Lista de Exercícios 1 - Átomos e Ligações

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Exercícios Estrutura atômica e Ligações 
 
 
1) (a) O que é um isótopo? 
(b) Por que os pesos atômicos dos elementos não são números inteiros? Cite dois 
motivos. 
 
2) Diga qual a diferença que existe entre massa atômica e peso atômico. 
 
3) (a) Quantos gramas existem em 1 uma de um material? 
(b) Mol, no contexto deste livro, é considerado em ter mos de unidades de grama-mol. 
Nesta base, quantos átomos existem em uma libra-mol de uma substância? 
 
4) (a) Cite dois importantes conceitos quântico-mecânicos associados com o modelo 
atômico de Bohr. 
(b) Cite dois importantes refinamentos adicionais que resultaram do modelo atômico 
mecânico-ondulatório. 
 
5) Em relação aos elétrons e aos estados eletrônicos, o que cada um dos quatro números 
quânticos especifica? 
 
6) Os valores permitidos para os números quânticos dos elétrons são os seguintes: 
n = 1, 2 ,3 ,. .. 
l = 0, 1, 2, 3, (n – 1) 
ml, = 0, ±1, ±2, ±3 (±l) 
ms= ± 1/2 
 
As relações entre n e as designações da camada estão observadas na Tabela 2.1. Em relação às 
subcamadas, 
l = 0 corresponde a uma subcamada s 
l = 1 corresponde a uma subcamada p 
l = 2 corresponde a uma subcamada d 
l = 3 corresponde a uma subcamada f 
Para a camada K, os quatro números quânticos para cada um dos dois elétrons no orbital ls, 
em ordem de nlmlms, são 1.0.0.(1/2) e 1.0.0.(-1/2). Escreva os quatro números quânticos para 
todos os elétrons nas camadas L e M, e chame a atenção para quais correspondem às 
subcamadas s, p e d. 
 
7) Forneça as configurações eletrônicas para os seguintes íons: Fe2+, Fe3+, Cu+, Ba2+, Br- e S2-. 
 
8) O brometo de césio (CsBr) exibe ligação predominantemente iônica. Os íons Cs+ e Br- 
possuem estruturas eletrônicas que são idênticas a quais gases inertes? 
 
9) Em relação à configuração eletrônica, o que todos os elementos no Grupo VIIA da tabela 
periódica têm em comum? 
 
10) Sem consultar a Fig. 2.6 ou a Tabela 2.2, determine se cada uma das configurações 
eletrônicas dadas abaixo pertence a um gás inerte, a um halogênio, a um metal alcalino, a um 
metal alcalino-terroso ou a um metal de transição. Justifique as suas escolhas. 
(a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2. 
(b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6. 
(c) 1s2 2s2 2p5 
(d) 1s2 2s2 2p6 3s2. 
(e) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2. 
(f) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. 
 
11) (a) Qual subcamada eletrônica está sendo preenchida nos elementos da série das 
terras raras na tabela periódica? 
(b) Qual subcamada eletrônica está sendo preenchida na série dos actinídeos? 
 
12) Calcule a força de atração entre um íon K+ e um íon O2- cujos centros encontram-se 
separados por uma distância de 1,5 nm. 
 
13) A energia potencial líquida entre dois íons adjacentes, EL, pode ser representada pela soma 
das Eq. 2.8 e 2.9, isto é, 
 
 
 
Calcule a energia de ligação E0 em termos dos parâmetros A, B e n usando o seguinte 
procedimento: 
1. Obtenha a derivada de EL em relação a r, e então iguale a expressão resultante a zero, uma 
vez que a curva de EL em função de r apresenta um mínimo em E0. 
2. Resolva esta equação para r em termos de A, B e n, o que fornece r0, o espaçamento 
interiônico em condições de equilíbrio. 
3. Determine a expressão para E0 pela substituição de r0 na Eq. 2.11. 
 
14) Para um par iônico K+ - Cl-, as energias atrativa e repulsiva EA e ER, respectivamente, 
dependem da distância entre os íons r, de acordo com as expressões 
 1,436 
 
 
 
 
Para essas expressões, as energias estão expressas em elétrons volts por par K+ - Cl-, e r 
representa a distância entre os íons em nanômetros. A energia líquida EL é simplesmente a 
soma das duas expressões acima. 
 
(a) Superponha em um único gráfico EL, ER e EA em função de r, até uma distância de 1,0 nm. 
(b) Com base neste gráfico, determine (i) o espaçamento r0 entre os íons K+ e Cl- em condições 
de equilíbrio, e (ii) a magnitude da energia de ligação E0 entre os dois íons. 
(c) Determine matematicamente os valores de r0 e E0 usando as soluções para o Problema 2.13 
e compare esses resultados com os resultados gráficos obtidos para a parte b. 
 
15) Considere algum par iônico hipotético X+ - Y- para o qual os valores do espaçamento 
interiônico e da energia de ligação em condições de equilíbrio sejam de 0,35 nm e -6,13 eV, 
respectivamente. Se for de conhecimento que n na Eq. 2.11 possui um valor de 10, usando os 
resultados para o Problema 2.13 determine explicitamente expressões para as energias 
atrativa e repulsiva EA e ER, respectivamente, das Eq. 2.8 e 2.9. 
 
16) A energia potencial líquida EL entre dois íons adjacentes é algumas vezes representada pela 
expressão onde r representa a separação interiônica e C, D e p são constantes, cujos valores 
dependem do material específico. 
 
(2.12) 
 
(a) Desenvolva uma expressão para a energia de ligação E0 em termos da separação interiônica 
em condições de equilíbrio r0 e das constantes D e p, utilizando o seguinte procedimento: 
1. Obtenha a derivada de EL em relação à r, e então iguale à expressão resultante a zero. 
2. Resolva essa expressão para C em termos de D, p e r0. 
3. Determine a expressão para E0 por substituição de C na Eq. 2.12. 
 
(b) Desenvolva uma outra expressão para E0, desta vez em termos de r0, C e p, utilizando um 
procedimento análogo ao descrito para a parte a. 
 
17) (a) Cite sucintamente as principais diferenças entre as ligações iônica, covalente e 
metálica. 
(b) Diga o que é o princípio da exclusão de Pauli. 
 
18) Dê uma explicação para a razão pela qual os materiais ligados covalentemente são, em 
geral, menos densos do que aqueles ligados por meio de ligação iônica ou metálica. 
 
19) Calcule os percentuais de caráter iônico das ligações interatômicas nos seguintes 
compostos: TiO2, ZnTe, CsCl, InSb e MgCl2. 
 
20) Faça um gráfico da energia de ligação em função da temperatura de fusão para os metais 
listados na Tabela 2.3. Usando esse gráfico, obtenha uma estimativa aproxima da energia de 
ligação do cobre, que possui uma temperatura de fusão de 1084°C. 
 
21) Usando a configurações eletrônicas, determine o número de ligações covalentes que são 
possíveis para os átomos dos seguintes elementos: germânio, fósforo, selênio e cloro. 
 
22) Qual(is) tipo(s) de ligação seria(m) esperada(s) para cada um dos seguintes materiais: latão 
(uma liga de cobre e zinco), borracha, sulfeto de bário (BaS), xenônio sólido, bronze, náilon e 
fosfeto de alumínio (AlP)? 
 
23) Explique por que o fluoreto de hidrogênio (HF) possui uma temperatura de ebulição mais 
elevada do que o cloreto de hidrogênio (HCl) (19,4 contra - 85°C), apesar de o HF ter um peso 
molecular inferior. 
 
24) Com base na ligação de hidrogênio, explique o comportamento anormal da água quando 
ela se congela. Isto é, por que existe uma expansão do volume quando ela se solidifica? 
Ciências dos Materiais 
Lista 01 – Átomos e Ligações 
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Nome: Marcos Oliveira de Luna 
Lista 1 – Ciência dos Materiais 
1) a) São átomos cujos núcleos atômicos apresentam o mesmo número de prótons, mas diferem
no número de nêutrons. Assim, são distintos no número de massa. Um exemplo é o Carbono 12,
que está presente no diamante, grafite, grafeno, etc.
b) A massa atômica relatada em uma tabela periódica é a média ponderada de todos os isótopos 
de ocorrência natural. Sendo uma média, seria muito improvável que fosse um número inteiro.
A massa de um átomo individual em unidades de massa atômica é a massa relativa ao carbono-
12.
Massa atômica é a massa de um átomo. É definida como a soma de prótons e 
nêutrons, e seu número vão varia, pois a soma de prótons e nêutrons é constante. O peso 
atômico é uma média ponderada da massa de todos os átomos de um elemento, com base na 
abundância de isótopos.
3) a) 1 u.m.a. ou unidade de massa atômica, é a massa comparada a 1/12 da massa de um átomo
de carbono 12. Seu valor equivale à 1/NA, sendo NA o número de Avogadro.Assim, g/amu =
1,66x10-24g.
b) Uma libra equivale a 453,6g. Assim, haverá 2,732*1026mol.
4) a) Os elétrons estão deslocalizados em camadas eletrônicas. Além disso, os elétrons apresentam
energias quantizadas.
b) A posição do elétron é descrita conforme uma distribuição de probabilidade. Além disso, o
conjunto e subconjunto das camadas de elétrons são separadas em níveis de energias
quantizadas.
5) O número quântico n diz respeito à camada eletrônica. O número quântico l se refere à
subcamada. O ml designa o número de estados de elétrons em cada subcamada de elétrons. O
ms designa o spin do elétron.
6) Para o estado L, n = 2, oito estados de elétrons são possíveis. Os valores de l possíveis são 0 e 1,
enquanto os valores de ml possíveis são 0 e ± 1; e os possíveis valores de ms são ± 1/2. Portanto,
para os estados s, os números quânticos são 200(1/2) e 200(-1/2). Para os p estados, os números
quânticos são 210(1/2), 210(-1/2), 211(1/2), 211(-1/2), 21-1(1/2) e 21-1(-1/2).
Para o estado M, n=3, dezoito estados de elétrons são possíveis. Os valores l possíveis são 0, 1 e
2. Os valores de ml possíveis são 0 e ±2; e os possíveis valores ms são ±1/2. Portanto, para os
estados s, os números quânticos são 300(1/2) e 300(-1/2). Para os estados p, os números
quânticos são 310(1/2), 310(-1/2), 311(1/2), 311(-1/2), 31-1(1/2) e 31-1(-1/2).
7) Fe2+: 1s22s22p63s23p63d6
Fe3+: 1s22s22p63s23p63d5
Cu+: 1s22s22p63s23p63d10
Ba2+: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6
Br-: 1s22s22p63s23p63d104s24p6
S2-: 1s22s22p63s23p6
8) O íon Cs+ é apenas um átomo de césio que perdeu um elétron; portanto, ele tem uma
configuração de elétron igual ao criptônio (Kr). O íon Br- é um átomo de bromo que adquiriu um
elétron extra; portanto, tem uma configuração eletrônica igual ao xenônio (Xe).
9) Cada um dos elementos do Grupo VIIA possui cinco elétrons p.
2)
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10) a) Por apresentar elétrons incompletos na camada d, trata-se de um metal de transição.
b) Por apresentar 8 elétrons na sua camada de valência, a configuração eletrônica diz respeito 
à um gás nobre.
c) Configuração eletrônica de um halogênio, pois sua camada 3 contém 7 elétrons.
d) Apresenta 2 elétrons na camada de valência, logo, se trata de um metal alcalino-terroso.
e) Por apresentar elétrons incompletos na camada d, trata-se de um metal de transição.
f) Apresenta 1 elétron na camada de valência, logo, se trata de um metal alcalino.
11) a) A subcamada 4f está sendo preenchida para a série de elementos de terras raras.
b) A subcamada 5f está sendo preenchida para a série de elementos de actinídeos.
12) Sabendo que a valência dos íons K+:e O2-são, respectivamente, +1 e -2: (Z1 = 1 e Z2 = 2)
13) 
14) a)
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b) r0 = 0,28mm e E0 = -4,6 eV 
c) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16) a) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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b) 
 
 
 
 
 
 
 
 
17) a) Iônico - há atração eletrostática entre íons com cargas opostas. 
Covalente - há compartilhamento de elétrons entre dois átomos adjacentes, de modo que cada 
átomo assume uma configuração de elétrons estável. 
Metálico - os núcleos de íons carregados positivamente são protegidos um do outro e também 
"colados" juntos pelo mar de elétrons de valência. 
b) O princípio de exclusão de Pauli afirma que cada estado do elétron pode conter no máximo 
dois elétrons, que devem ter spins opostos. 
18) Os materiais covalentemente ligados são menos densos do que os metálicos ou ionicamente 
ligados porque as ligações covalentes são direcionais por natureza, enquanto as metálicas e 
iônicas não são; quando as ligações são direcionais, os átomos não podem se compactar de 
maneira densa, produzindo uma densidade de massa menor do que os sólidos com ligações não 
direcionais. 
19) 
 
 
 
 
 
 
 
Dados: 
A.L. Allred, J. Inorg. Nucl. Chem., 1961, 17, 215. 
J.E. Huheey, E.A. Keiter, and R.L. Keiter in Inorganic Chemistry: Principles of Structure and 
Reactivity, 4th edition, HarperCollins, New York, USA, 1993. 
 
 
 
 
 
 
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20) 
 Para T= 1084°C -> E0 = 345,556 kJ/mol = 3,58 eV. 
21) Germânio: Apresenta 4 elétrons na camada de valência. Logo, pode realizar 4 ligações 
covalentes por átomo. 
Fósforo: Apresenta 5 elétrons na camada de valência. Logo, pode realizar 3 ligações covalentes 
por átomo. 
Selênio: Apresenta 6 elétrons na camada de valência. Logo, pode realizar 2 ligações covalentes 
por átomo. 
Cloro: Apresenta 7 elétrons na camada de valência. Logo, pode realizar 1 ligações covalentes 
por átomo. 
22) Respectivamente: metálica, covalente, iônica, van der Waals, metálica, covalente, covalente. 
23) A interação intermolecular que ocorre no composto HF é do tipo ligação de hidrogênio, 
enquanto para o HCl, é do tipo van der Waals. Como a ligação de hidrogênio é mais forte do 
que van der Waals, HF terá uma temperatura de fusão mais alta. 
24) Esse comportamento incomum tem sua origem na estrutura da molécula de água. Existe uma 
forte tendência de formar uma rede de ligações de hidrogênio, onde cada átomo de hidrogênio 
está em uma linha entre dois átomos de oxigênio. Essa tendência de ligações de hidrogênio fica 
mais forte à medida que a temperatura diminui (porque há menos energia térmica para sacudir 
as ligações de hidrogênio fora de posição). A estrutura do gelo é completamente ligada por 
hidrogênio, e essas ligações forçam a estrutura cristalina a ser muito "aberta". 
y = 0,219x + 108,16
R² = 0,9743
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
En
er
gi
a 
de
 L
ig
aç
ão
 (k
J/
m
ol
)
Temperatura de Fusão (°C)
E0 versus Tfusão