A tabela periódica e as famílias dos elementos químicos

A matéria está em toda parte. A água de um rio, o ar que respiramos, uma pedra, uma árvore, o ferro de uma ponte, o ouro de uma joia, o sal da cozinha, o vidro de uma janela, nosso corpo e até as estrelas são constituídos por matéria. Mas de que a matéria é feita? Essa pergunta levou a humanidade a uma das maiores construções intelectuais da ciência: a compreensão dos elementos químicos e sua organização na Tabela Periódica.

Para começar, é importante separar algumas ideias que frequentemente são confundidas. Elemento químico não é a mesma coisa que objeto, material ou substância. Um elemento químico é definido pelo número de prótons existentes no núcleo de seus átomos. O hidrogênio possui um próton; o hélio possui dois; o carbono possui seis; o oxigênio possui oito; o ferro possui 26; o ouro possui 79. Esse número é chamado de número atômico e funciona como uma espécie de identidade do elemento.

O átomo é a unidade fundamental que conserva a identidade química de um elemento. Ele possui um núcleo, formado por prótons e nêutrons, e elétrons associados ao redor desse núcleo. Os prótons possuem carga elétrica positiva; os elétrons possuem carga negativa; e os nêutrons não possuem carga elétrica. Em um átomo eletricamente neutro, o número de elétrons corresponde ao número de prótons.

É justamente o número de prótons que determina qual é o elemento. Se um átomo possui seis prótons, ele é carbono. Se possui oito, é oxigênio. Se possui 26, é ferro. Não importa se esses átomos estão em uma rocha, em uma planta, em um animal ou em uma estrela: sua identidade química continua determinada pelo número de prótons.

Mas existe uma pergunta ainda mais interessante: se existem tantos elementos diferentes, eles se comportam de maneira completamente aleatória? A resposta é não. Os cientistas perceberam que determinadas propriedades químicas se repetem em padrões. Foi essa percepção que permitiu construir a Tabela Periódica.

A Tabela Periódica é, portanto, muito mais do que uma lista de símbolos. Ela é uma forma de organizar os elementos de acordo com seu número atômico e com padrões relacionados à estrutura eletrônica dos átomos. Sua organização permite identificar relações entre os elementos e prever muitas de suas propriedades químicas. É como se a ciência tivesse encontrado uma espécie de arquitetura interna da matéria.

O que significa “periódica”?

A palavra periódica está relacionada à ideia de repetição de padrões. À medida que o número atômico aumenta, determinadas propriedades dos elementos reaparecem de maneira regular. Essa repetição está relacionada principalmente à distribuição dos elétrons nos átomos.

Os elétrons não estão distribuídos de qualquer maneira. Eles ocupam estados e níveis de energia determinados pelas regras da mecânica quântica. Os elétrons mais externos, especialmente os chamados elétrons de valência, desempenham papel importante no comportamento químico dos elementos.

É por isso que elementos que possuem estruturas eletrônicas externas semelhantes tendem a apresentar comportamentos químicos semelhantes. Essa é uma das ideias fundamentais para compreender as famílias químicas.

O que é uma família química?

Na Tabela Periódica, as colunas verticais são chamadas de grupos. Alguns grupos recebem nomes tradicionais de famílias químicas porque seus elementos apresentam propriedades semelhantes e padrões de comportamento relacionados.

A palavra “família” é uma metáfora útil para a aprendizagem: não significa que os elementos sejam literalmente parentes, mas que compartilham determinadas características químicas.

Assim como membros de uma família podem compartilhar algumas características sem serem exatamente iguais, elementos de uma mesma família química apresentam propriedades semelhantes, mas cada elemento continua possuindo sua própria identidade.

É importante, porém, não transformar essa comparação em uma regra absoluta. Nem todos os grupos da Tabela Periódica são tradicionalmente tratados como famílias químicas com nomes próprios. Os grupos 3 a 12, por exemplo, são melhor compreendidos como parte dos metais de transição. Além disso, os lantanídeos e actinídeos formam séries do bloco f.

Essa distinção torna a organização mais cientificamente precisa.

As famílias químicas principais

Família dos metais alcalinos - Grupo 1

A família dos metais alcalinos é formada por lítio (Li), sódio (Na), potássio (K), rubídio (Rb), césio (Cs) e frâncio (Fr).

O hidrogênio (H) aparece na primeira posição do Grupo 1, mas não pertence à família dos metais alcalinos. Ele possui características químicas próprias e, por isso, deve ser estudado separadamente.

Os metais alcalinos são conhecidos por sua elevada reatividade. Essa característica está relacionada à estrutura eletrônica desses elementos e à facilidade com que participam de determinadas reações químicas.

O sódio, por exemplo, é um metal bastante reativo quando está em sua forma elementar. Entretanto, quando combinado com outros elementos, pode formar substâncias com propriedades completamente diferentes. O cloreto de sódio, formado por sódio e cloro, é o sal comum utilizado na alimentação.

Esse exemplo demonstra um princípio fundamental da Química: as propriedades de uma substância dependem não apenas dos elementos que a constituem, mas também de como seus átomos estão organizados e ligados.

Família dos metais alcalino-terrosos - Grupo 2

A segunda família é formada por berílio (Be), magnésio (Mg), cálcio (Ca), estrôncio (Sr), bário (Ba) e rádio (Ra).

São metais que apresentam padrões químicos próprios. O cálcio, por exemplo, possui grande importância biológica e participa da formação e manutenção de estruturas do organismo, como ossos e dentes. O magnésio também possui funções biológicas importantes e está presente na molécula de clorofila.

Metais de transição - Grupos 3 a 12

A região central da Tabela Periódica é ocupada pelos metais de transição. É importante diferenciá-los das famílias principais porque os grupos 3 a 12 não formam oito famílias tradicionais equivalentes às famílias dos alcalinos, halogênios ou gases nobres.

Esses grupos apresentam grande diversidade de propriedades e enorme importância tecnológica.

O grupo 3 inclui o escândio (Sc) e o ítrio (Y), juntamente com elementos associados ao bloco f conforme a convenção adotada para a representação da Tabela Periódica.

O grupo 4, conhecido como grupo do titânio, inclui titânio (Ti), zircônio (Zr), háfnio (Hf) e rutherfórdio (Rf).

O grupo 5, grupo do vanádio, inclui vanádio (V), nióbio (Nb), tântalo (Ta) e dúbnio (Db).

O grupo 6, grupo do cromo, inclui cromo (Cr), molibdênio (Mo), tungstênio (W) e seabórgio (Sg).

O grupo 7, grupo do manganês, inclui manganês (Mn), tecnécio (Tc), rênio (Re) e bóhrio (Bh).

O grupo 8, grupo do ferro, inclui ferro (Fe), rutênio (Ru), ósmio (Os) e hássio (Hs).

O grupo 9, grupo do cobalto, inclui cobalto (Co), ródio (Rh), irídio (Ir) e meitnério (Mt).

O grupo 10, grupo do níquel, inclui níquel (Ni), paládio (Pd), platina (Pt) e darmstádio (Ds).

O grupo 11, grupo do cobre, inclui cobre (Cu), prata (Ag), ouro (Au) e roentgênio (Rg).

O grupo 12, grupo do zinco, inclui zinco (Zn), cádmio (Cd), mercúrio (Hg) e copernício (Cn).

Entre esses elementos encontramos materiais fundamentais para a história da humanidade e para a tecnologia contemporânea. O ferro está presente na produção de aço e também participa de processos biológicos. O cobre é um excelente condutor elétrico. A prata apresenta elevada condutividade elétrica. O ouro possui elevada resistência à corrosão e aplicações tecnológicas além da joalheria.

Família do boro - Grupo 13

A família do boro é formada por boro (B), alumínio (Al), gálio (Ga), índio (In), tálio (Tl) e nihônio (Nh).

Os elementos dessa família não são idênticos entre si. O boro apresenta características distintas dos metais mais pesados da família, enquanto o alumínio é um metal leve e muito utilizado em objetos, estruturas, embalagens e transportes.

Essa família mostra que pertencer ao mesmo grupo significa apresentar determinadas relações químicas, e não possuir exatamente as mesmas propriedades.

Família do carbono - Grupo 14

A família do carbono inclui carbono (C), silício (Si), germânio (Ge), estanho (Sn), chumbo (Pb) e fleróvio (Fl).

O carbono ocupa uma posição especialmente importante na compreensão da vida. Sua capacidade de formar diferentes ligações e estruturas permite a existência de uma enorme variedade de moléculas orgânicas.

O silício também possui grande importância. Ele está presente em numerosos minerais e possui papel central na tecnologia dos semicondutores.

Assim, uma única família química pode estabelecer conexões entre Biologia, Geologia, Química, Física e Tecnologia.

Família do nitrogênio - Grupo 15

A família do nitrogênio, também chamada de pnictogênios, inclui nitrogênio (N), fósforo (P), arsênio (As), antimônio (Sb), bismuto (Bi) e moscóvio (Mc).

O nitrogênio e o fósforo possuem grande importância para os organismos vivos. O nitrogênio está presente em proteínas e ácidos nucleicos, enquanto o fósforo participa de moléculas essenciais ao metabolismo e da estrutura dos ácidos nucleicos.

Família dos calcogênios - Grupo 16

Os calcogênios são oxigênio (O), enxofre (S), selênio (Se), telúrio (Te), polônio (Po) e livermório (Lv).

O oxigênio participa de numerosos processos biológicos e está presente em uma enorme quantidade de substâncias naturais. O enxofre também participa de moléculas importantes para os seres vivos e ocorre em minerais e ambientes geológicos.

Família dos halogênios - Grupo 17

A família dos halogênios é formada por flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br), iodo (I), astato (At) e tenessino (Ts).

Os halogênios apresentam elevada reatividade e possuem importantes aplicações e funções. O cloro, por exemplo, participa de processos de tratamento e desinfecção da água. O iodo é essencial para determinadas funções do organismo.

Família dos gases nobres - Grupo 18

A família dos gases nobres inclui hélio (He), neônio (Ne), argônio (Ar), criptônio (Kr), xenônio (Xe), radônio (Rn) e oganessônio (Og).

Eles apresentam, em geral, baixa reatividade química em comparação com muitos outros elementos, característica relacionada à configuração eletrônica de sua camada mais externa.

O hélio possui aplicações em criogenia e em sistemas de balões. O neônio é conhecido por aplicações luminosas. O argônio é utilizado em processos nos quais se deseja uma atmosfera pouco reativa.

Lantanídeos

Os lantanídeos constituem uma série do bloco f. São eles: lantânio (La), cério (Ce), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), promécio (Pm), samário (Sm), európio (Eu), gadolínio (Gd), térbio (Tb), disprósio (Dy), hólmio (Ho), érbio (Er), túlio (Tm), itérbio (Yb) e lutécio (Lu).

Eles aparecem normalmente destacados na parte inferior da Tabela Periódica para tornar a representação mais compacta.

Alguns lantanídeos possuem propriedades magnéticas e ópticas importantes para tecnologias contemporâneas. O neodímio, por exemplo, é utilizado na produção de ímãs permanentes de alta intensidade.

Actinídeos

Os actinídeos constituem outra série do bloco f. São eles: actínio (Ac), tório (Th), protactínio (Pa), urânio (U), netúnio (Np), plutônio (Pu), amerício (Am), cúrio (Cm), berquélio (Bk), califórnio (Cf), einstênio (Es), férmio (Fm), mendelévio (Md), nobélio (No) e laurêncio (Lr).

Muitos elementos dessa série são radioativos. O urânio é especialmente conhecido por suas propriedades nucleares. Alguns de seus isótopos podem sofrer fissão nuclear, processo no qual um núcleo atômico pesado se divide e libera energia.

Uma observação sobre o Grupo 3

A representação do Grupo 3 merece uma observação especial. Existem diferentes convenções para a posição dos elementos do bloco f nessa região da Tabela Periódica. Algumas representações utilizam Sc-Y-La-Ac, enquanto outras utilizam Sc-Y-Lu-Lr.

Por isso, em uma abordagem didática rigorosa, é mais adequado apresentar essa questão como uma diferença de convenção de representação, e não como se houvesse uma única forma gráfica universalmente utilizada.

O urânio é o elemento mais poderoso?

Não existe, cientificamente, um “elemento mais poderoso”. Poderoso não é uma propriedade química única que permita ordenar os elementos.

O urânio é um elemento importante porque alguns de seus isótopos apresentam propriedades nucleares que permitem a fissão. Isso está relacionado à produção de energia nuclear e a outras aplicações tecnológicas.

Entretanto, radioatividade, energia nuclear, reatividade química, toxicidade, condutividade elétrica, resistência mecânica e resistência à corrosão são propriedades diferentes. Não podem ser transformadas em uma única escala de “poder”.

E o glúon?

O glúon não é um elemento químico e, portanto, não pertence à Tabela Periódica.

Ele é uma partícula elementar relacionada à interação forte, uma das interações fundamentais da natureza. Os glúons participam das interações entre quarks.

Os quarks formam partículas compostas, como prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons formam os núcleos atômicos. Os núcleos, associados aos elétrons, constituem os átomos. Os átomos definem os elementos químicos.

Podemos visualizar essa organização em diferentes níveis:

quarks → prótons e nêutrons → núcleos atômicos → átomos → elementos químicos → moléculas → materiais → organismos e sistemas naturais.

Cada nível possui suas próprias regras e conceitos. Por isso, comparar diretamente um glúon com um elemento químico significa comparar entidades pertencentes a níveis diferentes da organização da matéria.

A grande descoberta da Tabela Periódica

A beleza da Tabela Periódica está em mostrar que a diversidade da matéria não significa ausência de organização.

Existem 118 elementos químicos reconhecidos, mas esses elementos podem combinar-se de inúmeras maneiras. Um conjunto relativamente limitado de elementos participa de uma quantidade gigantesca de substâncias, materiais, organismos e estruturas.

O carbono pode participar do diamante, do grafite e de moléculas orgânicas. Hidrogênio e oxigênio podem formar água. Sódio e cloro podem formar cloreto de sódio. Silício e oxigênio participam de inúmeros minerais. Ferro e carbono podem formar diferentes tipos de aço.

A matéria, portanto, não é simplesmente uma coleção de elementos. É uma história de combinações, ligações, estruturas, transformações e relações.

Para a criança, a Tabela Periódica pode deixar de ser uma parede cheia de símbolos aparentemente difíceis e transformar-se em um mapa da matéria. Cada elemento possui uma identidade; cada grupo revela determinadas relações; cada família apresenta características próprias; e cada combinação pode produzir novas substâncias e novos materiais.

Objetivos de aprendizagem

Compreender o que é um elemento químico e diferenciá-lo de átomo, molécula, substância e material; reconhecer o número atômico como identidade do elemento; compreender por que a Tabela Periódica é organizada de maneira periódica; identificar grupos e famílias químicas; reconhecer as principais famílias dos elementos; compreender a diferença entre famílias principais, metais de transição, lantanídeos e actinídeos; reconhecer alguns elementos presentes no cotidiano; perceber que elementos diferentes podem formar inúmeras substâncias; e distinguir elementos químicos de partículas subatômicas, como os quarks e os glúons.

Na perspectiva da Epistemologia do Brincar e Sustentabilidade, estudar a Tabela Periódica não precisa começar pela memorização dos 118 símbolos. Pode começar por uma pergunta fundamental:

De que é feito o mundo?

A partir dessa pergunta, a criança pode observar, comparar, investigar, formular hipóteses e descobrir que aquilo que parece infinitamente complexo também possui uma organização que a ciência consegue investigar, representar e compreender.