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QUÍMICA I - Prof.ª Silvana CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS – PARTE I HISTÓRICO Até o final do século XVIII, apenas 33 elementos eram conhecidos. Entretanto, durante o século XIX, acompanhando o grande desenvolvimento tecnológico e industrial, o número de elementos descobertos aumentou consideravelmente. Esse ritmo obrigou os cientistas a imaginarem gráficos, tabelas ou classificações em que todos os elementos ficassem reunidos em grupos com propriedades semelhantes. Em 1817, o cientista alemão Johann Wolfgang Döbereiner agrupou alguns elementos em tríades, que eram grupos de três elementos com propriedades semelhantes. Por exemplo: Em 1862, o cientista francês Alexander de Chancourtois imaginou o agrupamento dos elementos químicos sobre um parafuso, na ordem de suas massas atômicas. Desse modo, ao passarmos por uma certa vertical, encontraremos elementos com propriedades semelhantes. Essa arrumação foi denominada parafuso telúrico de De Chancourtois. Em 1864, o cientista inglês John Newlands colocou os elementos químicos em ordem crescente de massas atômicas e verificou que as propriedades se repetiam a cada oito elementos, como as notas numa escala musical. Sendo Newlands também músico, essa regra passou a ser conhecida como lei das oitavas de Newlands. Em 1869, trabalhando independentemente, dois cientistas — Julius L. Meyer, na Alemanha (baseando-se principalmente em propriedades físicas), e Dimitri I. Mendeleiev, na Rússia (baseando- se principalmente em propriedades químicas) — propuseram tabelas semelhantes para a classificação dos elementos químicos. O trabalho de Mendeleiev foi, porém mais meticuloso: ele anotava as propriedades dos elementos químicos em cartões; pregava esses cartões na parede de seu laboratório; mudava as posições dos cartões até obter uma sequência de elementos em que se destacasse a semelhança das propriedades. Foi com esse quebra-cabeça que Mendeleiev chegou à primeira tabela periódica, verificando então que havia uma periodicidade das propriedades quando os elementos químicos eram colocados em ordem crescente de suas massas atômicas. Em uma de suas primeiras tabelas, Mendeleiev colocou os elementos químicos conhecidos (cerca de 60, na época) em 12 linhas horizontais, em ordem crescente de massas atômicas, tomando o cuidado de colocar na mesma vertical os elementos de propriedades químicas semelhantes. Surgiu, então, a seguinte tabela: Duas grandes ousadias de Mendeleiev provaram sua grande intuição científica: • Veja o final da linha (série) de número 7. Na sequência das massas atômicas, o I (127) deveria vir antes do Te (128). No entanto, Mendeleiev, desrespeitando seu próprio critério de ordenação, inverteu as posições de ambos, de modo que o I (127) viesse a ficar embaixo (na mesma coluna) dos elementos com propriedades semelhantes a ele — o Cl (35,5) e o Br (80). Para se justificar, Mendeleiev alegou que as medições das massas atômicas, na época, estavam erradas. Hoje sabemos que a ordem Te → I é a correta, como veremos adiante. • Outro grande tento de Mendeleiev foi deixar certas “casas” vazias na tabela; veja como exemplos: — na linha (série) número 4, Ca (40)→“casa” vazia → Ti (48), para que o Ti fique abaixo do C, com o qual se assemelha; — na linha (série) número 5, Zn (65) → “casa” vazia → “casa” vazia → As (75), para que o As fique abaixo do P, com o qual se assemelha. A justificativa de Mendeleiev foi de que no futuro seriam descobertos novos elementos que preencheriam esses lugares vazios. De fato, a História provou que ele estava certo: em 1875 foi descoberto o gálio (68); em 1879, o escândio (44); e em 1886, o germânio (72). Mendeleiev foi além: conseguiu prever com grande precisão as propriedades do escândio e do germânio alguns anos antes de esses elementos serem descobertos. Assim, por exemplo, temos para o germânio (Ge): Resumindo as conclusões de Mendeleyev, podemos dizer que ele estabeleceu a chamada lei da periodicidade: Muitas propriedades físicas e químicas dos elementos variam periodicamente na seqüência de suas massas atômicas. Assista ao vídeo abaixo: https://www.youtube.com/watch?v=S7wKs2IBKZo https://www.youtube.com/watch?v=S7wKs2IBKZo A CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA MODERNA Além de ser mais completa que a tabela de Mendeleiev, a Classificação Periódica moderna apresenta os elementos químicos dispostos em ordem crescente de números atômicos. De fato, em 1913, Henry Moseley estabeleceu o conceito de número atômico, verificando que esse valor caracterizava melhor um elemento químico do que sua massa atômica (assim desapareceram, inclusive, as “inversões” da tabela de Mendeleiev, como no caso do iodo e do telúrio). A partir daí a lei da periodicidade ganhou um novo enunciado: Muitas propriedades físicas e químicas dos elementos variam periodicamente na sequência de seus números atômicos. A apresentação atual da Classificação Periódica é a mostrada a seguir: Períodos As sete linhas horizontais, que aparecem na tabela, são denominadas períodos. Em cada período estão presentes os elementos que apresentam eletrosferas com o mesmo número de camadas eletrônicas preenchidas. É importante notar que: • No 6º período, a terceira “casa” contém 15 elementos (do lantânio ao lutécio), que por comodidade estão indicados numa linha fora e abaixo da tabela; começando com o lantânio, esses elementos formam a chamada série dos lantanídeos. • Analogamente, no 7º período, a terceira “casa” também contém 15 elementos químicos (do actínio até o laurêncio), que estão indicados na segunda linha fora e abaixo da tabela; começando com o actínio, eles formam a série dos actinídeos. Colunas, grupos ou família As dezoito linhas verticais que aparecem na tabela são denominadas colunas, grupos ou famílias de elementos. Cada família agrupa elementos que possuem propriedades semelhantes entre si. Devemos assinalar que algumas famílias têm nomes especiais, a saber: - 1 ou 1A: Metais alcalinos (do árabe alcali, “cinza de plantas”) - 2 ou 2A: Metais alcalino-terrosos (o termo “terroso” refere-se a “existir na terra”); - 16 ou 6A: Calcogênios (“formadores de cobre”, pois minérios de cobre contêm oxigênio ou enxofre); - 17 ou 7A: Halogênios (“formadores de sais”); - 18 ou zero ou 8A: Gases nobres (ou raros, ou inertes). Observação: o hidrogênio (H), embora apareça na coluna 1A, não é um metal alcalino. Aliás, o hidrogênio é tão diferente de todos os demais elementos químicos que, em algumas classificações, prefere-se colocá-lo fora da Tabela Periódica. Classificação dos Elementos Químicos As colunas A agrupam os elementos Representativos da Classificação Periódica. Em cada coluna A, a semelhança de propriedades químicas entre os elementos é máxima. Os elementos das colunas 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B, 1B e 2B constituem os chamados elementos de Transição. Note que, em particular, a coluna 8B é uma coluna tripla. Os elementos que estão nestas famílias são classificados como de Transição Externa e os que estão nas séries dos Lantanídeos e Actinídeos são classificados como de Transição Interna. Outra separação importante, existente na Classificação Periódica, é a que divide os elementos em metais, não-metais (ou ametais) e gases nobres, como podemos ver a seguir: Os metais são elementos sólidos (exceto o mercúrio), em geral duros, com brilho característico — denominado brilho metálico —, densos, de pontos de fusão e de ebulição altos, bons condutores de calor e de eletricidade, maleáveis (podem ser transformados em lâminas finas), dúcteis (podem ser transformados em fios finos) e que formam íons positivos (cátions). Os não-metais têm propriedades completamente opostas: formam substâncias simples que, ao contrário dos metais, não conduzem bem o calor nem a corrente elétrica (exceto o carbono na formade grafite); não são facilmente transformadas em lâminas ou em fios; e, geralmente, tendem a ganhar elétrons e formar ânions. Dos não-metais, alguns formam substâncias simples gasosas nas condições ambientes (hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, flúor e cloro), um forma substância simples líquida (bromo) e os demais formam substâncias simples sólidas. Os gases nobres, ou gases raros, têm propriedades parecidas com os não-metais, porém não tendem a ganhar ou perder elétrons e formar íons, sendo praticamente inertes. Acesse o site abaixo e conheça as características e aplicações dos elementos químicos (é só clicar nos quadradinhos de cada elemento): https://www.tabelaperiodica.org/ Em 1937 a tabela periódica tinha um aspecto bem próximo do atual, porém havia menos elementos químicos conhecidos. Os cientistas já haviam identificado e nomeado quase todos os elementos com números atômicos de 1 (hidrogênio) até 92 (urânio). Na tabela atual existem elementos naturais e elementos artificiais. Naturais são os que existem na natureza; ao contrário, os artificiais devem ser produzidos em laboratórios especializados. O urânio é o elemento natural de maior número atômico. Dos artificiais, dois estão situados, na Tabela Periódica, antes do urânio (U-92) e, por isso, são chamados de elementos cisurânicos, que são o tecnécio (Tc-43) e o promécio (Pm-61). Os outros artificiais vêm depois do urânio e são chamados de transurânicos. Nenhum deles é encontrado na natureza, tendo sido sintetizados (produzidos) em laboratórios. A última vez que novos elementos foram acrescentados à tabela foi no ano de 2016. São eles: 113Nh: Nihônio, homenageia o Japão, já que é uma variação do nome do país em japonês. 115Mc: Moscóvio, referência a Moscou. 117Ts: Tennesso, referência ao Tenesse, estado dos EUA. 118Og: Oganessônio, referência ao físico nuclear russo Yuri Oganessian. https://www.tabelaperiodica.org/ CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA E TABELA PERIÓDICA Usando o diagrama das diagonais (Diagrama de Pauling), pode-se distribuir os elétrons para os átomos neutros dos elementos da tabela periódica. À medida que aumenta o número atômico, verifica-se um comportamento periódico no modo como termina essa distribuição. Analisando o esquema abaixo, você pode perceber que a configuração eletrônica dos elementos do grupo 1 termina em s1, a dos elementos do grupo 2 termina em s2, a dos elementos do grupo 13 termina em p1, a dos elementos do grupo 14 termina em p2 e assim por diante (note, porém, que o hélio destoa dos outros gases nobres). Note que nesta Tabela há quatro regiões distintas de preenchimento dos subníveis eletrônicos: • na região azul, os elétrons entram em subníveis s; • na região verde, os elétrons entram em subníveis p; • na região amarela, os elétrons entram em subníveis d; • na região rosa, os elétrons entram em subníveis f. É muito importante notar que: • Os 7 períodos da Tabela Periódica correspondem às 7 camadas ou níveis eletrônicos dos átomos. Desse modo, exemplificando, o ferro (Fe-26) está no 4º período, e por isso já sabemos que seu átomo possui 4 camadas eletrônicas (K, L, M, N). • Nas colunas A, o número de elétrons na última camada eletrônica é igual ao próprio número da coluna. Por exemplo, o nitrogênio está na coluna 5A e, portanto, sua última camada eletrônica tem 5 elétrons (s2 p3). É por esse motivo que os elementos de uma mesma coluna A (Representativos) têm propriedades químicas muito semelhantes, o que justifica o fato de tais elementos (em azul ou em verde, na tabela anterior). • Nas colunas B, o número de elétrons na última camada permanece, em geral, igual a 2. Agora é a penúltima camada que vai recebendo os sucessivos elétrons, como acontece com os elementos de transição externa (parte amarela da tabela anterior); ou então é a antepenúltima camada, como acontece com os lantanídios e actinídios (parte rosa da tabela anterior), que por essa razão são chamados de elementos de transição interna. Devemos, porém avisar que, nas colunas B, aparecem algumas irregularidades na distribuição eletrônica dos elementos, cuja explicação foge ao objetivo do nosso curso. • Há um modo abreviado de representar a distribuição eletrônica de um elemento químico: seguindo a Tabela Periódica, escrevemos o símbolo do último gás nobre que aparece antes do elemento (isto é, do gás nobre do período “de cima”); em seguida, representamos apenas os elétrons que o elemento tiver a mais em relação a esse gás nobre. Nos exemplos seguintes, damos as distribuições eletrônicas dos dois primeiros elementos da coluna 4A (C e Si), primeiramente na forma completa e depois na forma abreviada. BOM ESTUDO! “A satisfação da própria curiosidade é uma das maiores fontes de felicidade na vida." Linus Pauling (1901-1994)