Por que a água é mole e a pedra é dura

Não é incomum que crianças nos façam perguntas simples, mas embaraçosas porque não sabemos a resposta. Não pelo menos com a segurança necessária para dar uma resposta sem usar linguagem científica. Algo como “onde acaba o oceano?” Outras dessas possíveis perguntas são sobre características das coisas, como a pergunta implícita no título desta coluna. Explicar por que existem líquidos e sólidos, e mesmo definir o que é mole, não é tarefa fácil.

Iniciemos por lembrar que tudo é feito de átomos, existindo mais de 100 átomos diferentes. São os chamados elementos químicos, como o carbono (de símbolo C), hidrogênio (H), oxigênio (O), ferro (Fe), etc. Átomos de um mesmo elemento podem se juntar para formar um gás, líquido ou sólido (como os metais). Diferentes átomos podem ser combinados em moléculas, que constituem matéria nos seus estados líquido, sólido e gasoso.

A formação da matéria depende da interação entre os átomos, cuja afinidade é definida pelos elétrons externos de cada átomo. Lembrando que um átomo é constituído de um núcleo, bastante pequeno e com carga elétrica positiva, rodeado por uma nuvem de elétrons carregados negativamente. Pode-se exemplificar com casos extremos. Por exemplo, os gases nobres são formados por átomos que não interagem entre si, e nem com qualquer outro tipo de átomo. Não reagem, não se misturam, e por isso foram chamados de “nobres”. Elementos como o hélio ou neônio existem quase sempre na forma de gás, a não ser que sejam colocados a uma temperatura extremamente baixa. O hélio se torna líquido à temperatura espetacularmente baixa de -269°C. Outro caso extremo é o de metais e semicondutores como o silício. A interação entre os átomos de um mesmo elemento é forte, e complementar de tal maneira que se formam sólidos cristalinos, ou seja, com os átomos dispostos em arranjos regulares.

Neste ponto é importante ressaltar os vários tipos de forças de interação entre átomos. A mais forte delas é a chamada ligação covalente, e diz-se que os átomos estão ligados quimicamente. É o caso da ligação entre átomos de silício. O nome covalente foi dado porque elétrons de átomos diferentes são compartilhados. Há também as forças iônicas em que um átomo praticamente cede carga elétrica a outro, como no sal de cozinha NaCl, em que o sódio (Na) cede um elétron ao cloro (Cl). As iônicas são interações fortes, mas não tanto quanto as covalentes. São consideradas moléculas as estruturas com átomos ligados covalentemente. Já as interações entre moléculas são mais fracas. Podem ser ligações de hidrogênio, como na água (H2O) em que há afinidade entre os hidrogênios de uma molécula de água pelo oxigênio da outra. Ou interações ainda mais fracas, como as chamadas forças de van der Waals. Apesar de mais fracas, essas forças são muito importantes para a matéria mole, como discutirei em outra coluna.

Voltemos à água e à pedra. Moléculas pequenas como a água quase sempre estão na forma gasosa à temperatura ambiente, porque as interações entre elas não são suficientes para formar um líquido – e muito menos um sólido. A água é uma exceção devido às ligações de hidrogênio. Obviamente que em altas temperaturas a água fica no estado gasoso (vapor), e abaixo de 0°C forma-se gelo. Com relação às pedras, elas podem ser de muitos tipos diferentes. São sólidas e duras porque formam estruturas cristalinas, como o quartzo que tem a repetição de arranjos de átomos de silício e oxigênio (SiO2) ligados covalentemente.

Depois de tantas explicações, confesso que a resposta à pergunta original não foi tão boa, porque indireta. Muitos fatores afetam as propriedades das substâncias, e perguntas simples podem requerer respostas complicadas. Dar respostas diretas é mais difícil que se imagina. Tomemos o caso do grafite e diamante. São obviamente coisas muito diferentes, e em muitos aspectos, a começar pelo valor comercial. Mas será que são tão diferentes? Ora, ambas são feitas inteiramente de carbono. A única diferença é que formam estruturas cristalinas diferentes. Entender como um pequeno detalhe tem tanto efeito prático é uma das maravilhas do aprendizado da estrutura da matéria.