Aula 1

Prévia do material em texto

QUIMICA 
GERAL 
Josemere Both
Estrutura do átomo, 
número atômico, número 
de massa e isótopo
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Definir átomo.
 � Reconhecer o número atômico e o número de massa.
 � Identificar um isótopo.
Introdução
Os atletas profissionais, principalmente os que praticam esportes de 
contato físico ou de impacto, como futebol, basquete, boxe, corrida, entre 
outros, precisam de um controle médico mais rígido e estão sujeitos a 
contusões sérias. É comum jogadores de futebol serem vítimas de fraturas, 
rompimentos de ligamentos dos joelhos, etc.
Uma forma segura de determinar a extensão de uma fratura, por 
exemplo, é o uso de equipamento de raio X. Para que avanços tecno-
lógicos como esse pudessem estar presentes, não só na medicina, mas 
também, por exemplo, na produção industrial. Um grande passo teve 
que ser dado pelos cientistas: a concepção científica do modelo atômico.
Esse tipo de conhecimento não aconteceu da noite para o dia. Foi 
uma evolução que incluiu a explicação para as relações estabelecidas 
entre a formação e a transformação da matéria em reações químicas.
Neste capítulo, você vai estudar o modelo atômico conhecido atual-
mente, como sendo a unidade estrutural básica dos elementos químicos 
que formam as substâncias. Conhecerá que cada elemento químico tem 
um número de massa e um número atômico diferente entre si e, ainda, 
aprenderá a identificar elementos isótopos de mesmo número atômico, 
mas com diferentes números de massa.
Átomo
A ideia de que a matéria consiste de partículas foi estabelecida há mais de 
2000 anos pelos antigos filósofos gregos Democritus e Leocippus. Eles pro-
puseram que a matéria não é contínua, mas consiste de minúsculas unidades 
que não podem ser divididas em partículas menores. Os gregos chamaram 
essas unidades de átomos. De fato, a palavra átomo vem da palavra grega que 
significa indivisível. Havia, entretanto, até o começo do século XIX, pouca 
evidência experimental para sustentar a ideia do átomo. Naquela época, Jonh 
Dalton propôs conceitos básicos da teoria atômica moderna. Porém, somente 
no século XX a estrutura interna do átomo foi revelada, e ainda é a base 
fundamental da química moderna (KOTZ et al., 2016).
De acordo com a teoria atômica, toda a matéria, seja sólida, líquida ou 
gasosa, é composta de partículas chamadas de átomos. Os átomos são a uni-
dade mais básica da natureza e a menor partícula de um elemento que retém 
suas propriedades químicas. A interação entre átomos é responsável pelas 
propriedades da matéria. 
Um átomo é extremamente pequeno para ser visto a olho nu e muito leve 
para ser pesado em uma balança. Para ter uma noção do quão pequeno é um 
átomo, pegamos como base o número de átomos da cabeça de um alfinete. Ele 
é milhares de vezes maior do que o número de pessoas na terra (UCKO, 1992).
Agora você já sabe que o incrivelmente minúsculo átomo é constituído de 
partes ainda menores, as substâncias subatômicas. 
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo2
Estrutura atômica: prótons, elétrons e nêutrons
A partir do resultado de várias experiências, os cientistas chegaram à con-
clusão de que os átomos consistem em partículas menores chamadas de par-
tículas subatômicas. Três partículas subatômicas formam os átomos, sendo 
elas: prótons, elétrons e nêutrons. As experiências indicaram que no centro 
do átomo deve existir uma estrutura muito pequena, extremamente densa, 
denominada núcleo, no qual estão localizados os nêutrons e os prótons. Em 
razão da localização, prótons e nêutrons recebem algumas vezes o nome de 
núcleons (CHANG; GOLDSBY, 2013). O Quadro 1 mostra a carga, a massa 
e a localização dessas partículas no átomo.
Fonte: Adaptado de Bettelheim et al. (2012).
Partícula 
subatô-
mica
Carga
Massa 
(g)
Massa 
(u)
Massa (u); 
arredondada 
até um 
algarismo 
significativo
Localização
Próton +1 1,6726 
× 10-24
1,0073 1 No núcleo
Elétron -1 9,1094 
× 10-28
5,4858 
× 10-4
0,0005 Fora do 
núcleo 
Nêutron 0 1,6749 
× 10-24
1,0087 1 No núcleo
Quadro 1. Propriedades de prótons, elétrons, nêutrons e sua localização no átomo
Uma propriedade essencial das partículas subatômicas é sua carga elétrica. 
As cargas foram descobertas também na Grécia Antiga quando observa-
ram que o âmbar (eléctron em grego) adquiria a capacidade de atrair objetos 
quando friccionado com tecido ou pele. Mais tarde, pares adicionais de objetos 
mostram-se capazes de ficar carregados quando friccionados um contra o outro 
(UCKO, 1992). Você deve ter notado esse efeito quando passou um pente nos 
pelos cabelos em um dia seco. Seu cabelo fica carregado e de pé. O pente atrai 
seus cabelos e anda pode atrair pequenos fiapos de roupa ou pedaços de papel.
3Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo
A carga elétrica é uma propriedade fundamental da natureza que existe 
em duas formas, chamadas de positiva e negativa. O próton tem carga elétrica 
positiva. Por convenção, dizemos que a magnitude das cargas é +1. Assim, um 
próton tem carga +1, dois prótons têm carga +2, e assim por diante. A massa 
de um próton é 1,66726 × 10–24 g, mas esse número é tão pequeno que é mais 
conveniente usar outra unidade, denominada unidade de massa atômica (u), 
para descrever sua massa (1 u = 1,6605 × 10–24 g). Dessa forma 1 próton tem a 
massa de 1,0073 u. Para os propósitos deste capítulo, é suficiente arredondar 
esse número até 1 algarismos significativo e, portanto, dizemos que a massa 
do próton é 1 u (BETTELHEIM et al., 2012).
O elétron tem carga –1, igual em magnitude à carga do próton, mas de 
sinal oposto. A massa do elétron é aproximadamente 55,4858 × 10–24 u ou 
1/1,837 à do próton. Dizemos que 1.837 elétrons equivalem à massa do próton 
(BETTELHEIM et al., 2012). 
Como mostra a Figura 1, as cargas interagem quando se aproximam. Cargas 
iguais se repelam e cargas opostas se atraem. Dois prótons se repelem, assim 
como dois elétrons também se repelem. Próton e elétron, no entanto, se atraem. 
Figura 1. Comportamento das partículas subatómicas e suas cargas. 
Fonte: Adaptada de Kotz et al. (2016). 
O nêutron não tem carga. Assim, nêutrons nunca se atraem ou se repelem, 
nem atraem ou repelem outra partícula. A massa do nêutron é ligeiramente 
maior que a do próton: 1,6749 × 10–24 g ou 1,0087 u. Mais uma vez, para nosso 
propósito, arredondamos esse valor para 1 u (BETTELHEIM et al., 2012).
As cargas podem se somar ou anular. Por exemplo, se colocarmos cinco 
cargas positivas juntas, elas agem cinco vezes mais intensamente do que 
uma única. Se, por outro lado, colocamos uma carga positiva e uma negativa 
igual, o resultado é como se não houvesse nenhuma carga. Combinando duas 
cargas opostas, é como somar –1 e +1 para obter 0, ou dar um passo à frente 
e depois um passo para trás para terminar onde você começou. Um objeto 
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo4
com número igual de cargas positivas e negativas é dito como neutro. Com 
essa análise, chegamos a uma das mais importantes propriedades do átomo, 
a de que o número de prótons num átomo é exatamente igual ao número 
de elétrons. Isso significa que o número de prótons num átomo é igual ao 
número de elétrons. Assim, os átomos são neutros, mesmo sendo constituído 
de partículas carregadas. 
Próton, nêutron e elétron compõem o átomo. Entretanto, onde estão loca-
lizadas no átomo? A Figura 2 representa a localização das três partículas no 
átomo. Prótons e nêutrons estão agrupados no centro do átomo, que é conhecido 
por núcleo. Elétrons são encontrados como uma nuvem difusa fora do núcleo. 
Figura 2. Tamanhos relativos do núcleo atômico e de um átomo (em escala ilus-
trativa). O diâmetro da região ocupada pelos elétrons é aproximadamente 10.000 
vezes maior que o diâmetro do núcleo. 
Fonte: Adaptada de Chang e Goldsby (2013).
5Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo
Número atômicoe número de massa
Número atômico
O número de prótons no núcleo de um átomo é chamado número atômico 
do átomo (Z). Como todos os átomos têm um número de prótons igual ao de 
elétrons, o número atômico é também igual ao número de prótons do núcleo 
do átomo. Da mesma forma, quando o átomo é neutro, o número de elétrons 
também é o mesmo que o número atômico (CHANG; GOLDSBY, 2013).
número atômico (Z) = número de prótons no núcleo de um átomo
Cada tipo diferente de átomo tem seu próprio número atômico. Pelo fato 
de as propriedades que nos permitem distinguir um tipo de átomo do outro 
estarem relacionadas com o número atômico, o número atômico é a mais 
importante identificação de um átomo.
Atualmente são conhecidos mais de 100 elementos químicos que têm 
número atômico entre 1 até 118, que é o número exato conhecido. O menor 
número atômico pertence ao elemento hidrogênio, que tem apenas um próton. 
Já o maior (até agora), ao elemento mais pesado conhecido, contém 118 prótons 
e ainda não tem nome.
Observe a Figura 3 e perceba que os elementos da tabela periódica são 
organizados pelo número atômico de cada elemento químico. O elemento 
químico oxigênio tem 8 prótons no núcleo do átomo e está localizado 
como oitavo elemento. A mesma lógica é utilizada para outros elementos 
químicos.
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo6
Figura 3. Tabela periódica.
Fonte: Chang e Goldsby (2013, p. 1136).
Número de massa
Cada átomo tem um número fixo de prótons, elétrons e nêutrons. Uma das 
maneiras de descrever um átomo é com seu número de massa (A), que é a 
soma do número de prótons e nêutrons em seu núcleo. Observe que o átomo 
também contém elétrons, mas, como a massa do elétron é muito pequena se 
comparada às dos prótons e nêutrons, os elétrons não são computados na 
determinação do número de massa (CHANG; GOLDSBY, 2013).
número de massa (A) = número de prótons e nêutrons no núcleo do átomo
Por exemplo, o número de massa de um átomo com 5 prótons, 5 elétrons 
e 5 nêutrons é igual a 5 + 6, ou 11. Como cada próton e cada nêutron tem a 
massa aproximada de 1 u, o número 11 representa a massa aproximada do 
átomo em termos de unidades de massa atômica, ou seja, o número de massa 
será 11. Veja a seguir outro exemplo. 
7Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo
Qual o número de massa do átomo que contém: 
a) 58 prótons, 58 elétrons e 78 nêutrons?
b) 17 prótons, 17 elétrons e 20 nêutrons?
Resposta:
O número de massa de um átomo é a soma do número de prótons e nêutrons em 
seu núcleo. Então:
a) o número de massa (A) é 58 + 78 = 136.
b) o número de massa (A) é 17 + 20 = 37.
Podemos também achar o número de nêutrons num átomo conhecendo 
seu número de massa e seu número atômico. Por exemplo, o elemento com 6 
prótons, 6 elétrons e 6 nêutrons tem o número atômico 6 e o número de massa 
12. O elemento de número atômico 6 é o carbono, C. Como sua massa é 12, 
chamamos esse núcleo atômico de carbono 12. Alternativamente, podemos 
escrever o símbolo desse núcleo atômico como . Nesse símbolo, o número 
de massa do elemento é sempre descrito no canto superior esquerdo (como 
sobrescrito) do símbolo do elemento e o número atômico é descrito no canto 
inferior esquerdo (como subscrito). Ambos estão representados na Figura 4. 
Figura 4. Representação dos números atômico e de massa.
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo8
Dê o nome dos elementos químicos e escreva os símbolos dos núcleos atômicos para 
os átomos que contêm:
a) 58 prótons, 58 elétrons e 78 nêutrons.
b) 17 prótons, 17 elétrons e 20 nêutrons.
Resposta: 
Identifique o número atômico (número de prótons no núcleo) e depois localize o 
elemento químico na tabela periódica.
a) Esse elemento tem 58 prótons. Na tabela periódica, você pode identificar que o 
elemento químico de número atômico 58 é o cério, e seu símbolo é Ce. O átomo 
desse elemento tem 58 prótons e 78 nêutrons e, portanto, o número de massa é 136 
(A = 58 prótons + 78 nêutrons). Ele é chamado de cério-136. Seu símbolo é .
b) Esse átomo tem 17 prótons, portanto, é o átomo de cloro (Cl). Como seu número de 
massa é 37 (17 prótons + 20 nêutrons), é chamado de cloro-37. Seu símbolo é .
Isótopo
Todos os átomos de um elemento particular têm o mesmo número atômico e, 
portanto, o mesmo número de prótons e também o mesmo número de elétrons. 
Eles podem, no entanto, ter diferentes números de nêutrons (BETTELHEIM 
et al., 2012). Átomos de hidrogênio, por exemplo, todos têm um próton e um 
elétron. Mas átomos de hidrogênio podem ter zero, um ou dois nêutrons. Em 
outras palavras, todos os átomos de hidrogênio têm o mesmo número atômico, 
1, mas podem ter número de massa igual a 1, 2 ou 3. Portanto, há três formas de 
hidrogênio, que diferem entre si somente no número de nêutrons no seu núcleo. 
O átomo de hidrogênio é tão importante dentro do estudo dos átomos que cada 
isótopo recebe um nome especial. Quando o hidrogênio tem apenas um próton 
ele é chamado de prótio, ou simplesmente hidrogênio. O isótopo de hidrogênio 
com um nêutron, é chamado de deutério, ou hidrogênio pesado (símbolo 
D). O núcleo do hidrogênio-3 radioativo, ou trítio (símbolo T) contém um 
próton e dois nêutrons. Assim, os átomos de um elemento particular podem 
existir em várias formas, cada uma com diferente número de massa. Essas 
formas são chamadas de isótopos. Isótopos são átomos do mesmo elemento 
químico que têm diferentes números de massa (CHANG; GOLDSBY, 2013). 
9Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo
O Quadro 2 apresenta a abundância de alguns tipos de átomos.
Fonte: Adaptado de Lide (2003).
Átomo
Abun-
dância 
natural 
(%)
Átomo
Abun-
dância 
natural 
(%)
Átomo
Abun-
dância 
natural 
(%)
 : Hi-
drogênio
99,99 : Flúor 100 : 
Bromo
50,69
 
0,01 : 
Magnésio
78,99
 
49,31
 
Traços
 
10,00 : Iodo 100
 : Lítio 7,59
 
11,01 : 
Chumbo
1,40
 
92,41 : 
Manganês
100
 
24,10
 : 
Oxigênio
99,76 : 
Cobre
69,17
 
22,10
 
0,04
 
30,83
 
52,40
 
0,20 : 
Arsênico
100 : 
Bismuto
100
Quadro 2. Abundância de alguns tipos de átomos
Pelo fato de os isótopos terem o mesmo número atômico (e, portanto, 
o mesmo número de prótons e elétrons), eles não são quimicamente iguais. 
Sua única diferença está no número de nêutrons, o qual contribui somente 
para a massa do átomo.
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo10
O conceito de isótopo é bastante útil na química. Existem outras duas 
definições: a de isóbaros e a de isótonos, que aparecem em livros, mas que são 
de pouca importância para efeitos práticos em pesquisas de química. Entre-
tanto, vamos defini-los. Isóbaros são dois ou mais átomos que têm o mesmo 
número de massa (A) e diferentes números atômicos (Z). Exemplos: e 
; e . Já isótonos são dois ou mais átomos que têm o mesmo número 
de nêutrons e diferentes números atômicos (Z) e de massa (A). Exemplos: 
e ; e .
A substituição de um isótopo por outro isótopo do mesmo elemento quí-
mico em um composto às vezes tem efeito sobre as propriedades químicas e 
físicas. Isso é especialmente verdadeiro quando o deutério é substituído pelo 
hidrogênio, porque a massa do deutério é o dobro daquela do hidrogênio. Isso 
fica claro na Figura 5, quando comparamos essas substâncias. A água contendo 
hidrogênio comum ( , prótio) forma um sólido que é menos denso que H2O 
líquida, então flutua na água líquida. A água é diferente a esse respeito. A fase 
sólida de quase todas as outras substâncias afunda dentro da fase líquida da 
referida substância. Do mesmo modo, o gelo pesado (D2O, óxido de deutério) 
flutua em água pesada. Porém, o gelo D2O é mais denso que H2O líquida, 
então, o sólido D2O afunda na H2O líquida.
Figura 5. Gelo feito a partir de água pesada afunda em água comum. 
Fonte: Adaptada de Bettelheim et al. (2012).
11Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo
Como visto no Quadro 2, a abundância de cada elemento pode variarna 
natureza. Essa ocorrência abundância é chamada de ocorrência isotópica. Uma 
amostra de água de um lago, por exemplo, consistirá quase que inteiramente de 
H2O, na qual os átomos de hidrogênio (H) consistem no isótopo 
1H. Algumas 
moléculas, entretanto, terão deutério (2H) substituindo o 1H. Podemos prever 
esse resultado, pois sabemos que 99,985% de todos os átomos de hidrogênio 
na terra são átomos 1H. Isto é, a abundância de átomos de 1H é 99,985%. 
O remanescente natural do hidrogênio é o deutério, cuja abundancia é 
apenas 0,015% do total dos átomos de hidrogênio. O trítio, isótopo radioativo 
3H, não ocorre naturalmente. 
Considere novamente dois isótopos de boro. O isótopo de boro-10 tem uma 
abundância de 19,91%; a abundância do boro-11 é 80,09%. Assim, se você 
pudesse contar 10.000 átomos de boro a partir de uma amostra natural média, 
1.991 deles seriam átomos de boro-10 e 8.009 deles seriam átomos de boro-11. 
Veja agora um exemplo de cálculo de abundância isotrópica.
O antimônio, Sb, tem dois isótopos estáveis: 121Sb, 120,904 u e 123Sb, 122,904 u. 
Quais são as abundâncias relativas desses isótopos?
Resposta:
Você conhece as massas dos dois isótopos do elemento Sb e sabe que sua 
média ponderada, o peso atômico, é 121,760 u (consulte a tabela periódica). 
Para calcular as abundâncias, você deve saber que existem duas incógnitas 
com quantidades relacionadas, e você pode descrever a seguinte expressão 
(na qual a abundância fracional de um isótopo é a abundância percentual do 
isótopo dividida por 100):
Peso atômico = 121,760 = (abundância fracional de 121Sb) (120,904) + 
(abundância fracional de 123Sb) (122,904)
ou
121,760 = x(120,904) + y(122,904)
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo12
Usando isótopos: Ötzi, o homem do gelo
Em 1991, uma alpinista que se encontrava nos Alpes, na fronteira entre a Áustria e a 
Itália, deparou-se com restos bem preservados de um homem de aproximadamente 
46 anos de idade; agora apelidado de “homem do gelo”, que havia vivido há cerca 
de 5.200 anos. Estudos usando isótopos de oxigênio, estrôncio, chumbo e argônio, 
entre outros, ajudaram os cientistas a elaborarem um quadro detalhado do homem 
e de sua vida.
A abundância do isótopo 18O do oxigênio está relacionado com latitude e altitude 
em que a pessoa nasceu e foi criada. O oxigênio nos biominerais, tais como dentes e 
ossos, vem principalmente da água ingerida. Os lagos e rios do lado norte dos Alpes 
são conhecidos por terem conteúdo inferior de 18O do que aqueles que se encontram 
no lado sul das montanhas. O teor de 18O dos dentes e ossos do homem do gelo 
pareceu estar relativamente elevado, o que era característico da bacia sul dos Alpes. 
Ele havia nitidamente nascido e crescido naquela época.
onde x = abundância fracional de 121Sb e y = abundância fracional de 123Sb. 
Uma vez que você sabe que a soma das abundâncias fracionada dos isótopos 
deve ser igual a 1 (x + y =1), você poderá resolver as duas equações simulta-
neamente para x e y.
Uma vez que y = abundância fracionada de 123Sb = 1 – x, você poderá 
substituí-lo por y. 
121,760 = x(120,904) + (1 – x)(122,904)
Expandindo essa equação, você tem:
121,760 = 120,904x + 122,904 – 122,904x
Finalmente, com a solução para x, você encontra:
121,760 – 122,904 = (120,904 – 122,904) x
x= 0,5720
A abundância fracional de 121Sb é 0,5720 e sua abundância percentual é 
57,20%. Isso significa que a abundância percentual do 123Sb deve ser 42,80%.
Você deve ter previsto que o isótopo mais leve (121Sb) deve ser o mais 
abundante, porque o peso do atômico está mais próximo de 121 do que 123.
13Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo
A abundância relativa dos isótopos de elementos mais pesados também varia 
ligeiramente de um lugar para outro, assim como na sua incorporação em diferentes 
minerais. O estrôncio, um membro do mesmo grupo periódico do cálcio, é incorporado 
nos dentes e ossos. A proporção de isótopos de estrôncio, 87Sr/86Sr, e de isótopos de 
chumbo, 206Pb/204Pb, nos dentes e ossos do homem do gelo, era característica dos solos 
de uma estreita região da Itália ao sul dos Alpes, o que determinou mais evidentemente 
onde ele nasceu e viveu a maior parte de sua vida.
Os pesquisadores também procuraram resíduos de alimentos no intestino do homem 
do gelo. Apesar de terem sido encontrados alguns grãos de cereais, eles localizaram 
pequenas lascas de mica, que acreditam vir das pedras usadas para moer grãos e que 
foram, portanto, ingeridas quando o homem comeu tal alimento. Eles analisaram essas 
lascas usando isótopos de argônio 40Ar e39Ar e verificaram que estas correspondiam 
à mica de uma área ao sul dos Alpes, estabelecendo, assim, o local onde o homem 
viveu nos seus últimos anos.
O resultado geral de muitos estudos de isótopos mostrou que o homem do gelo 
viveu há milhares de anos em uma pequena área de cerca de 10 a 20 km a oeste de 
Merano, no norte da Itália.
Fonte: Adaptado de Müller et al. (2003).
BETTELHEIM, F. A. et al. Introdução à química geral. Rio de Janeiro: Cengage Learning, 2012.
CHANG, R.; GOLDSBY, K. A. Química. 11. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.
KOTZ, J. C. et al. Química geral e reações químicas. 3. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2016.
LIDE, D. R. CRC Handbook of chemistry and physics. 84. ed. Boca Raton: CRC Press, 2003.
MÜLLER, W. et al. Origin and migration of the Alpine Iceman. Science, v. 302, n. 5646, 
p. 862−866, 2003.
UCKO, D. A. Química para as ciências da saúde: uma introdução à química geral, orgânica 
e biológica. 2. ed. Barueri, SP: Manole, 1992. 
Leitura recomendada
WEI-HAAS, M. O Homem do Gelo morreu há 5,3 mil anos, e agora sabemos qual foi sua 
última refeição. Brasil, 2018. Disponível em: https://www.nationalgeographicbrasil.com/
historia/2018/07/otzi-homem-do-gelo-ultima-refeicao-morreu-comida-dna-dieta-
-samambaia. Acesso em: 28 ago. 2019.
Estrutura do átomo, número atômico, número de massa e isótopo14