Estrutura atômica

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Estrutura atômica
Evolução dos modelos atômicos
Séc. IV a. C. - Demócrito e Leucipo = matéria é algo
pequeno que não consegue dividir (átomo)
Séc III a.C - Aristóteles propõe que a matéria seria
formada por quatro elementos: terra, água, fogo e ar.
Idade média - a idéia aristotélica é base para os
dogmas da Igreja Católica e fundamento das idéias
dos alquimistas.
Leis Ponderais da Química
Antoine Lavoisier (1774): Lei da Conservação das
Massas
Carbono + oxigênio -> gás carbônico
12g 32g 44g
“Na Natureza nada se perde, nada se cria, tudo se
transforma”
ou
Num sistema fechado, o somatório das massas dos
reagentes é igual ao somatório das massas dos
produtos.
Joseph Louis Proust (1797): Leis das Proporções
Constantes
Carbono + oxigênio -> gás carbônico
6g 16g 22g
12g 32g 44g
24g 64g 88g
É proporcional!
“A proporção, em massa, dos elementos que
participam da composição de uma substância é
sempre constante e independente do processo químico
pelo qual a substância é obtida”
ou
Substâncias simples reagem em proporções constantes
produzindo substâncias compostas.
John Dalton (1803): Lei das Proporções Múltiplas
(acontece em etapas)
Carbono + oxigênio -> gás carbônico (total)
12g 16g 28g
Carbono + oxigênio -> monóxido de carbono (parcial)
12g 8g 20g
Se é limitante -> parcial
“Na formação de dois ou mais compostos a partir dos
mesmo elementos, os pesos de um elemento que se
combinam com um peso fixo do segundo elemento
estão em uma razão de números pequenos e inteiros”
ou
Substâncias simples reagem em proporções múltiplas
para produzir diferentes substâncias compostas.
Como explicar as leis ponderais da Química?
A massa do oxigênio no gás carbônico é o dobro da
massa de oxigênio no monóxido de carbono ➪
apresenta o dobro do número de átomos de oxigênio.
O modelo Atômico de Dalton (1808)
(1) A matéria é constituída de partículas
indivisíveis, indestrutíveis e imutáveis,
chamadas átomos.
(2) Todos os átomos de um mesmo elemento
químico têm a mesma massa e se comportam
igualmente numa reação química.
(3) Uma reação química consiste no rearranjo dos
átomos.
Falhas no modelo de Dalton
● Como duas esferas rígidas se ligam uma a
outra?
● De onde provém a energia liberada em certas
reações químicas?
● O modelo não explica a natureza elétrica da
matéria.
1813 a 1834 - Michael Faraday estudou a relação
entre as quantidades de materiais em transformações
químicas e de eletricidade necessárias para realizar
essas transformações.
1855 - Heinrich Geissler
Tubo de Geissler - A aplicação de uma diferença de
potencial em um tubo de gases evacuado (gás a baixa
pressão) produz uma luminosidade.
1856 - William Crookes: descoberta dos raios
catódicos
Os raios catódicos são desviados por campos elétricos
ou magnéticos.
● Tubos de raios catódicos
1886 - Eugen Goldstein: descoberta dos raios canais
Os raios canais são desviados fracamente por campos
elétricos ou magnéticos.
● Tubos de raios anódicos ou
● Raios canais = parte eletromagnética que
ocorre fragmentação que os raios desviam
dependendo do campo.
1897 – J. J. Thomson: descoberta dos elétrons
Determinação da relação carga/raio das partículas que
constituem os raios catódicos:
e/m = -1,76 x 108 C/g elétrons
●
1917 – Robert Millikan
Experimento de Millikan: determinação da carga
elementar (e = -1,6 x 10-19C)
O Modelo Atômico de Thomson (1897)
O átomo é constituído de uma massa positiva, na qual
estão incrustadas pequenos corpúsculos negativos,
mais tarde denominadas elétrons, os quais estariam
em constante movimento.
Modelo do “pudim de passas”
O fenômeno da radioatividade
1895 – Wilhelm Röntgen: descoberta dos raios-X
● Tubos de raios-X
● Radiografia da mão da Sra. Rontgen
1896 – Antoine Becquerel: radioatividade do urânio
O casal Curie é responsável pela descoberta do rádio e
do polônio e foram os primeiros a usar o nome
radioatividade
● Chapa fotográfica impressionada pelos raios
emitidos por sais de urânio.
1898 – Ernest Rutherford: natureza da radioatividade
“O átomo tem espaços vazios. Há locais com alta
densidade (quando a luz bate volta por completo) =
núcleo. Há locais que há desvios = onde há os
elétrons”
Raios a (alfa) - são constituídos por partículas pesadas
e positivas
Raios B (beta) - são constituídas por partículas leves e
negativas (elétrons)
Raios y (gama) - são uma forma de radiação
eletromagnética, semelhante à luz e aos raios-X
1910 – Experimento de
Rutherford-Geiger-Marsden
Interpretando os resultados:
1. A matéria é descontínua, sendo constituída
por regiões que têm matéria (núcleos) e
regiões que não têm matéria.
2. Os núcleos devem ser muito pequenos, já que
a maioria das partículas atravessa a lâmina de
ouro.
3. Os núcleos são carregados positivamente,
pois repelem as partículas que passam muito
próximas.
O Modelo Atômico de Rutherford (1911)
1. O átomo é constituído de um núcleo pequeno,
onde está concentrada toda a massa do átomo.
2. O núcleo é formado por partículas positivas,
denominadas prótons (1914).
3. Cada elemento químico tem um determinado
número de prótons número atômico (Z)
4. Em torno do núcleo, em uma região muito
maior, denominada eletrosfera, encontram-se
os elétrons.
5. O número de prótons no núcleo é igual ao
número de elétrons na eletrosfera de um
átomo eletricamente neutro.
Falhas no modelo de Rutherford:
1. A massa do átomo é maior que a soma da
massa dos prótons.
2. Os prótons no núcleo devem ser fortemente
repelidos
3. Não explicava como os elétrons estavam na
eletrosfera do átomo. Partículas carregadas
eletricamente, quando aceleradas, emitem
energia na forma de radiação eletromagnética
➫ os elétrons seriam atraídos para o núcleo,
resultando no colapso da matéria.
Consequências do modelo de Rutherford:
● Os átomos de diferentes elementos químicos
são caracterizados pelo número de prótons no
núcleo ➫ número atômico (Z)
● A massa de um átomo é dada pelo número de
massa (A), que corresponde à soma do
número de prótons e do número de nêutrons.
● Átomos de um mesmo elemento químico
podem possuir diferentes números de
nêutrons e, portanto, diferentes números de
massa ➫ isótopos
EX: ¹H, ²H e ³H
¹²C, ¹³C, ¹⁴C
¹⁶O, ¹⁷O e ¹⁸O
● A massa atômica de um elemento químico é a
média ponderada das massas dos isótopos,
considerando-se suas abundâncias isotópicas.
Leis de Soddy-Fajans da Radioatividade:
1. Quando um átomo radioativo emite uma partícula
alfa, o número de massa (A) do átomo resultante
diminui em 4 unidades e o número atômico (Z) em 2
unidades.
2. Quando o átomo radioativo emite uma partícula
beta, o número de massa do átomo resultante não
varia e o seu número atômico aumenta em 1 unidade.
3. Quando um núcleo "excitado" emite uma radiação
gama não ocorre variação no seu número de massa e
número atômico, porém ocorre uma perda de uma
quantidade de energia "hv".
Entendendo melhor o núcleo atômico
- As partículas constitutivas dos núcleos
atômicos são chamadas de núcleons, que
podem ser prótons ou nêutrons.
- Prótons e nêutrons são partículas da classe
dos bárions, constituídas de outras partículas
sub-atômicas menores, denominadas quarks.
- Os quarks podem ser de seis tipos ou sabores:
up, down, charm, strange, top e bottom, dos
quais apenas os 2 primeiros são mais estáveis
por possuírem massa menor.
- O próton é constituído de dois quarks up e um
quark down, mantidos unidos pela força
nuclear forte, mediada por partículas
denominadas gluones.
- O nêutron é constituído de um quark up e dois
quarks down. Um nêutron pode se converter
em um próton através do decaimento beta, o
qual envolve a mudança de sabor de um quark
(força nuclear fraca).
Noções de Espectroscopia
Onda é uma perturbação oscilante de alguma
grandeza física no espaço e periódica no tempo
ocorre transferência de energia sem transporte de
massa.
● Comprimento de onda (λ): é a distância entre
dois picos (ou dois vales)consecutivos.
● Frequência (F): é o número de oscilações por
unidade de tempo.
● Velocidade (V):
V = λ.f
Movimento harmônico de onda: tem vales e picos e a
distância entre dois vales ou dois picos tem o cálculo
da frequência de onda
Movimento desarmonico:
Tipos de ondas:
- Mecânicas: dependem do meio material
para se propagar.
Ex.: som, ondas na superfície da água,
etc.
- Eletromagnéticas: se propagam no vácuo.
Ex.: luz (c = 3,0 x 108 m/s)
Qual a origem do espectro descontínuo dos
elementos?
Radiação do corpo negro (1900)
Quando um corpo denso é aquecido, emite luz
em “pacotes de energia”, chamados quanta
(plural de quantum).
E = h. v
Efeito fotoelétrico (1905)
É a emissão de elétrons por uma superfície metálica
quando esta é irradiada com luz de comprimento de
onda definido.
A energia é absorvida em “pacotes de energia” ou
quanta.
E = h . v - w
O modelo atômico de Bohr (1913)
O átomo de hidrogênio pode ser descrito como um
elétron em uma órbita circular em torno do núcleo.
Hipóteses de Bohr:
1. O elétron gira em torno do núcleo em órbitas
específicas;
2. Cada órbita corresponde a um estado
estacionário (não emite energia);
3. Para um elétron mudar de órbita, ele deve
absorver ou emitir energia, de acordo com a
equação: E = h. (4)
4. As órbitas permitidas são aquelas em que o
momento angular for um múltiplo inteiro de ħ
= h/2: mvr =nħ (5)
Falhas no Modelo de Bohr:
1. O modelo de Bohr só explica
satisfatoriamente o átomo de hidrogênio. Não
explica os átomos polieletrônicos.
2. A ideia de quantização foi forçada no modelo,
mas todos os cálculos se baseiam na
Mecânica Clássica.
3. O modelo de Bohr não explica a estrutura fina
e hiperfina do espectro de linhas dos
elementos.
Modelo de Bohr-Sommerfeld (1915)
Para explicar a estrutura fina do espectro dos
elementos, Sommerfeld propôs a existência de um
número quântico do momento angular,
correspondendo a diferentes subníveis de energia, ou
órbitas elípticas, de mesma energia que as órbitas
circulares de Bohr, exceto na presença de um campo
magnético externo.
Modelo atômico da Mecânica Quântica
- Princípio da dualidade onda-partícula (Louis de
Broglie, 1924)
Ondas podem se comportar como partículas e
partículas podem se comportar como ondas.
- Princípio da incerteza (Werner Heisenberg, 1927)
Quanto mais precisamente a posição de uma partícula
é determinada, menos precisamente seu momento é
conhecido num dado instante.
- Equação de Schrödinger (Erwin Schrödinger, 1926)
Em que:
H é o operador Hamiltoniano (H E = K + V)
é a função de onda do elétron
Aplicando a equação de Schrödinger ao átomo de
hidrogênio, obtêm-se diversas soluções possíveis.
Cada solução possível da equação de onda é
denominada orbital.
Princípio da Exclusão de Pauli
Rotação do elétron ➢ campo magnético
“Num átomo, não podem existir dois elétrons com os
quatro números quânticos iguais”. (Wolfgang Pauli,
1925)
Comportamento magnético das substâncias
Diamagnetismo: O momento de dipolo orbital cria um
campo oposto ao campo magnético externo, gerando
uma repulsão fraca ➫ elétrons emparelhados
Paramagnetismo: Os momentos de dipolo de spin se
alinham ao campo magnético externo, gerando uma
atração forte ➫ elétrons desemparelhados
Se os dipolos magnéticos estão interagindo
fortemente, o material pode ter comportamento
ferromagnético ou ferrimagnético.
● Ferromagnetismo é o ordenamento magnético
de todos os momentos magnéticos de uma
amostra, na mesma direção e sentido.
● Ferrimagnetismo é o ordenamento magnético
dos momentos magnéticos de uma amostra,
em uma mesma direção e em sentidos
opostos, de modo que a resultante magnética
seja não-nula.
● Antiferromagnetismo é o ordenamento
magnético de todos os momentos magnéticos
de uma amostra, na mesma direção mas em
sentido inverso, de modo que a resultante
magnética seja nula.
CADA ELEMENTO TEM SUA IMPRESSÃO
DIGITAL
ELEMENTOS MAIS PESADOS TEM MAIS RAIOS
O Princípio de Aufbau (ou da construção)
1) Os orbitais são preenchidos em ordem
crescente de n.
2) Dois elétrons com o mesmo spin não podem
ocupar o mesmo orbital (Princípio da
Exclusão de Pauli).
3) Para os orbitais degenerados, os elétrons
preenchem cada orbital isoladamente antes de
qualquer orbital receber um segundo elétron
(regra de Hund).
O Diagrama de Pauling
O diagrama de Pauling é um mnemônico que facilita
prever a ordem de energia crescente em que os
subníveis devem ser preenchidos.
CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA
O elétron como onda estacionária
- As vibrações em uma onda estacionária são
quantizadas. Cada modo vibracional
permitido é chamado de “harmônico”.
- Cada harmônico apresenta um nó adicional
em relação ao modo vibracional anterior.
- Cada modo de vibração tem uma energia
característica e, quanto maior for o valor de n,
maior será a energia da vibração.
As vibrações são quantizadas em:
- energia
- forma e orientação
Dois tipos de nós são observados:
- nós radiais
- nós angulares