Desenvolvimento histórico da tabela periódica

Em $1829$, o químico alemão Johann Döbereiner publicou as suas «tríades»: grupos de três elementos com propriedades químicas muito semelhantes, como o lítio, o sódio e o potássio.

1. a) O que observou Döbereiner sobre a massa atómica do elemento central de cada tríade, comparada com a média das massas dos outros dois?
2. b) Que propriedades partilhavam os elementos da tríade dos metais alcalinos? Refere duas.

As massas atómicas do cloro, do bromo e do iodo são $35,5\ \text{u}$, $79,9\ \text{u}$ e $126,9\ \text{u}$. Calcula a média das massas do cloro e do iodo e verifica se coincide, aproximadamente, com a massa do bromo, como afirmava a regra das tríades de Döbereiner.

Os extremos da tríade dos metais alcalinos são o lítio ($6,9\ \text{u}$) e o potássio ($39,1\ \text{u}$).

1. a) Usa a regra de Döbereiner para prever a massa atómica do elemento central, o sódio.
2. b) A massa real do sódio é $23,0\ \text{u}$: calcula o erro percentual da previsão e comenta o resultado.

Outra tríade clássica de Döbereiner é formada pelo cálcio ($40,1\ \text{u}$), pelo estrôncio ($87,6\ \text{u}$) e pelo bário ($137,3\ \text{u}$).

1. a) Calcula a média das massas do cálcio e do bário.
2. b) Calcula o desvio percentual dessa média relativamente à massa real do estrôncio e avalia se a regra das tríades funciona neste caso.

Um aluno procura tríades de Döbereiner entre estes elementos, com as suas massas atómicas: Mg ($24,3\ \text{u}$), Ca ($40,1\ \text{u}$), Sr ($87,6\ \text{u}$), Ba ($137,3\ \text{u}$) e Zn ($65,4\ \text{u}$).

1. a) Verifica, calculando as médias pertinentes, que conjuntos de três elementos consecutivos em massa cumprem a regra de Döbereiner (a massa do central coincide com a média dos extremos com um erro inferior a $5\ \%$).
2. b) Das tríades que cumprem a regra numérica, quais agrupam também elementos quimicamente semelhantes?
3. c) Conclui por que razão a regra das tríades, por si só, não foi suficiente para ordenar todos os elementos conhecidos.

Em $1865$, o inglês John Newlands organizou os elementos conhecidos por ordem crescente de massa atómica e observou que, a partir do lítio, cada oitavo elemento repetia as propriedades do primeiro: chamou-lhe «lei das oitavas». O esquema representa a sua «escala» de elementos:

1. a) Por que razão escolheu esse nome musical?
2. b) Contando o lítio como o primeiro, os sete elementos seguintes por massa são Be, B, C, N, O, F e Na: que elemento ocupa a «oitava nota» do lítio? As suas propriedades são semelhantes?

A lei das oitavas de Newlands funcionava razoavelmente bem para os elementos mais leves, mas deixava de se verificar a partir do cálcio.

1. a) Ordena por ordem crescente de massa estes oito elementos: Li ($6,9\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$) e N ($14,0\ \text{u}$), e verifica que o oitavo é quimicamente semelhante ao primeiro.
2. b) Propõe uma razão histórica pela qual a lei das oitavas não pôde ser geral: pensa em quantos elementos se conheciam em $1865$ e que famílias inteiras faltavam ainda descobrir.

Imagina que estás em $1865$ e só conheces estes dez elementos, já ordenados por massa: Li ($6,9\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), N ($14,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Mg ($24,3\ \text{u}$) e Si ($28,1\ \text{u}$). As suas propriedades: Li e Na são metais macios que reagem com a água; Be e Mg são metais mais duros e menos reativos; B e Si são semimetais; C, N, O e F são não metais.

1. a) Verifica a lei das oitavas de Newlands: cada oitavo elemento assemelha-se ao primeiro da sua «escala»? Identifica os três pares que a confirmam.
2. b) O árgon ($Z = 18$, $39,9\ \text{u}$) só foi descoberto em $1894$: deduz onde Newlands o teria colocado e que problema teria representado para a sua escala musical um elemento que não se assemelha a nenhum outro.
3. c) Explica por que razão a tabela de Mendeleev, que deixava espaços vazios, era mais flexível do que a escala fechada de Newlands.

Em $1869$, o russo Dmitri Mendeleev publicou a primeira versão da sua tabela periódica com os $63$ elementos então conhecidos.

1. a) Segundo que critério ordenou principalmente os elementos?
2. b) Quando o elemento seguinte da lista não se enquadrava nas propriedades de uma coluna, Mendeleev deixava um espaço vazio em vez de o forçar: como interpretou esses espaços vazios?

Mendeleev previu a existência de um elemento desconhecido a que chamou eka-alumínio, descoberto poucos anos depois e batizado como gálio ($\text{Ga}$). O esquema mostra o espaço vazio que Mendeleev deixou na sua tabela:

1. a) O prefixo eka significa «aquele que está um lugar além» em sânscrito: que posição ocupava o eka-alumínio relativamente ao alumínio na tabela?
2. b) O que teria acontecido à credibilidade da tabela periódica se o gálio nunca tivesse sido encontrado?

Mendeléiev previu para o eka-alumínio uma massa atómica de cerca de $68\ \text{u}$ e uma massa volúmica de $5,9\ \text{g/cm}^3$. O gálio, descoberto em $1875$ por Lecoq de Boisbaudran, tem massa $69,7\ \text{u}$ e massa volúmica $5,9\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula o erro percentual da massa prevista.
2. b) Avalia a qualidade conjunta de ambas as previsões: o que dizem sobre o método utilizado por Mendeléiev?

Em $1886$, Clemens Winkler isolou o germânio ($\text{Ge}$) a partir do mineral argirodite e verificou que as suas propriedades coincidiam quase exatamente com as do eka-silício previsto por Mendeléiev quinze anos antes. A primeira pista de que havia um elemento novo nesse mineral foi dada pela análise do seu espetro.

1. a) Por que razão o aparecimento de riscas espetrais desconhecidas indicia a presença de um novo elemento?
2. b) Que relação tem este episódio com a ideia da tabela periódica como ferramenta preditiva?

Mendeléiev previu em $1871$ para o eka-silício: massa atómica $72\ \text{u}$, massa volúmica $5,5\ \text{g/cm}^3$ e um óxido de fórmula $\text{EO}_2$ com massa volúmica $4,7\ \text{g/cm}^3$. O germânio, descoberto em $1886$, tem massa $72,6\ \text{u}$, massa volúmica $5,3\ \text{g/cm}^3$, e o seu óxido $\text{GeO}_2$ tem massa volúmica $4,2\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcula o erro relativo percentual de cada uma das três previsões.
2. b) Por que razão previu um óxido de fórmula $\text{EO}_2$ e não $\text{EO}$ ou $\text{E}_2\text{O}_3$? Pensa na coluna do silício e nas fórmulas dos seus compostos.
3. c) À vista destes resultados, comenta a frase «a tabela periódica é uma ferramenta preditiva».

O telúrio ($M = 127,6\ \text{u}$) é mais pesado do que o iodo ($M = 126,9\ \text{u}$); no entanto, Mendeléiev colocou o telúrio antes do iodo, contrariando a ordem crescente de massas.

1. a) Que propriedades químicas o levaram a fazer essa inversão?
2. b) Que critério de ordenação, descoberto décadas mais tarde, justificou que essa inversão estivesse correta?

O árgon tem massa atómica $39,9\ \text{u}$ e o potássio, $39,1\ \text{u}$; no entanto, na tabela moderna o árgon ($Z = 18$) surge antes do potássio ($Z = 19$).

1. a) Ordena o Ar e o K primeiro por massa e depois por $Z$: qual das duas ordenações condiz com as suas propriedades (gás nobre face a metal macio muito reativo)?
2. b) Explica como o trabalho de Moseley eliminou para sempre este tipo de «inversões» que para Mendeleiev ficaram sem explicação.

As três «inversões» clássicas da tabela são Ar ($39,9\ \text{u}$)–K ($39,1\ \text{u}$), Co ($58,9\ \text{u}$)–Ni ($58,7\ \text{u}$) e Te ($127,6\ \text{u}$)–I ($126,9\ \text{u}$): nos três pares, o elemento mais pesado surge antes na tabela.

1. a) Verifica com os números atómicos (Ar: $Z = 18$, K: $Z = 19$; Co: $Z = 27$, Ni: $Z = 28$; Te: $Z = 52$, I: $Z = 53$) que a ordem por $Z$ é a contrária da ordem por massa nos três casos.
2. b) A massa atómica de um elemento é a média ponderada das massas dos seus isótopos naturais: utiliza essa ideia para explicar como um elemento com menor $Z$ pode resultar mais pesado do que o seguinte.
3. c) Conclui por que razão a massa atómica não pode ser o critério de ordenação da tabela e o número atómico pode.

Em $1913$, o jovem físico britânico Henry Moseley estudou os raios X emitidos por diferentes elementos ao bombardeá-los com eletrões e encontrou uma regularidade perfeita. O esquema resume a sua montagem experimental:

1. a) Que grandeza física atribuiu Moseley a cada elemento como critério de ordenação, em vez da massa atómica?
2. b) Como se chama hoje esse número na tabela periódica e o que conta exatamente no átomo?

Moseley mediu a frequência $\nu$ dos raios X característicos de muitos elementos e verificou que a raiz quadrada da frequência aumenta linearmente com o número atómico:

$\sqrt{\nu} = 4,98\cdot10^{7}\cdot\left(Z - 1\right)\ \text{Hz}^{1/2}$

Representados num gráfico, os valores dos elementos situam-se sobre uma reta:

1. a) Calcula a frequência dos raios X característicos do cobre ($Z = 29$).
2. b) Uma amostra metálica desconhecida emite raios X com $\nu = 1,54\cdot10^{18}\ \text{Hz}$: calcula o seu número atómico e identifica o elemento, sabendo que $Z = 26$ corresponde ao ferro.
3. c) Explica por que razão esta lei permitiu ordenar a tabela por $Z$ sem qualquer ambiguidade, algo impossível com a massa atómica.

Enuncia por palavras tuas a lei periódica atual.

1. a) De que grandeza dependem periodicamente as propriedades dos elementos?
2. b) O que significa que as propriedades se repetem «periodicamente»? Apoia a tua resposta com um exemplo de dois elementos de propriedades muito semelhantes situados na mesma coluna.

A tabela de Mendeléiev apresentava quatro dificuldades que a tabela atual não tem: ① não havia coluna para os gases nobres; ② o hidrogénio não se enquadrava bem em nenhum grupo; ③ os isótopos de um mesmo elemento pareciam exigir várias posições; ④ as terras raras (lantanídeos) não encontravam lugar.

1. a) Explica a origem histórica ou química de cada uma das quatro dificuldades.
2. b) Explica como são resolvidas pela tabela atual, ordenada por $Z$ e construída a partir das configurações eletrónicas.
3. c) Quando Ramsay descobriu os gases nobres na década de $1890$, a tabela pôde incorporar uma coluna inteira sem se desestruturar: justifica por que razão essa descoberta reforçou a tabela em vez de a destruir.

Os pontos de fusão dos halogéneos são: $\text{F}_2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}_2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}_2$: $-7\ \celsius$ e $\text{I}_2$: $114\ \celsius$.

1. a) Traça no teu caderno o ponto de fusão em função do número do período e descreve a tendência do grupo.
2. b) O ástato, o halogéneo seguinte, quase não existe na natureza e praticamente não pôde ser estudado: estima graficamente o seu ponto de fusão e deduz se será sólido à temperatura ambiente ($25\ \celsius$).

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

As massas volúmicas dos metais alcalinos são: Li: $0,53\ \text{g/cm}^3$, Na: $0,97\ \text{g/cm}^3$, K: $0,86\ \text{g/cm}^3$, Rb: $1,53\ \text{g/cm}^3$ e Cs: $1,87\ \text{g/cm}^3$. A figura representa estes valores:

1. a) Seguem uma tendência estritamente crescente ao descer no grupo? Identifica a exceção.
2. b) Estima um valor razoável para a massa volúmica do frâncio, o alcalino do sétimo período, e justifica a tua estimativa a partir da tendência geral.

Os pontos de fusão dos metais alcalinos são: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ e Cs: $28\ \celsius$.

1. a) Desenha no teu caderno a tendência e estima o ponto de fusão do frâncio, o alcalino do sétimo período.
2. b) Prevê também, justificando a partir do comportamento do grupo: o seu estado físico à temperatura ambiente ($25\ \celsius$), a sua dureza e o seu comportamento perante a água.
3. c) O frâncio é tão escasso e radioativo que as suas propriedades medidas mal são conhecidas: explica por que razão a tabela periódica permite fazer ciência preditiva mesmo com elementos quase impossíveis de estudar em laboratório.

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

Escreve um pequeno relatório intitulado «Das tríades ao número atómico: como se construiu a tabela periódica».

1. a) Resume o contributo de Döbereiner, Newlands, Mendeléiev e Moseley, indicando o critério de ordenação proposto por cada um.
2. b) Aponta que problema ficava por resolver após cada cientista e como foi abordado pelo seguinte.
3. c) Conclui explicando por que razão se afirma que uma boa teoria científica não só organiza o conhecido, como também prevê o desconhecido: ilustra-o com o caso do eka-alumínio.