a outra perde (formação de íons).
Rompendo-se heteroliticamente a ligação entre carbono e bromo, teremos um carbocátion e um íon brometo (ânion). Neste caso, o elemento bromo, como sendo mais eletronegativo, leva consigo o par eletrônico.

Mas o que aconteceria se o par de elétrons ficasse com o Carbono? Isto ocorre quando há uma quebra heterolítica entre a ligação de carbono e hidrogênio:

O carbono fica com o par eletrônico e colabora para a formação de um carbânion e um íon H+ (próton).

Reação de substituição, como o próprio nome já diz, é aquela em que ocorre na molécula a troca de um ligante.

Veja um exemplo de substituição por radical livre:

1ª etapa: formação do radical

Ruptura homolítica do Br2 e formação de radicais • BR: esta cisão na ligação covalente ocorre na presença de calor ou luz.

2ª etapa: ataque do radical Brometo ao Propano, causando a ruptura homolítica da ligação C ― H.

O ligante H da molécula de propano é substituído pelo ligante BR, originando o 1 -Bromo propano ou 2 – Bromo propano. A reação de substituição por radical livre é típica de alcanos.

Nota: As duas setas indicam que o radical Bromo pode substituir qualquer hidrogênio da estrutura.

Mecanismo de uma reação é o caminho pelo qual a reação se processa, ele descreve as várias etapas pelas quais ela passa.

A ruptura das ligações, os ataques eletrofílicos e nucleofílicos ao reagente orgânico, a formação de novas ligações e de compostos intermediários, tudo isso é demonstrado em um mecanismo. Vale lembrar que um mecanismo é proposto se baseado em experimentos, mas é apenas um modelo, não sendo um caminho obrigatório para a reação.

No mecanismo da reação influem vários fatores, como a natureza do solvente, polaridade das ligações, troca de elétrons, etc. Portanto, um determinado mecanismo nem sempre é a única maneira de se explicar a formação de determinado produto.

No caso das reações orgânicas, um mecanismo pode ocorrer de duas maneiras: ionicamente ou via radicais livres.

1. Mecanismo iônico: a ruptura heterolítica de uma ligação covalente dá início ao processo, originando íons (carbocátion e carbânion).

2. Mecanismo via radicais livres: a ruptura homolítica de uma ligação covalente forma radicais livres (muito instáveis e reativos).

Acompanhe o mecanismo de Halidrificação de Alcenos.

Podemos dividir o mecanismo em etapas:

1ª Etapa: A quebra homolítica de Ácido Bromídrico (H — Br) deu origem ao radical livre • Br, este reage com alceno e forma um novo radical.

Etapa intermediária: o radical livre ataca o hidrogênio polarizado do HBr.

Etapa final: Nesta etapa se forma o produto (1- Bromo propano) e um novo radical que reiniciará a reação.

Como se vê, a Halidrificação de Alcenos ocorre por Mecanismo via radicais livres.

Observação: Halidrificação pode ser entendida como Halogenação, uma vez que houve a adição de um Halogênio (Bromo) à molécula.

O mecanismo de uma reação é uma maneira didática (simulação) de mostrar passo a passo a formação de determinado produto, mas, contudo, explica o que acontece realmente na prática.

Em termos gerais, a reação de saponificação ocorre quando um éster em solução aquosa de base inorgânica origina um sal orgânico e álcool.

A Reação de saponificação também é conhecida como hidrólise alcalina, através dela é que se torna possível o feitio do sabão. Falando quimicamente, seria a mistura de um éster (proveniente de um ácido graxo) e uma base (hidróxido de sódio) para se obter sabão (sal orgânico).

A equação abaixo demonstra este processo:

Éster + base forte → sabão + glicerol

Praticamente todos os ésteres são retirados de óleos e gorduras, daí o porquê das donas de casa usarem o óleo comestível para o feitio do sabão caseiro.

Equação genérica da hidrólise alcalina:

A equação acima representa a hidrólise alcalina de um óleo (glicerídeo). Dizemos que é uma hidrólise em razão da presença de água (H₂O) e que é alcalina pela presença da base NaOH (soda cáustica). O símbolo ∆ indica que houve aquecimento durante o processo. Produtos da reação de Saponificação: sabão e glicerol (álcool).