Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Estrutura Eletrônica QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição Química Geral I Profª. Livia Carneiro Luz (energia radiante), ou radiação eletromagnética: observou-se o comportamento dos elétrons no átomo; Cores características de luz (espectro de linhas): arranjo dos elétrons nos átomos; Os elétrons existem apenas em certos níveis de energia ao redor do núcleo e a energia está envolvida na movimentação de um elétron de um nível para outro; Devido às propriedades ondulatórias da matéria é impossível determinar a posição exata e o movimento preciso de um elétrons (princípio de incerteza de Heisenberg). A maneira como os elétrons estão distribuídos nos átomos é descrita pela mecânica quântica em termos de orbitais. O conhecimento das energias dos orbitais bem como algumas características fundamentais dos elétrons nos permitem determinar os modos pelos quais os elétrons estão distribuídos entre vários orbitais em um átomo (configuração eletrônica) Contexto • Luz: Partícula ou Onda ? Energia quantizada e fótons • Século XIX: – A Luz era considerada apenas como onda eletromagnética; – Fenômenos não explicados: Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e os fótons • Einstein uso a teoria de Planck para explicar o efeito fotoelétrico • Supôs que a luz trafega em pacotes de energia denominados fótons. • A energia de um fóton: hE Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e fótons • O efeito fotoelétrico fornece evidências para a natureza de partícula da luz - “quantização”. • Se a luz brilha na superfície de um metal, há um ponto no qual os elétrons são expelidos do metal. • Os elétrons somente serão expelidos se a frequência mínima é alcançada. • Abaixo da frequência mínima, nenhum elétron é expelido. • Acima da frequência mínima, o excesso de energia aparece como energia cinética dos elétrons emitidos. Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e fótons Albert Einstein encontrou uma explicação para essas observações: propôs que a radiação eletromagnética consiste de fótons que se comportam como partículas. Cada fóton pode ser entendido como um pacote de energia, e a energia do fóton relaciona-se com a frequência da radiação (E = h) Um elétron só pode ser expelido do metal se receber do fóton, durante a colisão, uma quantidade mínima de energia. Evidência de que a radiação eletromagnética comporta-se como onda: Difração: desvio na trajetória da onda, Padrão de intensidade máximas e mínimas geradas por um objeto colocado no caminho de um feixe de luz. Um padrão de difração é obtido quando máximos e mínimos de ondas que viajam por um caminho interferem em máximos e mínimos de ondas que viajam por outro caminho Se os máximos coincidem, a amplitude de onda aumenta e ocorre interferência construtiva. Se os máximos de uma onda coincidem com os mínimos de outra há interferência destrutiva Exemplo: Difração de raios-X: Efeito fotoelétrico: radiação eletromagnética se comporta como algo semelhante a partículas Difração: radiação eletromagnética se comporta como onda Dualidade onda-partícula • Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória. • Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie mostrou: • Sugeriu que todas as partículas deveriam ser entendidas como tendo propriedades de ondas. O comprimento de onda associado à “onda da partícula” é inversamente proporcional à massa da partícula e à velocidade. • O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquanto é uma propriedade ondulatória. • de Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas se os objetos são pequenos. mv h Propriedades ondulatórias do elétron Não há experimento que possa ser realizado de forma a demonstrar que o elétron se comporta simultaneamente como onda e partícula Os cientistas aceitam a dualidade onda-partícula Os elétrons apresentam as duas propriedades Mecânica quântica e orbitais atômicos Na mecânica clássica, uma partícula tem uma trajetória definida, segue um caminho em que a localização e o momento linear são especificados a cada instante. Não é possível especificar a localização precisa de uma partícula se ela se comporta como onda. Ex. onda de violão (a onda se espalha por toda a corda, sem se localizar em um ponto determinado) A dualidade significa que o elétron de um átomo de hidrogênio não pode ser descrito como estando em uma órbita ao redor do núcleo com uma trajetória definida A ideia comum do elétron em uma órbita ao redor do núcleo está errada. A dualidade onda-partícula elimina a possibilidade de descrever a localização. Se soubermos que a partícula está AQUI neste instante, não podemos dizer nada sobre onde ela estará um instante depois! Mecânica quântica e orbitais atômicos Princípio da Incerteza de Heisenberg (Físico Alemão) (1920) É impossível saber a posição de um elétron em um átomo e sua energia com qualquer grau de certeza se o elétron for descrito como uma onda. Mecânica quântica e orbitais atômicos O princípio da incerteza • O princípio da incerteza de Heisenberg: na escala de massa de partículas atômicas, não podemos determinar exatamente a posição, a direção do movimento e a velocidade simultaneamente. • Para os elétrons: não podemos determinar seu momento e sua posição simultaneamente. • Heisenberg relacionou matematicamente a incerteza da posição (Dx) e o momento exatos (Dmv) para uma quantidade envolvendo a constante de Planck: • o produto das incertezas em duas medidas simultâneas não pode ser menor do que um certo valor constante. Portanto, se a incerteza na posição é muito pequena, então a incerteza no momento linear deve ser muito grande DD 4 · h mvx O comportamento ondulatório da matéria • Para explicar o espectro dos átomos, os cientistas tiveram de rever a descrição da matéria para levar em conta a dualidade onda-partícula. • Um dos primeiros cientistas a formular uma teoria bem-sucedida foi o austríaco Erwin Schrödinger que introduziu o conceito central da teoria quântica. • Foi substituir a trajetória precisa da partícula por uma função de onda (a letra grega psi), uma função matemática cujos valores variam com a posição. • Densidade de probabilidade O comportamento ondulatório da matéria Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula, com enfoque estatístico. A resolução da equação leva às funções de onda, que definem o elétron em termos de energia, posição espacial no átomo, etc. O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo e nos leva à definição de orbital. O comportamento ondulatório da matéria Schrödinger (Físico Austríaco - 1926) propôs uma equação matemática empregando os Conceitos da Mecânica Quântica : uma equação que contém os termos onda e partícula A resolução da equação leva às funções de onda () psi que descrevem a questão ondulatória do elétron. • O quadrado da função de onda (2) fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo. •Não podemos especificar a localização exata de um elétron, devemos nos contentar com uma espécie de conhecimento estatístico •O quadrado da função de onda (2) fornece a probabilidade de se encontrar o elétron numa certa região do átomo • Fornece a DENSIDADE ELETRÔNICA para o átomo. Distribuição da densidade eletrônica no estado fundamental do átomo de hidrogênio Mecânica quântica e orbitais atômicos ORBITAL Local com maior probabilidade de se encontrar o elétron Energia e forma característica Mecânica quântica e orbitais atômicos ORBITAL O modelo da mecânica quântica usa três números quânticos para descrever um orbital. Servem para definir os estados de energia e os orbitais disponíveis para os elétrons Saberemos a ENERGIA e a POSIÇÃO APROXIMADA de um elétron no átomo Mecânica quânticae orbitais atômicos Orbitais e números quânticos • Se resolvermos a equação de Schrödinger, teremos as funções de onda e as energias para as funções de onda. • Chamamos as funções de onda de orbitais. • A equação de Schrödinger necessita de três números quânticos: 1. Número quântico principal, n. Este é o mesmo n de Bohr. À medida que n aumenta, o orbital torna-se maior e o elétron passa mais tempo mais distante do núcleo. Mecânica quântica e orbitais atômicos 2. O número quântico azimutal ou angular, l • Podem assumir os valores: l = 0, 1, 2, 3, (n-1) • Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d, f ) • Representam fisicamente o sub-nível (subcamada) do elétron e sua forma geométrica no espaço. Valor de l Símbolo da Subcamada correspondente 0 s (sharp, estreita) 1 p (principal) 2 d (difusa) 3 f (fundamental) Mecânica quântica e orbitais atômicos 3. O número quântico magnético, m. •Tem os valores: m = -l , 0 , +l •Representa fisicamente a orientação espacial do orbital em uma subcamada. •Orbitais em uma determinada subcamada diferem quanto a orientação no espaço e não quanto a energia. Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos Mecânica quântica e orbitais atômicos Resumindo: “n descreve o nível a que o elétron pertence em um átomo, l descreve o subnível dentro daquele nível e m está relacionado com a orientação do orbital dentro daquele subnível”. Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais s • Todos os orbitais s são esféricos. • À medida que n aumenta, os orbitais s ficam maiores. • À medida que n aumenta, aumenta o número de nós. • Um nó é uma região no espaço onde a probabilidade de se encontrar um elétron é zero. • Em um nó, 2 = 0 • Para um orbital s, o número de nós é n-1. Representações Orbitais Representações Orbitais Orbitais s Representações Orbitais Orbitais p • Existem três orbitais p, px, py, e pz. • Os três orbitais p localizam-se ao longo dos eixos x-, y- e z- de um sistema cartesiano. • As letras correspondem aos valores permitidos de ml, -1, 0, e +1. • Os orbitais têm a forma de halteres. • À medida que n aumenta, os orbitais p ficam maiores. • Todos os orbitais p têm um nó no núcleo. Representações Orbitais Orbitais p lóbulo Representações Orbitais Orbitais d e f • Existem cinco orbitais d e sete orbitais f. • Três dos orbitais d encontram-se em um plano bissecante aos eixos x- , y- e z. • Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x-, y- e z. • Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada. • Um orbital d tem dois lóbulos e um anel. Representações Orbitais Orbitais d Representações Orbitais Orbitais f Representações Orbitais • Os orbitais podem ser classificados em termos de energia para produzir um diagrama de Aufbau (diagrama de construção). • Observe que o seguinte diagrama de Aufbau é para um sistema de um só elétron. • À medida que n aumenta, o espaçamento entre os níveis de energia torna-se menor. Orbitais e números quânticos Representações Orbitais Orbitais e números quânticos Níveis de energia dos orbitais para os átomos de hidrogênio onde cada quadrícula representa um orbital. Este diagrama específico se aplica para sistemas de um só elétron. Representações Orbitais • Orbitais de mesma energia são conhecidos como degenerados. • Para n 2, os orbitais s e p não são mais degenerados porque os elétrons interagem entre si. • Portanto, o diagrama de Aufbau apresenta-se ligeiramente diferente para sistemas com muitos elétrons. Orbitais e suas energias Orbitais e suas energias – átomos polieletrônicos Disposição de níveis de energia do orbital em átomos polieletrônicos, até os orbitais 4p. Diagrama energético dos subníveis Disposição de níveis de energia do orbital em átomos polieletrônicos, até os orbitais 6d. Spin eletrônico Número Quântico Magnético de Spin, definimos ms = ½. • O espectro de linhas de átomos polieletrônicos mostra cada linha como um par de linhas minimamente espaçado. • Em 1921, Otto Stern e Walter Gerlach planejaram um experimento para determinar o porquê. • Um feixe de átomos de prata (Ag), que contém somente um elétron desemparelhado, passou através de uma fenda e por um campo magnético e os átomos foram então detectados. • Duas marcas foram encontradas: uma com os elétrons girando em um sentido e a outra com os elétrons girando no sentido oposto. Spin eletrônico e o princípio da exclusão de Pauli Spin eletrônico • O espectro de linhas de átomos polieletrônicos mostra cada linha como um par de linhas minimamente espaçado. • Stern e Gerlach planejaram um experimento para determinar o porquê. • Um feixe de átomos passou através de uma fenda e por um campo magnético e os átomos foram então detectados. • Duas marcas foram encontradas: uma com os elétrons girando em um sentido e uma com os elétrons girando no sentido oposto. Ilustração do experimento de Stern e Gerlach. Átomos nos quais o número quântico de spin eletrônico (ms) dos elétrons desemparelhados é + ½ são desviados em um sentido, e aqueles nos quais ms é – ½, no outro. Evidência experimental do spin eletrônico • O comportamento de uma substância em certo campo magnético fornece uma compreensão clara da distribuição de seus elétrons; • As moléculas com um ou mais elétrons desemparelhados são atraídas para um campo magnético, quanto mais elétrons desemparelhados mais fortes serão as forças de atração. • Esse tipo de comportamento magnético é chamado de paramagnetismo, o qual origina-se nos spins dos elétrons. • As substâncias que não tem elétrons desemparelhados são fracamente repelidas por um campo magnético. Essa propriedade é chamada diamagnetismo. Spin eletrônico Paramagnetismo e diamagnetismo • O comportamento magnético é detectado determinando-se a massa de uma amostra na presença e na ausência de campo magnético: • (a) ausência de campo magnético; • (b) pequena diminuição na massa indica diamagnetismo; • (c) grande aumento na massa indica paramagnetismo. Spin eletrônico Paramagnetismo e diamagnetismo Um núcleo de hidrogênio girando atua como um imã (maior sensibilidade à ação de campos magnéticos) Na ausência de efeitos externos os dois estados de spin têm a mesma energia Quando os núcleos são colocados em um campo magnético externo, eles podem se alinha paralela ou contrariamente (antiparalelo) ao campo, dependendo de seus spins Se os núcleos são irradiados, os spins dos núcleos podem ser excitados do alinhamento paralelo para o antiparalelo A detecção do movimento de núcleos entre os dois estados de spin leva a um espectro de RMN A radiação utilizada neste caso está na faixa de radiofrequencia. Ressonância magnética nuclear (RMN) Spin eletrônico e o princípio da exclusão de Pauli • ms = número quântico de rotação = ½. • O princípio da exclusão de Pauli: dois elétrons não podem ter a mesma série de 4 números quânticos. Portanto, dois elétrons no mesmo orbital devem ter spins opostos. Spin eletrônico e o Princípio da Exclusão de Pauli EX: He (2 elétrons atribuídos ao orbital 1s) n=1, l=0, ml = 0, ms = +1/2 n=1, l=0, ml = 0, ms = -1/2 Configuração Eletrônica É a maneira na qual os elétrons estão distribuídos entre os vários orbitais de um átomo A mais estável é aquela cujo os elétrons estão nos estados mais baixos possíveis de energia Os orbitais serão preenchidos pelos elétrons em ordem crescente de energia Linus Carl Pauling (Químico americano) Elaborou um dispositivo prático que permite colocar todos os subníveis de energia conhecidos em ordem crescente de energia. É o processo das diagonais. A ordem crescente de energia dos subníveis é a ordem na sequência das diagonais. Configurações eletrônicas Regra de Hund • As configurações eletrônicas nos dizem em quais orbitais os elétrons de um elemento estão localizados. • Três regras: - Os orbitais são preenchidos em ordem crescentede n. - Dois elétrons com o mesmo spin não podem ocupar o mesmo orbital (Pauli). - Para os orbitais degenerados, os elétrons preenchem cada orbital isoladamente antes de qualquer orbital receber um segundo elétron (regra de Hund). Configurações eletrônicas Regra de Hund EX: 6C 8O 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s2 2s2 2p2 1s2 2s2 2p4 Configuração de Quadrículas Configurações eletrônicas Exemplos: 2. Para distribuir 5 elétrons em um subnível p, tem-se: 3. Para distribuir 5 elétrons em um subnível d, tem-se: 4. Para distribuir 9 elétrons em um subnível f, tem-se: Configurações eletrônica condensadas • O neônio tem o subnível 2p completo. • O sódio marca o início de um novo período. • Logo, escrevemos a configuração eletrônica condensada para o sódio como Na: [Ne] 3s1 • [Ne] representa a configuração eletrônica do neônio. • Elétrons mais internos: os elétrons no [Gás Nobre]. • Elétrons de valência: os elétrons fora do [Gás Nobre]. • Para formar um cátion a partir de um átomo neutro, um ou mais elétrons de valência são removidos; • Elétrons são removidos do nível com maior valor de n; • Caso existam vários subníveis dentro do nível mais externo, os elétrons com maior valor de l são removidos • Na: [1s2 2s2 2p6 3s1] • Na+: [1s2 2s2 2p6] + e- Configuração eletrônica de íons • Faça a distribuição eletrônica dos seguintes elementos e dê sua configuração eletrônica condensada • N (Z=7) • Na (Z = 11) • Si (Z= 14) • Ar (Z = 18) • Ne (Z = 10) Exercício Faça a configuração de quadrículas para os elétrons de valência de cada um dos seguintes elementos e indique quantos elétrons desemparelhado cada um tem; indique os números quânticos do último elétron colocado. (a) S; (b) Sr; (c) Fe; (d) Zr; (e) Sb; Exercício A tabela periódica pode ser utilizada como um guia para as configurações eletrônicas, onde o número do periodo é o valor de n. Configuração eletrônica e a tabela periódica • Os grupos 1A e 2A têm o orbital s preenchido. • Os grupos 3A -8A têm o orbital p preenchido. Configuração eletrônica e a tabela periódica • Os grupos 3B -2B têm o orbital d preenchido. Configuração eletrônica e a tabela periódica • Os lantanídeos e os actinídeos têm o orbital f preenchido. Configuração eletrônica e a tabela periódica Configuração eletrônica e a tabela periódica Apresentam distribuição eletrônica irregular
Compartilhar