Reações Químicas: fenômeno, transformação e representação

Em nossa linguagem cotidiana, fenômeno significa acontecimento extraordinário, não corriqueiro. Dentro do campo científico, fenômeno assume significado oposto: cientistas trabalham cotidianamente com fenômenos ou transformações variadas. E mais: a forma de concebermos o fenômeno científico associa-se diretamente a nossa própria concepção de ciência.

Quando consideramos fenômeno tudo aquilo que acontece na natureza, associamo-nos a uma concepção filosófica que entende o processo de fazer ciência como observar fenômenos, constatar suas regularidades, elaborar experimentos capazes de reproduzi-los, formular hipóteses e concluir leis que descrevam esses fenômenos e/ou teorias que os expliquem. Dentro dessa concepção, denominada genericamente empírico-positivista, a objetividade do cientista é tão maior quanto menor for sua interferência sobre o objeto de estudo, ou seja, quanto maior for a separação sujeito — objeto.

Na ciência contemporânea, essa concepção se modifica radicalmente. Cientistas já não são meros contempladores da natureza, aqueles e aquelas que estudam os fenômenos dados pela natureza. Hoje em dia, cientistas constroem fenômenos que sequer existem naturalmente, transcendendo ao objeto dado. Isso é facilmente constatado na química: químicos produzem substâncias sintéticas com propriedades completamente novas, constroem moléculas com características apropriadas e determinados fins. Esse processo de construção se faz por uma dupla via, instrumental e teórica: há um instrumento mediado a relação do sujeito — objeto e uma teoria capaz de permitir a compreensão do fenômeno e do instrumento.

Analisaremos neste artigo como essa concepção de fenômeno é capaz de nos fazer repensar as tradicionais classificações dos fenômenos físicos e químicos, evidenciando suas limitações, bem como permitindo a melhor compreensão das reações químicas e das formas como as representamos e classificamos.

Alguns livros didáticos permanecem com uma classificação antiga, distinguindo os fenômenos em reversíveis (físicos) e irreversíveis (químicos). Isso porque os fenômenos físicos são considerados 'superficiais', transformações ligeiras, e os fenômenos químicos 'profundos', transformações mais definitivas.

Essa diferenciação mostra-se equivocada, porque a reversibilidade não é um critério científico de distinção dos diferentes fenômenos. Dobrar uma barra de ferro ou rasgar uma folha de papel, por exemplo, não são atos que impliquem a constituição de novas substâncias e tampouco são reversíveis. Por outro lado, a reação química:

tem sua reversão com a variação da temperatura facilmente observada, já que é endotérmica.

Outra forma que muitos livros didáticos utilizam para distinguir fenômenos físicos e químicos é a variação de propriedades macroscópicas das substâncias. Também aí podemos encontrar problemas. A vaporização da água e a dissolução de açúcar em água acarretam grandes diferenças nas propriedades macroscópicas e no entanto não costumamos classificar as mudanças de fase e as dissoluções como fenômenos químicos.

Se essas e outras formas de classificação se mostram equivocadas, porque nos predemos a elas? Deixamos de perceber que, mesmo do ponto de vista energético, os limites entre os fenômenos comumente classificados como físicos e químicos não são nada rígidos. Por exemplo, o processo de hidratação do sulfato de cobre, em que há passagem do branco ao azul intenso, é um fenômeno físico ou químico?

Além do mais, de maneira geral trabalhamos com processos tradicionalmente classificados tanto como químicos quanto como físicos, muitas vezes acontecendo conjuntamente. Na reação do hidróxido de sódio sólido com ácido clorídrico aquoso há dissolução, reação e hidratação de íons. Em outros processos também ocorrem, paralelamente, mudanças de fase.

Assim sendo, torna-se muito mais importante que os alunos compreendam a multiplicidade de fenômenos com que trabalhamos, sabendo reconhecê-los, descrevê-los e explicá-los com base em modelos científicos, ao invés de se prenderem a classificações mecânicas (o artigo apresentado na seção "Aluno em foco", neste número de Química Nova na Escola, apresenta outros argumentos que reforçam essa conclusão).

Com esses pressupostos, podemos compreender que na ciência contemporânea a reação química não é apenas o fenômeno químico que ocorre naturalmente, produzindo novas substâncias: é também um programa artificial de produção de novas substâncias. O químico pesquisa quais reações serão capazes de produzir substâncias com as propriedades desejadas. E o processo reacional só pode ser compreendido mais claramente se associamos as transformações das substâncias às transformações energéticas, de forma dinâmica, evitando a abordagem mecânica - mero jogo de armar que normalmente conferimos ao ensino das reações através de suas representações: as equações químicas.

A equação molecular tem sido ensinada a nossos alunos dos níveis fundamental e médio quase como uma profissão de fé: ela é a base para as usuais classificações das reações em síntese, análise, dupla troca e simples troca (ou deslocamento). Mas por que assim procedemos, se comumente trabalhamos com reações em solução aquosa?

Algumas pistas para responder a essa questão encontramos na origem histórica desse modelo. Em 1812, Berzelius apresenta uma concepção, influenciada pelo mecanicismo newtoniano que visa comparar a força da afinidade química com a força mecânica. Seu objetivo maior era um dia poder expressar as afinidades dos elementos nas substâncias tal como se expressavam forças mecânicas.

Berzelius desenvolve o sistema dualístico dos compostos químicos, tendo por base sua visão de afinidade e sua teoria eletroquímica. A ligação química é concebida como tendo natureza elétrica, e as substâncias são representadas por pares em que uma das partes é eletricamente positiva e a outro eletricamente negativa. Exemplo: Na₂SO₄ era o Na₂O.SO₃, cujas unidades podiam ser mais uma vez divididas em componentes eletropositivo e eletronegativo.

Com essa teoria, Berzelius explica claramente as reações de dupla troca

(AB + CD = AD + BC)

ou de deslocamento

(AB + C = CB + A),

nas quais a polaridade elétrica se encontra mais bem neutralizada nos produtos. Como ele estabelecera uma escala de eletropositividade¹ das substâncias, a partir de experimentos eletrolíticos, podia-se concluir logicamente quais reações deveriam ocorrer.

Hoje, quando utilizamos as equações químicas e suas respectivas classificações indistintamente para meio aquoso e não-aquoso, estamos simplesmente seguindo Berzelius, sem atentar para desenvolvimentos posteriores de química, como por exemplo a teoria da dissociação eletrolítica de Arrhenius e as teorias da ligação química.

Senão, vejamos: a reação de neutralização do NaOH pelo HCl é considerada de dupla troca, quando em solução aquosa deveria ser considerada como síntese da água, a partir do hidrônio² e hidroxila. Isso porque a solução aquosa de NaOH é uma solução contendo íons Na⁺ e OH^- dissociados e a solução aquosa de HCl é uma solução contendo íons H₃O⁺ e Cl^-. Assim sendo, a reação se da apenas entre hidrônio e hidroxila. Os íons Na⁺ e Cl^- permanecem dissociados.

Da mesma forma, a reação de deslocamento entre o Zn⁰ e CuSO₄ deveria ser considerada uma oxi-redução em solução aquosa, uma troca de elétrons entre o metal zinco e os íons Cu²⁺, formando Zn²⁺ e cobre metálico. Os íons sulfato não participam de reação, permanecendo dissociados.

Em resumo, não há 'trocas' ou 'deslocamentos' quando tratamos de íons dissociados em solução aquosa. E mesmo que no nível fundamental não trabalhemos com teorias de dissociação, perde o sentido nos preocuparmos com classificações que não têm utilidade nem na vida prática nem no campo científico.

Com isso, não apenas mantemos nossos alunos com um conhecimento obsoleto, mas dificultamos sua compreensão das espécies iônicas e dos processos de equilíbrio. Por exemplo, quando repetimos o grande erro de muitos livros didáticos ao expressarem equações como:

NaCN + H₂O → HCN + NaOH

Nesse caso, os livros didáticos levam alunos a pensar nesse processo como sendo uma possibilidade deformação do NaOH. A dissolução em água do cianeto (comumente conhecido como cianureto, veneno letal que origina o gás cianídrico, utilizado nas câmaras de gás para execução de condenados) expressa dessa forma desconsidera que este é a soma de dois processos com extensões diversas:

a dissolução do sal NaCN (tendendo a 100%)

NaCN (s) + H₂O (l) → Na⁺ (aq) + CN^– (aq)

e a protonação³ do cianeto pela água (extensão mínima)

CN^– (aq) + H₂O (l) → HCN (aq) + OH^– (aq)

Em face das discussões apresentadas acima, percebemos que precisamos nos preocupar menos com certos formalismos que enfatizam as classificações em detrimento do desenvolvimento dos conceitos.

Em seus primeiros contatos coma química, uma aluna ou um aluno precisa compreendê-la como o estudo das reações químicas, reações essas que definem as propriedades químicas das substâncias. É importante, não só para o entendimento da química mas também para a formação do pensamento científico de alunos e de alunas de maneira mais ampla, desenvolvermos a noção de propriedade como fruto de uma relação entre substâncias,como foi discutido no artigo “O mito da substância”, no primeiro número desta revista.

Para tanto, a conceituação de fenômeno, sem considerar classificações limitadas em fenômenos físicos e químicos, permite que encaremos a transformação no sentido mais amplo; não apenas natural, não apenas observável, mas produzida, programada, construída pela via experimental e teórica.

Talvez seja difícil mudar — é assim que fomos ensinados e é assim que pensamos até hoje, mas a clareza racional e a melhor aprendizagem de nossos alunos certamente compensarão as dificuldades iniciais.

1. Trata-se de um conceito que se diferencia de nossa atual concepção de eletropositividade. Para Berzelius, a eletropositividade era medida a partir de processos eletrolíticos, estando mais próxima do conceito que hoje temos para potencial de eletrodo. Para conhecer com mais detalhes essa escala de eletropositividade de Berzelius, bem como sua teoria eletroquímica, sugerimos a leitura do livro de Rheinboldt, citado na bibliografia.

2. O hidrônio é representado simplificadamente como H₃O⁺, mas o próton atrai mais moléculas de água, podendo formar o H₉O₄⁺.

3. Protonar significa receber o próton, o íon hidrogênio (H+), da água ou de outra espécie que atue como ácido de Bronsted-Löwry.