Química Geral: Aulas 3 e 4 (Estrutura atômica da matéria)

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1 
Universidade Federal de Minas Gerais 
Instituto de Ciências Exatas 
Departamento de Química 
Estrutura Atômica da Matéria 
Prof. Gilson de Freitas Silva 
2 
Estrutura Atômica da Matéria 
 O que são átomos? 
 Para os pensadores gregos Leucipo (séc. V a.C.) e 
Demócrito (460-370 a.C.), cada uma das partículas minúsculas, 
eternas e indivisíveis, que se combinam e desagregam movidas 
por forças mecânicas da natureza, determinando desta maneira 
as características de cada objeto. (Houaiss) 
 
 É a menor quantidade de uma substância simples que tem 
as propriedades químicas do elemento e que permanece 
inalterada em uma transformação química. (Houaiss) 
3 
 Século XVII: estudo dos gases impulsiona o ressurgimento 
da ideia de átomo. 
 Teoria: é um princípio unificador que explica um conjunto de 
fatos e/ou as leis que neles se baseiam. 
 
 Postulado: o que se considera como fato reconhecido e 
ponto de partida, implícito ou explícito, de uma argumentação; 
afirmação ou fato admitido sem necessidade de demonstração. 
(Houaiss) 
4 
 Lei da Conservação da Massa (A. L. Lavoisier): nas 
reações químicas (em sistema fechado) não ocorrem perdas ou 
ganhos mensuráveis de massa. A massa é conservada. 
 
 Lei das Proporções Definidas (J. Proust): os elementos, 
em um dado composto, estão sempre combinados na mesma 
proporção de massa. 
 
 
 John Dalton (1766 – 1844): de maneira empírica, 
estabeleceu sua teoria atômica por meio de alguns postulados. 
5 
1. A matéria é constituída por pequenas partículas denominadas átomos. 
2. Os átomos são indestrutíveis. Em reações químicas, os átomos mudam 
suas posições relativas, mas permanecem inalterados. 
3. As massas e outras propriedades dos átomos de um dado elemento 
(substância) são todas iguais. 
4. As massas e outras propriedades dos átomos de elementos 
(substâncias) diferentes são diferentes. 
5. Quando átomos de elementos (substâncias) diferentes combinam-se 
para formar compostos, são formadas novas partículas mais complexas. 
Em um dado composto, no entanto, os átomos constituintes estão 
sempre presentes em quantidades com a mesma razão numérica. 
Modelo Atômico de J. Dalton (1766 – 1844) – 1807 
6 
 Um forte apoio à Teoria de Dalton veio quando ele e outros 
cientistas estudaram as substâncias elementares que podem 
ser combinadas para formar mais de dois compostos. 
Composto Massa (g) Massa de S (g) Massa de O (g) 
SO2 2,00 1,00 1,00 
SO3 2,50 1,00 1,50 
Massa de O no SO3 
Massa de O no SO2 
1,50 g 
1,00 g 
3 
2 
 Lei das Proporções Múltiplas: sempre que duas substâncias 
elementares formam mais de um composto, a razão entre as massas 
diferentes de um elemento que se combinam com a mesma massa 
do outro elemento é dada por números inteiros e pequenos. 
7 
Modelo Atômico de J. J. Thomson (1856 – 1940) – 1897 
 Raios Catódicos (Tubo de Crookes) 
 Diferentes metais foram usados na construção do cátodo e 
ânodo, e os resultados sempre eram os mesmos. 
Partículas de carga negativa (divisibilidade do átomo) 
8 
 J. J. Thomson atribuiu que os raios catódicos eram constituídos por 
partículas carregadas e que possuíam massa. 
 Determinou a relação carga/massa para o elétron: 1,76  108 C/g. 
 Experimento de J. J. Thomson 
9 
 Experimento de R. A. Millikan (Gota de Óleo) - 1909 
 R. A. Millikan (1868 - 1953) determinou a carga associada ao 
elétron, realizando o “experimento da gota de óleo”. 
 
10 
 Representação do Modelo de J. J. Thomson 
Carga do e- = 1,60 × 10-19 C 
Massa do e- = 9,11 × 10-31 kg 
 Prêmio Nobel de Física - 1906 “em reconhecimento dos grandes méritos de suas investigações 
teóricas e experimentais sobre a condução de eletricidade por gases” 
11 
Modelo Atômico de E. Rutherford (1871 – 1937) – 1908 
 Radioatividade 
 H. Becquerel (1896) descobriu que o urânio (blenda resinosa) 
emitia radiação espontaneamente. 
 Marie Curie conduziu estudos sobre essa radiação. Foram 
identificados três tipos de radiação:  (alfa), β (beta) e  (gama) que 
diferem quanto ao comportamento em um campo magnético. 
12 
 Experimento de E. Rutherford (H. Geiger & E. Marsden) 
Fissão do amerício 241 em neptúnio 237: 
241
95Am → 
237
93Np + 
4
2He 
2+ 
13 
 Em 1911, baseado nos resultados do experimento, Rutherford 
postulou que o átomo possuía um núcleo, que continha carga 
positiva e era altamente denso. 
14 
 A composição do núcleo foi descoberta por Rutherford (prótons, 
1919) e Chadwik (nêutrons, 1932). 
Partícula Símbolo Carga* Massa (kg) 
Elétron e- -1 9,109 × 10-31 
Próton p +1 1,673 × 10-27 
Nêutron n 0 1,675 × 10-27 
Quadro 1. Propriedades das partículas subatômicas. 
*As cargas são dadas como múltiplos da carga de um próton, que vale nas 
unidades do SI 1,602 × 10-19 C. 
Prêmio Nobel – 1908: “Por suas 
investigações sobre desintegração de 
elementos, e a química de substâncias 
radioativas" 
14 
15 
 Um pouco mais sobre a estrutura do núcleo 
 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 subatômicas menores, denominadas quarks. 
 O próton é constituído de dois quarks up e um quark down, mantidos unidos pela 
força nuclear forte, mediada por partículas denominadas glúons. 
 O nêutron é constituído de um quark up e dois quarks down. Um nêutron pode se 
converter em um próton por meio do decaimento beta, o qual envolve a mudança de 
sabor de um quark (força nuclear fraca). 
Próton Nêutron 
16 
A = número de massa = N° de prótons + N° de nêutrons. 
Z = número atômico = N° de prótons. 
X = elemento (átomo). 
Representação de Átomos 
X 
A 
Z 
17 
17 
Descrição Clássica do Átomo 
+ 
núcleo 
r 
- 
elétron 
 Força de Atração Eletrostática 
Força de Coulomb - força de atração entre um 
elétron e um núcleo. 
Lei da Força de Coulomb 
F(r) = 
(-e)(e) 
40r
2 
(-e)2 
40r
2 = 
r = distância entre duas cargas 
e = valor absoluto da carga de um elétron 
0 = constante permissividade do vácuo (8.854 x 10
-12 C2J-1m-1 ) 
18 
18 
2ª Lei de Newton 
F = m.a 
+ 
núcleo 
r 
- 
elétron Força = massa x aceleração 
F = m.(dv/dt) = m(d2r/dt2) 
Substituindo pela 
força Coulômbica 
rinicial = 10 Å (10
-10 m) 
r = 0 em 10-10 s 
Elétron deveria atingir o núcleo em 0.1 ns 
O QUE HÁ DE ERRADO ENTÃO ?? 
19 
Modelo Atômico de N. Bohr (1885 – 1962) - 1913 
 Radiação Eletromagnética (é o produto de campos 
magnéticos e elétricos oscilantes). 
20 
 Conceitos Importantes sobre Ondas 
0 
amplitude 
positiva 
amplitude 
negativa 
-a 
 +a 
 
 Amplitude: desvio do nível médio. 
 Comprimento de onda (): distância entre dois máximos sucessivos. 
 Frequência () : número de ciclos por unidade de tempo 
20 
21 
 Energia Quantizada e Fótons 
 Radiação de Corpo Negro (Max Planck) 
 Lei de Stefan-Boltzmann  Intensidade Total = constante  T4 (1879) 
 Lei de Wien    1/T, ou seja, T   = constante (2,9 K mm) (1893) 
 T   
5,67  10-8 W m-2 K-4 
22 
 Energia Quantizada e Fótons 
 Radiação de Corpo Negro (Max Planck) - 1901 
 Quando um objeto é aquecido, ele brilha com maior intensidade 
(incandescência), e a cor da luz emitida passa sucessivamente do vermelho 
ao laranja e ao amarelo, até chegar ao branco. 
 T   
E = h  
Prêmio Nobel - 1918 “em 
reconhecimentoaos serviços 
prestados para o avanço da física e a 
descoberta dos quanta de energia" 
h = 6,626  10-34 J s 
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Questão 01. Bolhas de sabão são coloridas porque elas refletem luz com 
comprimentos de onda iguais às espessuras das paredes da bolha. 
Determine a energia da radiação que é refletida por uma bolha de sabão 
de 6 nm de espessura. 
Questão 02. Experimentalmente encontrou-se que quando é feita a ligação 
entre átomos de hidrogênio para gerar a molécula H2, são liberados 436,4 
kJ de energia por mol de H2 formado. Determine o comprimento de onda 
da radiação para romper a ligação química entre os átomos de uma 
molécula de hidrogênio. 
Questão 03. A análise espectral cuidadosa mostra que a luz amarela das 
lâmpadas de sódio é composta de fótons de  igual a 589,0 nm. Qual é a 
energia (em joules) dos fótons que possuem esse comprimento de onda? 
 Exercitando seus conhecimentos... 
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 Efeito Fotoelétrico (Einstein) - 1905 
1. Nenhum elétron é ejetado até que a radiação 
tenha frequência acima de um determinado valor 
(limiar fotoelétrico), característico do metal. 
2. Os elétrons são ejetados imediatamente, por 
menor que seja a intensidade da radiação. 
3. A energia cinética dos elétrons ejetados aumenta 
linearmente com a frequência da radiação 
incidente. 
Prêmio Nobel - 1921 “pelos seus serviços a 
Física Teórica e especialmente por sua 
descoberta da lei do efeito fotoelétrico" 
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 Espectro Contínuo 
 Quando a luz branca atravessa um prisma, obtém-se um espectro 
contínuo de luz. 
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 Espectro de Linhas e o Modelo de N. Bohr (1885 – 1962) 
 Cada linha espectral vem de uma transição específica. A análise do 
espectro permite construir um diagrama de níveis de energia para o átomo. 
 RH = 3,29  10
15 Hz 
12
2
2
2
1
n n para 
111







nn
RH
 A Equação Johann Balmer e de Johannes Rydberg: 
... 4, 3, n 
42
2



n
n
27 
 O elétron em um átomo de hidrogênio se desloca ao redor do núcleo do 
átomo em uma órbita circular. 
 A energia do elétron em uma determinada órbita é proporcional à sua 
distância até o núcleo. 
 São permitidas somente órbitas com determinadas energias (a energia do 
elétron em um átomo é quantizada). 
 Postulados para o Modelo de N. Bohr (1885 – 1962) 
28 
 O modelo de Bohr explica o padrão simples de linhas vistas no espectro 
do hidrogênio. 







2222
0
4 1
ou 
8 n
RE
hn
em
E H
e
total 
29 
Série de Lyman (nf = 1) região UV 
Série de Balmer (nf = 2) região de visível 
Série de Paschen (nf = 3) região do IV próximo 
Série de Backett (nf = 4) região do IV 
 O modelo de Bohr explica o padrão simples de linhas vistas no espectro 
do hidrogênio. 
30 
30 
fóton emitido 
fóton emitido 
fóton absorvido 
fóton absorvido 
 Absorção e Emissão de Fótons 
31 
 Bohr, ao usar a mecânica clássica, simplesmente ignorando o problema 
com a teoria de Maxwell e fazendo uma única nova suposição (a 
quantização do momento angular do elétron), foi capaz de deduzir o 
espectro do átomo de hidrogênio. 
 Bohr, ao deduzir o valor da constante de Rydberg, um parâmetro 
determinado experimentalmente, mostrou à comunidade científica que 
novas ideias sobre a natureza eram fundamentais para entender os átomos 
e as moléculas. 
 LIMITAÇÃO: a teoria de Bohr se aplica apenas ao átomo de hidrogênio 
e/ou íons hidrogenóides. 







2
2
222
0
42 1
ou 
8 n
RZE
hn
emZ
E H
e
total 
32 
1. A luz de frequência 7,100 × 1014 Hz está na região violeta do espectro 
visível. Calcule o comprimento de onda (em nm) e a energia referente a 
1 mol de fótons dessa radiação. 
2. Quais das seguintes substâncias, Ta (4,200) ou Ba (2,500) (função 
trabalho, em eV), podem ser usadas para confeccionar uma fotocélula 
para ser usada com luz visível? Dado: 1eV = 1,6022 x 10-19 J. 
3. Considerando o átomo de hidrogênio, calcule a variação de energia 
quando um elétron decai da 5ª órbita de Bohr para o estado 
fundamental. Indique em qual região do espectro eletromagnético está 
localizada essa radiação. 
4. Considerando o íon hidrogenóide Na10+, calcule a variação de energia 
quando um elétron decai da 5ª órbita de Bohr para o estado 
fundamental. 
 Revisando Conceitos...