Aula 1 - EM - Estrutura Atomica

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20/05/2013 
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Estrutura da Matéria 
 Prof. Marcos A. Bizeto 
Estrutura Atômica 
Aula 1 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Evolução da Teoria Atômica 
• Dalton (1804) – átomo indivisível 
• Thomson (1897) – 1ª evidência experimental da estrutura 
interna dos átomos -descoberta da existência de cargas elétricas 
(1ºmodelo eletrônico do átomo) 
• Rutherford (1908)- descoberta do núcleo do átomo 
• Bohr (1913) 
• Modelo quântico (atual) 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• Toda a matéria é formada por entidades indivisíveis e extremamente 
pequenas: os átomos 
• Cada elemento químico é constituído de átomos. 
• Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos. 
• Nas reações químicas, os átomos não são alterados. 
• Os compostos são formados quando átomos, iguais ou não, se combinam. 
• Lei de Dalton das proporções múltiplas: 
Quando dois elementos formam diferentes compostos, a proporção da 
massa dos elementos em um composto está relacionada à proporção da massa 
do outro através de um número inteiro pequeno. 
 
Postulados de Dalton 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• A Descoberta do Elétron: Tubos de Raios Catódicos (Thomson - 1897) 
Descoberta da Estrutura Atômica – O elétron 
Raios catódicos – raios emitidos quando uma grande diferença de potencial é aplicada entre 
dois eletrodos em um tubo de vidro sob vácuo. 
Desenvolvimento do modelo atômico 
Desenvolvimento da Eletricidade 
Descoberta da Radioatividade 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• Partículas negativas se deslocam do eletrodo negativo para o eletrodo 
positivo. 
• A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um campo 
magnético externo. 
– Ao interagir com o um campo magnético perpendicular a um campo 
elétrico aplicado, os raios catódicos podem sofrer diferentes desvios. 
– a quantidade do desvio depende da proporção carga-massa do elétron. 
Descoberta da Estrutura Atômica – O elétron 
Em 1897, Thomson determinou que a proporção 
carga-massa de um elétron é 1,76 x 108 C/g. 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• Gotas de óleo são borrifadas sobre 
uma chapa carregada positivamente 
contendo um pequeno orifício. 
• À medida que as gotas de óleo 
passam através do orifício, elas são 
carregadas negativamente. 
• A gravidade força as gotas para 
baixo. O campo elétrico aplicado 
força as gotas para cima. 
• Quando uma gota está 
perfeitamente equilibrada, seu peso 
é igual à força de atração 
eletrostática entre a gota e a chapa 
positiva. 
Descoberta da Estrutura Atômica – O elétron 
• A Determinação da Carga do Elétron: Experimento de Millikan 
Utilizando este experimento, Millikan determinou 
que a carga no elétron é 1,60 x 10-19 C e 
conhecendo a proporção carga-massa, 1,76 x 108 
C/g, calculou a massa do elétron: 9,10 x 10-28 g. 
 
massa do elétron atualmente é 9,10939 x 10-28 g 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Modelo Atômico de Thomson 
Pudim de passas 
•Conseguiu mostrar a existência de cargas elétricas (positivas e 
negativas) em um átomo. 
 
• Explicou a existência de metais e não-metais, a emissão de luz pelos 
átomos excitados e a presença de materiais radioativos (não 
completamente) 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• Um alto desvio no sentido da chapa positiva ocorre quando a radiação é 
negativamente carregada e tem massa pequena- radiação β (elétrons). 
• Nenhum desvio ocorre quando a radiação é neutra - radiação g 
• Um pequeno desvio no sentido da chapa carregada negativamente ocorre 
quando a radiação é carregada positivamente e apresenta massa grande - 
radiação a. 
Descoberta da Estrutura Atômica – O núcleo 
• Radioatividade: Experimentos de H. Becherel e M. Curie 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
 Como a maioria das partículas a passa pela chapa sem sofrer desvio, a maior 
parte do átomo deve consistir de carga negativa difusa com pequena massa 
(elétrons). 
 Os grandes desvios das partículas a indicam que o centro, ou núcleo do 
átomo, deve ser constituído de uma carga positiva densa. 
Descoberta da Estrutura Atômica – O núcleo 
• A descoberta do núcleo atômico: Experimento de Rutherford 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Modelo Atômico de Rutherford 
Sistema Planetário 
• Os átomos não têm carga elétrica, portanto quantidade de elétrons deve ser igual a de 
prótons. 
• A maioria dos átomos apresentam massa maior do que o previsto pelo conjunto de 
prótons e elétrons!! 
• Propôs a existência dos nêutrons (partículas pesadas e sem carga) 
Elétron: Massa = 9,109382 x 10-28 g 
 Carga = - 1,602176 x 10-19 C (-1) 
Próton: Massa = 1,672622 x 10-24 g 
 Carga = 1,602176 x 10-19 C (+1) 
Nêutron: Massa = 1,674927 x 10-24 g 
 Carga = 0 
Tamanho do Átomo 
em 
Relação ao Núcleo 
 
 
100.000 x maior 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Modelo Atômico – Linha do Tempo 
Demócrito: 
 (grego) 
 partícula 
indivisível 
 Dalton: 
 experimentos 
 bola de bilhar Thomson: 
 1º. Exp. 
 Estrutura Interna 
 pudim de passas 
 Rutherford: 
 Experimentos 
 comprovou 
exist. do núcleo; 
 previu exist. 
 de nêutrons 
 modelo nuclear 
Comprovou-se 
 a existência 
 do nêutron 
 a.C 1803 1897 1908 1932 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Parâmetros Atômicos 
Número Atômico (Z): quantidade de prótons no átomo. 
Z = p = e 
Número de Massa (A): a soma das partículas (prótons e nêutrons) 
que constituem o núcleo do átomo. 
A = Z + n 
Simbologia para representação de um átomo 
Lembrar que: 
massa p ~ massa n = 1840 x massa e- 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Propriedades Atômicas 
ISÓTOPOS: mesmo número de prótons. 
ISÓBAROS: mesmo número de massa. 
ISÓTONOS: mesmo número de nêutrons. 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Propriedades Atômicas 
ÍONS: são átomos que ganharam ou perderam elétrons 
ISOELETRÔNICOS: mesmo número de elétrons. 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• As massas de partículas fundamentais são expressas em unidades de massa 
atômica (uma) ou (u). 
• A massa atômica é a massa de um átomo em unidades de massa atômica 
determinada experimentalmente. 
• O elemento padrão para definir a escala de massa atômica foi o Carbono com 
seis prótons e seis nêutrons (12,000 uma). 
• Assim 1 uma = 1/12 da massa de um átomo de C 
Número de Massa e Massa Atômica 
1 uma = 1,66054 x 10-24 g 
1 g = 6,02214 x 1023 uma 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Número de Massa e Massa Atômica 
Exemplo: 
Em média, 1 átomo de H contém 8,400% da massa do carbono-12. 
Como a massa de 1 átomo de carbono-12 = 12,000 uma 
A massa atômica do hidrogênio é: 0,084 × 12,000 uma = 1,008 uma 
As massas atômicas dos outros elementos são massas relativas à 
massa do Carbono-12 e são determinadas experimentalmente. 
A massa atômica real não é por definição 
 um número inteiro , exceto para: 
carbono-12 = 12,000 u 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Por causa da existência natural de isótopos, a massa de uma coleção de 
átomos apresenta um valor médio e é este o valor que é representado 
na tabela periódica, por exemplo: 
Abundância Isotópica 
10B 
11B 
Exemplo: 
 
OBoro na Natureza é encontrado 19,91 % na forma do isótopo 10B e 80,09 % na 
forma do isótopo 11B. 
A massa atômica média do B é: 
(0,1991)(10,0129 uma) + (0,8009)(11,0093 uma) = 10,81 uma 
10,81 uma x 1,66054 x 10-24 g/uma = 1,7950 x 10-23 g 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Determinação da Abundância Isotópica e Massa Atômica 
Espectro de massa 
Neônio – 3 isótopos naturais 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
É verdade que a massa atômica equivale a soma das 
partículas que constituem o átomo ?? 
Massa Atômica x Soma das Partículas Constituintes 
Vamos analisar o caso do deutério (2H) 
 
1 próton + 1 nêutron = (1,007276 uma) + (1,008665 uma) 
Deutério = 2,015941 uma 
 
Segundo dados de espectrometria de massas 2H = 2,01355 uma 
 
Equivale a uma variação de massa de - 0,00239 
Parte da massa é convertida em energia: DE=(Dm).c2 
(Equação de Einstein) 
 
A energia liberada na formação de um núcleo atômico é a principal fonte 
de energia para a vida em nosso planeta. 
No Sol ocorre a fusão de núcleos de H para formação de He 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Será que o modelo atômico de Rutherford é completo? 
Modelo Atômico Atual 
Como explicar porque os elétrons não caem no núcleo? 
 
Todos elétrons no átomo têm a mesma energia? 
 
Qual é a orbita dos elétrons. Onde estão localizados no espaço? 
Mecânica Quântica 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
• Maxwell 
 Desenvolveu um modelo matemático para descrever todas as 
formas de radiação em termos de campos elétricos e magnéticos 
oscilantes (que variam com o tempo) e que atravessam o vácuo a 
3x108m/s (c-velocidade da luz). 
Surgimento da Mecânica Quântica - Histórico 
. = c 
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• Radiação do Corpo Negro 
 Max Planck resolveu o problema da catástrofe do ultravioleta 
Surgimento da Mecânica Quântica - Histórico 
À medida que um objeto é aquecido, ele passa a brilhar 
com maior intensidade. A cor da luz emitida muda do 
vermelho para o branco conforme a temperatura é 
aumentada (Incandescente). 
As teorias da época previam que a intensidade da radiação aumentaria 
continuamente com a diminuição do comprimento de onda, fato que 
não condiz com a realidade 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
A Hipótese de Planck 
 Baseado nas observações anteriores Planck (1900) fez uma das maiores 
descobertas do mundo atômico: a quantização da energia 
 
Cria a idéia de PACOTES DE ENERGIA – QUANTA 
 
 A hipótese de Planck implica em que a radiação de freqüência  pode ser 
gerada somente se energia suficiente estiver disponível. 
E = h •  
h = Constante de Planck = 6,6262 x 10-34 J.s 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
O efeito fotoelétrico só é observado 
quando uma luz de freqüência 
adequada atinge uma amostra 
metálica, arrancando elétrons 
superficiais e fazendo com que o 
metal adquira carga positiva 
 
O Efeito Fotoelétrico 
Outra evidência dos “Pacotes de energia” 
Observações experimentais: 
- Nenhum elétron é ejetado até que a radiação tenha freqüência acima de um determinado valor 
característico para cada metal. Os elétrons são ejetados imediatamente, por menor que seja a intensidade 
da radiação; 
-A energia cinética dos elétrons ejetados aumenta linearmente com a freqüência da radiação incidente. 
Einstein propôs que 
a luz é formada por 
fótons com 
comportamento de 
partículas 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Usar uma ferramenta que possa interagir com os elétrons e gerar 
informações que possam ser utilizadas na mecânica quântica. 
Como aplicar o modelo quântico ? 
Que ferramenta é essa ? 
A radiação eletromagnética ! 
- Campo elétrico afeta as partículas carregadas 
Os átomos são estudados pela observação das propriedades das 
radiações eletromagnéticas que eles absorvem e/ou emitem resultante 
das interações entre a luz e a matéria. 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Bohr relacionou as idéias quânticas de Planck e Einstein e criou 
um modelo atômico quântico acrescentando 3 postulados ao 
modelo atômico de Rutherford. 
Modelo de Bohr - 1913 
* O átomo é formado por 
um núcleo e níveis de 
energia quantizada, nos 
quais os elétrons estão 
distribuídos. 
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E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
Na próxima aula 
 
O Átomo de Bohr e o Mundo Quântico 
E s t r u t u r a d a M a t é r i a 
 Com base no espectro de 
massas do Ne mostrado ao lado: 
(a) calcule a massa atômica do Ne 
em unidades de massa atômica e 
em gramas. Compare o resultado 
encontrado com os dados 
apresentados na Tabela Periódica. 
(b) Mostre a quantidade de elétrons, 
prótons e nêutrons de cada isótopo. 
Exercício 
Dados: 1 uma = 1,66054 x 10-24 g 
1 g = 6,02214 x 1023 uma