O que é um elemento?

Como vão os conceitos químicos, não se obtém muito mais fundamental do que o elemento. É uma das primeiras idéias que o estudante de química encontra, muitas vezes na tabulação icônica destes ingredientes básicos da natureza que Dmitri Mendeleev descreveu pela primeira vez há 150 anos e que está sendo celebrada este ano. E ainda assim ninguém pode dizer o que é um elemento. A questão foi debatida com muito vigor e paixão ocasional durante uma reunião da Sociedade Internacional de Filosofia da Química em Bristol, em julho de 2018 – mas ainda sem produzir qualquer consenso.

Isso não é surpresa. Algumas das melhores mentes da química, incluindo Antoine Lavoisier, o próprio Mendeleev e o pioneiro da química nuclear Frederick Soddy, lutaram com ela, mas ainda assim uma definição concisa e abrangente permanece indefinida. E alguns dos participantes da reunião implicaram que isto poderia ser para o melhor.

Para outros, é uma indicação de que a química tem algum pensamento filosófico sério a fazer. A química não se entende como uma disciplina’, diz o filósofo Farzad Mahootian, da Universidade de Nova York, nos EUA. Não é apenas a definição de um elemento; conceitos como moléculas, laços, e até mesmo o caráter da própria tabela periódica, permanecem difusos: enganosamente familiares do uso regular pelos praticantes, mas sem qualquer significado que todos concordem. Há uma necessidade de reflexão filosófica sobre aspectos da química que tendemos a ensinar de uma forma bastante mecânica’, diz Eric Scerri da Universidade da Califórnia Los Angeles nos EUA, editor da revista de filosofia da ciência Foundations of Chemistry.

Parece razoável esperar que a química forneça uma definição inequívoca

O significado de um ‘elemento’ é um tópico favorito para discussão entre os químicos fora de serviço. Nós concordamos (certo?) que o hidrogênio é um elemento – mas o que queremos dizer com isso? O hidrogénio molecular gasoso é um elemento? Ou o átomo isolado de hidrogênio? Ou estamos a referir-nos não a alguma substância real, mas a uma noção ‘transcendental’ de hidrogénio do qual os átomos e moléculas reais são apenas representantes materiais?

Alguns poderiam dizer: quem se importa? Nós sabemos o que queremos dizer na prática. Se eu disser ‘Enxofre é um elemento que forma um sólido amarelo com um odor pungente’, não espero objeções. Da mesma forma, se eu disser ‘Enxofre é o segundo elemento do grupo 16 da tabela periódica’. Mas estas são duas coisas bastante diferentes.

De acordo com o químico teórico Eugen Schwarz da Universidade de Siegen, na Alemanha, a atitude típica é dizer ‘Eu sei que falar de elementos não é realmente correto, mas todos o fazem, e os alunos acabarão descobrindo’. Mas ‘meu sentimento pessoal como químico é que não se deve adotar este hábito’, acrescenta.

Elena Ghibaudi da Universidade de Turim, na Itália, preocupa-se que esta falha na definição de um elemento levante precisamente problemas de compreensão, comunicação e confiança no ensino. Quando dois especialistas em química estão discutindo elementos, eles são capazes de distinguir o significado do contexto, mas isso não é assim na sala de aula’, diz ela.

Poderia haver problemas para a compreensão pública da química também. Schwarz aponta como, porque alguns elementos tornam-se associados a substâncias tóxicas – gás cloro, por exemplo, ou enxofre no dióxido de enxofre liberado pela queima de carvão e petróleo – o próprio elemento pode se tornar considerado inerentemente tóxico, e vulnerável a proibições de analfabetos químicos. Não sei como deixar claro ao público que apenas alguns compostos de um determinado elemento são tóxicos, e mesmo que apenas acima de alguma concentração em particular, enquanto muito pouco desse mesmo elemento pode até causar problemas de saúde’, diz ele.

‘A noção de um elemento é central para a química e serve uma série de propósitos’, diz Ghibaudi. Por exemplo, ele identifica o que permanece inalterado em um sistema passando por uma transformação química, e distingue entre mudanças químicas e nucleares. Portanto, parece razoável esperar que a química forneça uma definição inequívoca’. Pode, no entanto?

Terra, vento e fogo?

Como a ideia de átomos, os elementos sofrem em vez de beneficiarem de uma ilusão de continuidade numa longa tradição de pensamento. A história popular diz que os antigos gregos pensavam que havia apenas quatro elementos – terra, ar, fogo e água – mas que por volta do século XVIII começamos a apreciar que existem bastante mais do que quatro, e que nenhum corresponde a esses elementos antigos. A verdade é mais complexa. Por um lado, os quatro elementos atribuídos a Empedocles e consagrados na filosofia de Aristóteles não eram de forma alguma o único esquema para os blocos básicos de construção da matéria no pensamento grego. E antes da era dourada da química durante o Iluminismo tardio, os sistemas de ‘elementos’ eram bastante nebulosos. O médico suíço Paracelsus do século XVI propôs três ‘princípios’ fundamentais: enxofre, sal e mercúrio, enquanto vários outros esquemas (incluindo elementos fictícios como o phlogiston) gozavam de apoio temporário.

Pode cada isótopo ocupar o seu próprio lugar na tabela periódica?

Besides, estas não eram necessariamente alternativas concorrentes. A ideia de um elemento, como a de um átomo, tinha uma conotação bastante variada e não significava necessariamente um tipo primário de matéria. Os três princípios de Paracelsus, por exemplo, eram vistos mais como propriedades do que ingredientes: enxofre representando combustibilidade, solidez salina e fluidez de mercúrio.

Robert Boyle é justamente celebrado por trazer alguma clareza ao conceito quando, em seu livro The Sceptical Chymist de 1665, ele propôs que um elemento era uma substância que não poderia ser reduzida (“analisada”) a algo mais simples. Mas a definição de Boyle só nos diz quando temos um elemento, e não o que é um elemento e o que nos distingue uns dos outros. E é altamente provisório, refém das suas capacidades analíticas. Como você poderia ter certeza de que tinha um elemento e não apenas um composto que ainda ninguém tinha encontrado uma maneira de se dividir em seus ingredientes? De facto não podia, e é por isso que os óxidos difíceis de dividir, como a alumina e a sílica, aparecem como elementos nas listas do século XVIII, como a influente Traité Élémentaire de Chimie 1789 de Antoine Lavoisier. Lavoisier seguiu Boyle ao afirmar que um elemento representa a fase final da análise.

John Dalton trouxe algo mais fundamental à definição de Lavoisier quando afirmou em 1808 que as propriedades específicas dos elementos derivam das dos seus átomos constituintes, visualizados como partículas minúsculas, duras e esféricas. Na época de Mendeleev, em meados desse século, reconheceu-se que elementos diferentes têm pesos atómicos diferentes, e na elaboração da sua tabela periódica Mendeleev utilizou uma ordenação dos elementos com base no seu peso atómico. (Ele próprio usou o termo ‘peso elementar’, já que não acreditava em átomos)

As descobertas de radioquímicos como Soddy, e físicos como Ernest Rutherford e Henry Moseley, trouxeram o entendimento nos anos 20 de que a propriedade mais fundamental dos átomos de um elemento é o seu número atómico Z – a contagem de protões dos seus núcleos – que é o mesmo para todos os átomos de um dado elemento. Francis Aston descobriu isótopos em 1922, que têm o mesmo número Z mas massa atómica diferente. Mas se Z difere para dois átomos, eles são elementos diferentes.

O que queremos dizer com ‘carbono’? Diamante, um átomo com Z = 6 ou C60

No início, porém, os isótopos atiraram um gato para o meio dos pombos. A sua descoberta foi um desafio para a definição de um elemento”, diz Ghibaudi. Houve um debate animado sobre o conceito do elemento químico entre químicos e físicos. A questão era se cada isótopo devia ou não ocupar o seu próprio lugar na tabela periódica’. Em 1923 um comitê internacional concordou em basear a identificação do elemento químico no número atômico ao invés do peso atômico.

Isso, pode-se pensar, poderia ter sido o fim da questão: os elementos são definidos por Z. O problema é que não é bem assim que os químicos usam a palavra. Em um artigo seminal sobre a definição de elementos em 1932, o químico alemão Friedrich Paneth admitiu duas definições diferentes, que ele chamou de Einfacher Stoff – tipicamente traduzido como ‘substância simples’ – e Grundstoff, ou ‘substância primária/básica’. A primeira refere-se à noção de Lavoisier de coisas reais, físicas que não podem ser reduzidas por métodos químicos a ingredientes mais básicos, a segunda a uma noção abstrata: ‘oxigênio’, digamos, como um tipo de átomo com Z = 8,

Ghibaudi duvida que tenhamos ultrapassado o dualismo de Paneth mesmo agora. Iupac atualmente dá uma dupla definição de ‘elemento’ em seu ‘Livro de Ouro’ de terminologia química, que diz que a palavra pode se referir tanto a uma ‘espécie de átomo’ (que Ghibaudi vê como semelhante à ‘substância básica’ de Paneth) ou, melhor dizendo, tautologicamente, a uma ‘substância elementar pura’.

Este duplo significado é desconfortável. Procure ‘oxigênio’ em um site de elementos, e é provável que você seja informado que ele tem Z = 8, e talvez uma configuração eletrônica particular e posição na tabela periódica – mas também que é uma substância altamente reativa com a fórmula O2 e um ponto de ebulição de -183°C. De acordo com o químico Mark Leach, que dirige o site de recursos de química meta-synthesis.com, esta é uma confusão desleixada de dois tipos de dados bastante diferentes: um referente à ‘substância básica’ de Paneth (um ideal abstrato), o outro à sua ‘substância simples’ (uma substância real). Certamente isso não pode ser bom?

O que é mais, diz Leach, toda a nossa noção de tabela periódica mistura os dois de forma embaraçosa. Podemos imaginar que é uma tabulação de ‘substâncias básicas’ – que é mais ou menos como Mendeleev a viu. Mas toda a noção de periodicidade se refere às propriedades químicas reais do material real: a valência dos compostos químicos, propriedades como a energia de ionização, carácter metálico e assim por diante. Se a substância básica tem apenas a propriedade Z, existe apenas uma lista simples’, diz Lixivia. De onde vem então a estrutura da tabela periódica?’

algumas edições populares da tabela periódica até mostram fotos das formas materiais ‘simples’ dos elementos: diamante ou grafite para carbono, e assim por diante. Portanto, é um mash-up confuso – e talvez tenha de ser. Você precisa de um compromisso criterioso de ambas as propriedades básicas e simples para construí-lo’, diz Scerri.

Esta não é uma questão trivial. Argumentos ainda se enfurecem, por exemplo, sobre se os elementos abaixo do ítrio no grupo 3 devem ser lantânio e actínio, ou lutetium e lawrencium. A disputa se resume a se você acha que a tabela deve refletir características ‘fundamentais’ como configuração eletrônica, ou características observáveis como comportamento químico. Esses argumentos tornam-se ainda mais ambíguos quando os efeitos relativistas (devido às altíssimas velocidades dos elétrons de concha interna) começam a jogar com a periodicidade química entre os elementos superpesados de origem humana.

Esta está ficando pesada

Essa não é a única complicação que os super-pesados introduzem. A confusão sobre se um elemento é ‘material’ ou ‘conceito’ deriva do fato de que, no passado, eles foram ambos. Mas será que um novo elemento tem realmente a mesma pretensão à realidade quando existe apenas como um punhado de átomos que são estáveis por menos de um segundo, como é o caso de alguns dos elementos artificiais mais recentes, como o tennessine? Se os elementos são parcialmente definidos pelas suas propriedades químicas, onde é que isso deixa elementos que não existem o tempo suficiente para se envolverem em qualquer interacção química significativa, e que em qualquer caso são feitos apenas como iões altamente carregados que nunca adquirem um complemento completo de electrões? “Em que sentido são elementos se duram apenas um milissegundo ou dois?” pergunta Scerri. Eu acho que nunca vamos conseguir colocá-los em garrafas.’

Em que sentido são elementos se duram apenas um milissegundo ou dois?

A radioquímica sempre se sentou um pouco desconfortável dentro do estábulo da química. Uma forma comum de pensar sobre os elementos químicos é como as ‘quantidades conservadas’ da química. Assim como a massa e a energia nunca são destruídas na física (embora, claro, possam ser interconvertidas), também a regra fundamental de conservação da química é que os elementos persistem: nunca se sai de uma reação com menos carbono do que se começou. Mas na radioquímica, onde um elemento pode se decompor em outro, você sim. Se isso torna a radioquímica parte da química tem sido disputada desde os seus primórdios, quando os comités de física e química do Nobel competiam por quem deveria atribuir prémios a pessoas como os Curies e Rutherford (ambos agora ‘reivindicados’ pela química nos nomes dos elementos).

Que a guerra do território nunca terminou, como testemunham as últimas brigas entre as Uniões Internacionais de Física Pura e Aplicada e Química (Iupap e Iupac) sobre quem deveria pronunciar-se sobre a confirmação de novos elementos. Os físicos dizem que só eles têm conhecimentos suficientes para julgar as afirmações feitas a partir de experiências de esmagamento de átomos com aceleradores de partículas. Mas os químicos não estão felizes em deixar outro grupo determinar o que vai em seu ícone mais precioso, a tabela periódica.

Quem faz o julgamento, esses novos elementos não são coisas que você pode segurar em sua mão. Eles destacam a nova relevância das escalas de tempo. É provável que qualquer fusão de núcleos que dure mais do que o tempo típico de dispersão nuclear, cerca de 10-10 s, poderia qualificar-se como a formação de outro elemento. Mas será que uma união medida em nanossegundos realmente justifica isso, ou é apenas uma espécie de ressonância? É por isso que, diz Schwarz, “quando falamos de elementos, devemos falar também de escalas de tempo”. Ele se pergunta se um ‘elemento’ deve ser pelo menos uma entidade capaz, em princípio, de formar moléculas. A química é um ofício e uma ciência de materiais reais’, acrescenta ele – mas ‘para os físicos, um núcleo é um elemento’. Iupac, entretanto, anunciou recentemente novos critérios para a descoberta de elementos superpesados que afirmam o tempo de existência para qualificar o status de elemento para ser apenas
10-14s.

A coisa em si mesma

O problema dos elementos mostra que, como diz Scerri, a química precisa de filosofia. A questão do “elemento químico”, como algumas outras questões da química, como as noções de substância e estrutura, levanta questões filosóficas e, portanto, não pode ser resolvida sem confiar em idéias da filosofia”, diz Ghibaudi. Em alguns aspectos, a questão remonta a Platão, cuja noção de formas intangíveis ‘ideais’ sustentava sua visão de entidades físicas reais. A ‘substância básica’ abstrata de Paneth também é por vezes discutida em termos da noção de Immanuel Kant do Ding an sich – a ‘coisa em si’, ou o aspecto fundamental da realidade fora do alcance dos nossos sentidos (falíveis).

A definição ‘básica’ de um elemento contém todas as características ‘simples’ dentro dele?

Mas se é uma questão filosófica que não pode ser resolvida pelo empirismo, talvez tenhamos apenas que fazer uma escolha entre a ‘substância básica’ de Paneth e a ‘substância simples’ como a definição de um elemento? Alguns pesquisadores acham que sim. Scerri, entretanto, sugere que a natureza de um elemento não é meramente dupla, mas tripla: o que importa sobre a substância de um elemento não são apenas as propriedades da matéria prima, mas as propriedades de seus compostos. Afinal, é uma das maravilhas permanentes da química que, no cloreto de sódio, não restam vestígios do metal cinza reativo e do gás verde venenoso.

Introduzir uma nomenclatura distinta para as definições ‘simples’ e ‘básicas’, de modo que as moléculas de dihidrogênio não sejam mais consideradas como ‘o elemento hidrogênio’, exigiria uma reforma da linguagem química profundamente enraizada. Mas Sarah Hijmans da Université Paris-Diderot, em França, questiona se precisamos de ir tão longe. Talvez, sugere ela, possamos considerar a palavra “elemento” como um elemento informado por ambas as definições. Ela diz que no tempo de Lavoisier não havia outra opção a não ser ir para a definição analítica, porque nós não entendemos quase nada sobre o que distingue os elementos no nível fundamental. Gradualmente, o equilíbrio tem se inclinado mais para uma definição ‘fundamental’ em termos de Z. Mas claramente o ponto de vista empírico, ‘químico’ ainda tem valor, como ilustra a tabela periódica.

Talvez a questão seja se os dois estão de fato em conflito. Em certo sentido, não há nada de terrivelmente significativo para os químicos sobre Z, uma vez que o núcleo desempenha quase nenhum papel direto no comportamento químico. O número de prótons é apenas um proxy para o que importa à química: o número de elétrons, assim como sua configuração e energias.

Mas aqueles, dado um Z em particular, são pré-determinados pelas regras da mecânica quântica. Elas podem ser predeterminadas. E a partir dessa informação, por sua vez, podemos, em princípio, prever muitos comportamentos químicos, tais como os tipos de compostos que o elemento irá formar. Podemos até prever as propriedades físicas de alguns elementos: formas alotrópicas, pontos de fusão e assim por diante. Assim como a definição ‘básica’ de um elemento contém todas as características ‘simples’ dentro dele, para ser revelada à medida que nossas habilidades computacionais melhoram?

Talvez, porém, tenhamos que aceitar que uma certa indefinição sempre envolverá a noção de um elemento. E talvez isso não seja tão ruim assim. Os químicos, afinal, estão habituados a isso – como salientou o Prémio Nobel Roald Hoffmann, estão sempre a utilizar conceitos que não têm uma definição única e precisa, como a electronegatividade e o raio iónico, sem que isso diminua o seu valor para o campo. A indefinição desempenhou um papel útil no pensamento”, diz Mahootian. Talvez o que importa não seja a vagueza em si, argumenta ele, mas para ter certeza de que não é mero desleixo.

Então o que é então o carbono? A resposta, diz Schwarz, pode depender de com quem estamos a falar. Para diferentes públicos e diferentes propósitos poderia ser fuligem; poderia ser elemento seis, poderia ser uma mistura natural de isótopos ou um componente de metano. Elementar, realmente.

Philip Ball é um escritor de ciência baseado em Londres, Reino Unido