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Química Aplicada Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Profa. Ms. Luciana Borin de Oliveira Revisão Textual: Profa. Eliane Tavelli Alves Classificação Periódica dos Elementos 5 • Introdução • Distribuição Eletrônica e a Tabela Periódica • Regra do Octeto · Entender as propriedades periódicas e aperiódicas; · Avaliar as ligações químicas e a geometria molecular. Para um bom aproveitamento do curso, leia o material teórico atentamente antes de realizar as atividades. É importante também respeitar os prazos estabelecidos no cronograma. Classificação Periódica dos Elementos 6 Unidade: Classificação Periódica dos Elementos Contextualização Para iniciar esta unidade, a partir da ilustração abaixo, reflita sobre a classificação periódica de um elemento. Trata-se de uma representação do elemento Ferro extraída da Tabela Periódica. A figura aborda alguns números que são específicos de cada elemento. Número Atômico Distribuição Eletrônica Nome Símbolo Ferro 55,847 26 2 8 14 2Fe Massa Atômica Para Pensar Oriente sua reflexão pelas seguintes questões: Como diferenciar um elemento do outro? Quais são os critérios para montagem da Tabela Periódica? 7 Introdução Glossário Significado de átomo de acordo com o dicionário on-line de português: s.m. Fisioquímica. A menor partícula que compõe um elemento químico, composta pelo núcleo cujo interior está repleto de prótons e nêutrons, e por elétrons que estão ao redor deste mesmo núcleo. P.ext. O que é excessivamente pequeno; insignificante. P.ext. Intervalo de tempo muito breve; instante. Filosofia. Segundo os adeptos do atomismo, a determinação das características de cada objeto é feita por partículas (infindáveis, pequenas e não divisíveis) que se combinam e se separam por serem movidas por forças da natureza. (Etm. do grego: átomos.os.on) Qual a explicação de átomo que você tinha até hoje? Distribuição Eletrônica e a Tabela Periódica Para o conhecimento da Tabela Periódica e sua construção, precisamos primeiro entender como é feita a distribuição eletrônica, ou seja, entender como os elétrons se distribuem em torno do núcleo do átomo. Os elétrons se dividem em níveis, também chamados camadas, em torno do núcleo. Na natureza os elétrons conseguem se distribuir até a sétima camada. E em cada uma delas temos um limite de elétrons que podem se acomodar. Camada K L M N O P Q Nível 1 2 3 4 5 6 7 Número máximo de elétrons 2 8 18 32 32 18 2 8 Unidade: Classificação Periódica dos Elementos Os elétrons distribuem se em níveis, que se distribuem em subníveis que, por sua vez, apresentam orbitais. Os subníveis são quatro: s, p, d, f, que também possuem uma limitação de elétrons em cada um deles. Subnível s p d f Número máximo de elétrons 2 6 10 14 O elétron ocupa posição nos níveis e subníveis em ordem crescente de energia: da posição de menor energia para a posição de maior energia, sendo que a posição de menor energia é a que está mais próxima do núcleo. Considerando isso, o químico Linus Pauling chegou a seguinte tabela para facilitar a visualização da distribuição eletrônica: 1s2 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 7s2 K L M N O P Q 2p6 3p6 4p6 5p6 6p6 7p6 3d10 4d10 5d10 4f14 5f14 6d10 Vamos exercitar? Átomo Cloro 17Cl = 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p5 Última camada de distribuição ou camada 3 (M) contém 7 elétrons Íon Cloro 17Cl- 1 = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Última camada de distribuição ou camada 3 (M) contém 8 elétrons A camada de valência corresponde à última camada do átomo, a camada com maior energia. As ligações químicas entre os elementos acontecerão entre os elétrons que se encontram nesta camada. E a quantidade de elétrons nesta camada irá determinar sua posição na Tabela Periódica. 9 Tabela Periódica A Tabela Periódica criada por Mendeleyev dispõe os elementos de acordo com suas propriedades. Wikimedia Commons Estrutura As colunas apresentam os elementos químicos com a mesma configuração eletrônica nos últimos subníveis e são denominados por GRUPOS ou FAMÍLIAS. A Tabela Periódica possui: · Família 1A (Grupo 1): Metais Alcalinos · Família 2A (Grupo 2): Metais Alcalinos-Terrosos · Família B (Grupo 3 a 12): Metais de Transição · Família 3A (Grupo 13): Família do Boro 10 Unidade: Classificação Periódica dos Elementos · Família 4A (Grupo 14): Família do Carbono · Família 5A (Grupo 15): Família do Nitrogênio · Família 6A (Grupo 16): Calcogênios · Família 7A (Grupo 17): Halogênios · Família 0 ou 8A (Grupo 18): Gases Nobres Os Metais se apresentam normalmente no estado sólido, única exceção é o Mercúrio que se apresenta no estado líquido. Estes elementos possuem como características serem bons condutores de calor e de eletricidade, serem maleáveis e terem boa ductilidade. Os Ametais se apresentam na forma líquida, gasosa ou sólida. Não são bons condutores de calor e de eletricidade, e não podem ser moldados. E os Semimetais, como o próprio nome indica, possuem características intermediárias entre os metais e os não metais, como consequência a condutibilidade elétrica também é intermediária. iStock/Getty Images Temos ainda os Gases Nobres que apresentam baixos pontos de fusão e de ebulição, pois possuem forças de atração fracas porque possuem os níveis de energia exteriores completos com elétrons. 11 As linhas horizontais da tabela apresentam elementos com o mesmo número de níveis e são denominadas PERÍODOS. A localização dos elementos na Tabela Periódica se dá indicando o GRUPO ou FAMÍLIA e o PERÍODO onde se encontram. A posição de um elemento na tabela diz muito sobre suas propriedades físicas e químicas. A variação destas propriedades em função do número atômico pode ser: · Periódicas quando ocorrem à medida que o número atômico de um elemento químico aumenta, assumindo valores que crescem e decrescem em cada período da Tabela Periódica, como densidade, temperatura de fusão, temperatura de ebulição e volume atômico, e · Aperiódicas quando os valores variam à medida que o número atômico aumenta não se repetindo em períodos regulares e não obedecendo à sua posição na tabela, como dureza e massa atômica. São exemplos de propriedades periódicas: • O raio atômico que se refere ao tamanho do átomo. Quanto maior o número de níveis, maior será o tamanho do átomo. • A energia de ionização que é a energia necessária para remover elétrons de um átomo isolado no estado gasoso. O tamanho do átomo interfere na sua energia de ionização. • A afinidade eletrônica que é a energia liberada quando um átomo no estado isolado captura um elétron. Quanto menor o raio, maior a sua afinidade eletrônica em uma família ou período. 12 Unidade: Classificação Periódica dos Elementos Ligações Químicas As ligações químicas representam interações entre dois ou mais átomos, interações essas que podem ocorrer por doação ou compartilhamento de elétrons e que vão gerar as moléculas. Cada um desses processos é caracterizado por um tipo de ligação química. H - H H - H H - H H - F H - F H - F H - H H - H H - H H - F H - F H - F Para iniciar esta caminhada pelo universo das ligações químicas, vamos observar as forças que atuam nas moléculas: temos as forças intermoleculares, isto é, entre as moléculas, e as forças intramoleculares, que agem no interior dessas moléculas, entre dois ou mais átomos. As forças intermoleculares são as Pontes de Hidrogênio ou Forças de Van der Waals. Já as forças intramoleculares são as famosas ligações químicas do tipo iônica, covalente ou metálica. A molécula da água é formada por Pontes de Hidrogênio que são ligações químicas formadas por umátomo de hidrogênio que é compartilhado entre duas moléculas, portanto, essas pontes são formadas pelas forças intermoleculares. Esse tipo de ligação tem baixa energia e pode ser facilmente rompida com o aumento da temperatura. Os átomos de hidrogênio e oxigênio podem interagir com outras moléculas diferentes dando à água a característica de solvente universal. Àgua Gelo Vapor Regra do Octeto Os gases nobres estão livres porque obedecem à regra do octeto, eles contêm 8 elétrons na sua camada de valência, aquela mais afastada do núcleo. A Regra do Octeto diz que os elementos químicos devem conter sempre 8 elétrons na última camada, ficando estáveis, como a configuração dos gases nobres. Então os átomos dos demais elementos químicos devem adquirir estabilidade através das ligações químicas. Como vimos, há três tipos de ligações químicas promovidas pelas forças intramoleculares: · Ligação Iônica – perda ou ganho de elétrons; · Ligação Covalente – compartilhamento de elétrons (normal ou dativa); · Ligação Metálica – átomos neutros e cátions mergulhados numa “nuvem eletrônica”. 13 Ligação Iônica Para ocorrer uma ligação iônica devemos ter a doação e o recebimento de elétrons entre dois átomos. A ligação iônica é responsável pela formação de compostos iônicos. Ocorre entre um átomo metálico e um átomo não metálico e um átomo metálico e um átomo de hidrogênio. Propriedades destes compostos: · São sólidos em condições ambiente; · Apresentam altos pontos de fusão e ebulição; · São condutores de eletricidade quando no estado líquido ou quando dissolvidos em água; · A maioria dos compostos é solúvel em água. Fórmula Molecular das Substâncias Fórmula química representa o número e o tipo de átomos que constituem uma molécula. É a representação que aponta quantos átomos de cada elemento químico constitui a molécula. Exemplos: H2O (água), CO2 (gás carbônico). A+X B-Y AY BX Ligação Covalente A ligação covalente acontece quando se combinam dois átomos que possuem uma mesma tendência de ganhar e perder elétrons. Nessas condições, não ocorre uma transferência total de elétrons, ocorre um compartilhamento de pares de elétrons. A ligação covalente ocorre sempre entre dois átomos não metálicos, ou ametal e hidrogênio. Propriedades destes compostos: · São sólidos, líquidos ou gasosos em condições ambiente; · Apresentam baixos pontos de fusão e ebulição (comparados aos iônicos); · São maus condutores de eletricidade, alguns podem conduzir quando em meio aquoso (ionização); · A maioria dos compostos é solúvel em solventes orgânicos. A ligação covalente pode ser polar ou apolar, conforme indicação abaixo: Ligação apolar quando a diferença de eletronegatividade é igual a zero. Geralmente, acontece em moléculas de átomos iguais. · Cl2, O2 Ligação polar quando a diferença de eletronegatividade é diferente de zero. Geralmente, acontece em moléculas de átomos diferentes. · HCl, H2S 14 Unidade: Classificação Periódica dos Elementos Ligação Metálica Na ligação metálica os elétrons distribuem-se sobre os núcleos positivos de átomos metálicos, formando uma nuvem eletrônica responsável pelas propriedades metálicas da matéria constituída. Esta nuvem de elétrons funciona como a ligação metálica, que mantém os átomos unidos formando as chamadas ligas metálicas. As ligas têm mais aplicação do que os metais puros e são cada vez mais importantes para o nosso dia a dia. Alguns exemplos: iS to ck /G et ty Im ag es Bronze (cobre e estanho) iS to ck /G et ty Im ag es Aço Comum (ferro e carbono) iS to ck /G et ty Im ag es Aço Inoxidável (ferro mais carbono, cromo e níquel) iS to ck /G et ty Im ag es Latão (cobre e zinco) iS to ck /G et ty Im ag es Ouro para fabricação de joias (ouro e cobre) 15 Material Complementar Para complementar os conhecimentos adquiridos e enriquecer sua compreensão sobre o assunto tratado nesta unidade, leia o artigo: Livros: TOLENTINO, M.; ROCHA FILHO, R. C.; CHAGAS, A. P. Alguns aspectos históricos da classificação periódica dos elementos químicos. Química Nova, Rio de Janeiro, v. 20, n. 1, 1997. 16 Unidade: Classificação Periódica dos Elementos Referências BROWN, T.L.; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E. Química, a ciência central. 9ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. CHANG, R. Química geral: conceitos essenciais. 4ª ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2006. PERUZZO, F. M.; CANTO, E. L. Química na abordagem do cotidiano. São Paulo: Ed. Moderna, 1998. v. 1. SARDELLA, A. Curso de química: química geral. 25ª ed. 2ª impressão. São Paulo: Editora Ática, 2002. 17 Anotações
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