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Evolução de Teorias de
Estrutura da Matéria
— Séculos XIX e XX
Joaquim D. Da Motta Neto
Departamento de Química, UFPR, P.O. Box 19081,
Centro Politécnico, Curitiba, PR 81531-990, Brasil
CQ167, Aula #4
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Outra manifestação do Atomismo é a estrutura atômica. De onde ela veio? Quais são as idéias por trás da teoria? 
No começo do Século XIX, um dos problemas mais intrigantes era a necessidade de uma estrutura atômica.
Hoje começaremos a ver 
como estas idéias evoluíram...
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Resumo
Primórdios: Avogadro, Faraday etc.
Kirchhoff e a espectroscopia (1865)
A tabela periódica de Mendeleev (1869)
Parábolas de Thomson – ionização (1898)
Modelo planetário (Rutherford, 1911-1914)
Conclusões
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Primórdios: fim do século XVIII 
J.J. Becher propôs e George E. Stahl popularizou a hipótese do “flogístico” (a palavra provavelmente tem sua origem em Platão, =queimar ou =queimar com paixão).
Apesar das falhas da teoria (principalmente o ganho de peso dos metais durante a calcinação), no começo do século XIX muitos ainda acreditavam nela.
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Primórdios: como a Alquimia 
virou uma Ciência, a Química 
O Tratado Elementar de Química (Lavoisier, 1780) 
A lei das proporções definidas 
 (Richter, 1792; Proust, 1794).
O Novo Sistema de Filosofia Química (Dalton, 1808).
Hipótese de Avogadro (1813).
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Antoine Lavoisier (1743-1794)
Provou que a combustão de qualquer material envolve sua combinação com oxigênio.
Em 1783 demonstrou a inconsistência da teoria do flogisto em seu tratado Reflexions sur le Phlogistique.
Em 1787, inventou o ainda hoje familiar sistema de nomenclatura química... Seu Traité Élémentaire de Chimie (1789) foi o primeiro livro-texto de Química.
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John Dalton (1766-1844)
Interessado em Meteorologia, entre 1799 e 1801 leu uma série de papers sobre tópicos meteorológicos perante a Literary and Philosophical Society. Nestes papers há uma declaração independente da lei de Charles, mais a hoje famosa lei das pressões parciais.
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Dalton calculou também pesos atômicos a partir de dados de composição percentual de compostos.
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Consolidou sua teoria no tratado New System of Chemical Philosophy (1808-1827).
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Joseph L. Proust (1754-1826)
Em 1794, enunciou a Lei das Proporções Definidas, que forma a base da estequeometria.
Em 1815, Proust propôs que os pesos atômicos são todos múltiplos do peso do átomo de hidrogênio. A hipótese de Proust é a de que “o hidrogênio é a matéria primordial que forma os outros elementos, por condensações sucessivas.”
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Amadeo Avogadro (1776-1856)
Em 1811, publicou um artigo no Journal de Physique em que claramente distinguia os átomos das moléculas. Chamou a atenção para o fato de que Dalton tinha confundido os dois conceitos. 
Em 1813, declarou que volumes iguais de quaisquer gases, à mesma temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas.
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Jöns Berzelius (1779-1848)
Um aluno de Dalton, em 1811 introduziu o sistema clássico de símbolos químicos (a abreviação em 2 letras do nome em latim).
Desenvolveu uma teoria de combinações químicas: grupos estáveis de átomos (os “radicais”) eram trocados por moléculas durante as reações.
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Em 1817 descobriu o selênio (Z=34, A=793)... E em 1828, descobriu o tório (Z=90, A=232)
Berzelius desenvolveu os conceitos de “íon” e “composto iônico”. Sua teoria tornou ridícula a idéia da molécula de O2, e ajudou a fomentar a rejeição inicial à hipótese de Avogadro.
Publicou em 1818 a primeira tabela de pesos atômicos, que continha apenas 42 elementos.
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As exigências de exatidão nas medidas de variação 
de energia levaram a um natural desenvolvimento da
Teoria da Eletricidade. 
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Michael Faraday (1791-1867)
Aos 21 anos se tornou assistente de Humphry Davy no laboratório da Royal Institution em Londres... Lá descobriu dois novos cloretos de carbono, e conseguiu liquefazer cloro e outros gases. Isolou benzeno em 1825.
Descobriu em 1845 que um forte campo magnético pode rodar o plano da luz polarizada (efeito Faraday)
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Em 1831, demonstrou seu princípio da indução: se uma corrente elétrica podia “criar” um campo magnético, seria bem possível que um campo magnético “criasse” uma corrente elétrica...
Motivado pelo trabalho de Davy, realizou os experi- mentos que levariam em 1834 às leis de Faraday da eletrólise... E sugeriu o polêmico conceito das “linhas de força” que levaria às equações de Maxwell.
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Neste ponto, ainda só se conhecia uma parte dos elementos. Vários deles só seriam descobertos com o aparecimento de novas e mais poderosas técnicas de análise...
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G. Kirchhoff & Robert Bunsen
O espectroscópio (inventado em 1865) logo se tornou uma poderosa ferramenta de análise... Vários elementos então desconhecidos seriam descobertos nos anos seguintes:
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Este inchaço na lista de elementos levou a uma curiosidade a respeito dos aspectos gerais da estrutura atômica... Muito na linha do atomismo de Leucipo e Demócrito.
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Dmitri Mendeleev
(1834-1907)
Por volta de 1860, pouco mais de 70 elementos químicos eram conhecidos...
Dimitri I. Mendeleev era um professor de Química Geral em São Petersburgo. Ele havia descoberto o fenômeno do ponto crítico durante um período em Heidelberg.
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A Tabela Periódica.
O enorme número de elementos recém-descobertos fez com que se tentasse racionalizar as tendências das propriedades...
Em 1860, aconteceu o Congresso de Química em Karlsruhe. Stanislao Canizzaro reviveu a hipótese de Avogadro. Lothar Meyer estava presente.
Em 1869, Mendeleev iniciou seu trabalho no sentido de racionalizar as propriedades dos compostos.
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O trabalho consistiu apenas de coletar as propriedades conhecidas dos elementos e escrevê-las em cartões grandes... 
Uma vez que um grande número de cartões foi arrumado e exibido em conjunto, notou-se que todas as propriedades eram funções periódicas do número atômico (na época usava-se o peso, mas Mendeleev atribuiu a cada elemento um “número de ordem” indicador do conjunto de propriedades).
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Ao montar sua classificação em séries de átomos análogos, Mendeleev percebeu que havia lacunas... E propositadamente as deixou em branco! Ele esperou que tais elementos fossem descobertos. E eles foram, anos depois... 
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O triunfo de Mendeleev
A tabela periódica permitiu a Mendeleev predizer a existência de elementos então desconhecidos. Os casos mais famosos foram o do eka-alumínio, eka-boro e do eka-silício: não apenas a existência dos elementos foi postulada, mas também as propriedades deles, de seus cloretos e de seus óxidos foram apresentadas com considerável precisão!
D. Mendeleev, J. Russian Chem. Soc, 3, 25-56 (1871), 
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Em 1875 Paul Lecoq de Boisbaudran descobriu o eka-alumínio (Z=31, A=69,7), que ele chamou de “gálio” em homenagem à Gália (França).
Boisbaudran encontrou a evidência espectroscópica do novo elemento através de duas linhas fracas de cor violeta em 417 nm e 403 nm. Após obter o elemento em forma metálica, a densidade do gálio foi medida como 5,935 g.cm-3 ...
P.E. Lecoq de Boisbaudran, Annales de Chimie 
10(5), 100-141 (1877).
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Em 1876 Lars Fredrik Nilson analisava os minérios euxenita e gadolinita quando descobriu o eka-boro (Z=21, A=45), que ele chamou de “escândio” em homenagemà Escandinávia.
Nilson chamou a atenção para o fato de que Mendeleev havia predito que tal elemento deveria ter massa atômica entre os valores 40 (cálcio) e 48 (titânio)...
L.F. Nilson, Comptes Rendues 88, 642-647 (1879); ibid. 91, 118-121 (1880).
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Em 1886, Clemens Winkler anunciou a descoberta do eka-silício (Z=32, A=72,6), que ele chamou de “germânio” em homenagem à Alemanha.
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Compare as predições de Mendeleev com os resultados obtidos por Clemens 16 anos depois:
C. Clemens, Ber. Deutschen Chem. Gesellschaft 19, 210-211 (1886); J. praktische Chemie 142 (N. F. 34), 177-229 (1886). 
Bastante impressionante !
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Na década de 1860 o esforço 
de Mendeleev se destacou de outros (como Lothar Meyer e A.E. de Chancourtois) pela clareza de suas explicações e sua ousadia ao prever os ele- mentos ainda por descobrir... 
Seu livro Princípios de Química é um texto único, escrito de forma clara, mas com muitas notas de rodapé e comentários irônicos.
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Problema:
Alguns elementos pareciam estar fora de lugar.
 Em 1894, Lord Rayleigh & William Ramsay descobriram o argônio (de  =inerte). 
Quando este foi isolado, sua massa atômica era muito similar à do cálcio (A=40)... Mas Ar é um gás inerte, enquanto Ca é um metal reativo  ????
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Outros problemas: havia uma natural curiosidade a respeito da estrutura atômica. O que eram aqueles elementos chamados de “átomos”? De onde vinha aquela estranha periodicidade das propriedades, prevista tão acuradamente por Mendeleev?
?????????
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Joseph J. Thomson (1856-1940)
Entre 1896 e 1898, realizou diversos experimentos com tubos a vácuo melhorados feitos por William Crookes.
De seus resultados Thomson concluiu que os raios catódicos são constituídos por partículas elementares que se encontram em qualquer matéria.
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1º Experimento de Thomson (1897)
Partindo do aumento da temperatura e da capacidade calorífica do eletrodo, calculou a energia W que as partículas de raios catódicos descarregavam. Admitiu ser esta energia igual à energia cinética das partículas 
onde N é o número de partículas de massa m e velocidade v que chegam ao eletrodo.
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A carga total Q recolhida no eletrodo é 
Combinando estas duas equações, vem 
Portanto, para calcular e/m, é necessário apenas determinar a velocidade v das partículas. 
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Aplicando-se um campo magnético de intensidade conhecida H, as partículas são desviadas (pois estão carregadas). Das leis de Maxwell, sabemos que a trajetória das partículas é circular com raio r. Assim, 
Todas as grandezas do lado direito podem ser medidas, inclusive o raio r (determinado pela fluorescência). 
donde
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O 2º experimento de Thomson
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Cada um dos campos, aplicado sozinho, desvia o feixe de partículas, mas em direções opostas. Assim, mantendo-se o campo elétrico constante, pode-se ajustar o campo magnético até que o feixe retorne a sua direção de propagação original (horizontal). As forças de cada campo são iguais: 
e portanto a velocidade das partículas é 
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A segunda parte do experimento é remover o campo magnético, e medir o desvio produzido apenas pelo campo elétrico... Quando as partículas passam entre as placas, o força elétrica eE produz um desvio  . 
Da segunda lei de Newton, tiramos
e como
Chega-se sem dificuldades a 
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Como (e/m) para os raios catódicos é mais de 1000 vezes maior que para os íons, e diferente para íons diferentes, Thomson concluiu que os raios catódicos não eram átomos eletrizados, mas fragmentos corpusculares dos átomos (os “elétrons” propostos por George J. Stoney).
A seguir Thomson propôs seu modelo para a estrutura do átomo... 
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O modelo pudim de passas (1903)
Modelo do “plum pudding” ou “muffin tin” (pudim de passas): elétrons carregados negativamente estariam localizados no interior de uma distribuição contínua, supostamente esférica, de carga positiva.
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O modelo de Thomson tinha problemas: 
Não explicava o espectros atômicos.
Previa que o ângulo de espalhamento de partículas  por átomos de ouro deveria ser muito pequeno, no máximo 1. O resultado experimental é muito maior.
Por estes motivos, logo foi substituído pelo modelo planetário de Rutherford e Bohr.
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Ernest Rutherford
Em 1898 descobriu os raios  e .
Em 1908 recebeu o Prêmio Nobel por suas investigações a respeito da Química dos elementos radioativos.
Em 1911 realizou com seus alunos o famoso experimento em que uma lâmina de ouro é bombardeada com partículas  (átomos de hélio ionizados).
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O experimento de Rutherford
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Rutherford propôs em 1914 o chamado “modelo planetário” do átomo.
A carga positiva tinha de estar concentrada em uma região muito pequena no centro do átomo.
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O modelo de Rutherford tinha sérios problemas:
Sabia-se que partículas carregadas (tais como os elétrons) emitiam radiação quando sujeitas a forças externas... Portanto, os elétrons em órbita ao redor do núcleo deveriam perder energia e colapsarem no núcleo (O tempo de existência do átomo podia ser calculado como algo da ordem de 10-7 s) ... Por que não o faziam ???
Os espectros atômicos deveriam apresentar bandas contínuas, e não linhas discretas. 
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Conclusão: 
Nas primeiras duas décadas do século XX houve um esforço de explicar as raias dos espectros dos átomos, em particular do átomo de hidrogênio.
Apesar de alguns avanços, a maior parte dos esforços falhou devido à maior parte dos pesquisadores ainda estar ligado às concepções da Física Clássica ...
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A seguir: Niels Bohr e a 
quantização do momento angular
Em 1912, introduziu a quantização no modelo de Rutherford como um postulado: existiam certas órbitas que podiam ser ocupadas pelos elétrons sem que estes emitissem energia.
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Próxima Aula:
 O espectro do Sol
 As séries espectrais
 O átomo de hidrogênio
 A equação de Schrödinger
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