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EstruturaEstrutura AtômicaAtômicaEstruturaEstrutura AtômicaAtômica A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica • Os gregos antigos foram os primeiros a postular que a matéria é constituída de elementos indivisíveis. Th l á • Thales – água • Anaxímenes – ar H á lit f• Heráclito – fogo • Empédocles – terra, ar, água e fogo (grande erro do pensamento humano )pensamento humano…) • Leupico – “a matéria é discreta ou contínua?” - átomos • Demócrito – existem muitos tipos de átomos (V AC)Demócrito existem muitos tipos de átomos (V AC) Teoria atômica da matériaTeoria atômica da matéria • John Dalton: Cada elemento é composto de átomos– Cada elemento é composto de átomos. – Todos os átomos de um elemento são idênticos. – Nas reações químicas os átomos não são alterados– Nas reações químicas, os átomos não são alterados. • Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam. • Lei de Dalton das proporções múltiplas: Quando dois elementos formam diferentes compostos, a proporção da massa dos elementos t tá l i d à ã d d t em um composto está relacionada à proporção da massa do outro através de um número inteiro pequeno. • Mais tarde, os cientistas constataram que o átomo era constituído de entidades carregadas. – Faraday e seus co st tu do de e t dades ca egadas a aday e seus experimentos de eletroquímica… A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i Raios catódicos e elétrons atômicaatômica Raios catódicos e elétrons • Um tubo de raios catódicos é um recipiente com um eletrodo em cada extremidade. • Uma voltagem alta é aplicada através dos eletrodos. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R i tódi lét atômicaatômica Raios catódicos e elétrons A lt f tí l ti d l d • A voltagem faz com que partículas negativas se desloquem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo. • A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um campo magnético. • Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo através de um pequeno orifício. – Se eles interagirem com um campo magnético perpendicular a um campo elétrico aplicado os raios catódicos podem sofrer um campo elétrico aplicado, os raios catódicos podem sofrer diferentes desvios. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R i tódi lét atômicaatômica Raios catódicos e elétrons A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R i tódi lét atômicaatômica Raios catódicos e elétrons A tid d d d i d i tódi d d d – A quantidade de desvio dos raios catódicos depende dos campos magnético e elétrico aplicados. – Por sua vez, a quantidade do desvio também depende da Por sua vez, a quantidade do desvio também depende da proporção carga-massa do elétron. • Em 1897, Thomson determinou que a proporção carga-massa de um elétron é 1,76 × 108 C/g. • Objetivo: encontrar a carga no elétron para determinar sua massa. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R di ti id d atômicaatômica Radioatividade Considere o seguinte experimento: • Uma substância radioativa é colocada em um anteparo contendo • Uma substância radioativa é colocada em um anteparo contendo um pequeno orifício de tal forma que um feixe de radiação seja emitido pelo orifício.p • A radiação passa entre duas chapas eletricamente carregadas e é detectada. T ê b d d• Três pontos são observados no detector: – um ponto no sentido da chapa positiva, – um ponto que não é afetado pelo campo elétricoum ponto que não é afetado pelo campo elétrico, – um ponto no sentido da chapa negativa. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica Radioatividade A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R di ti id d atômicaatômica Radioatividade • Um alto desvio no sentido da chapa positiva corresponde à radiação que é negativamente carregada e tem massa baixa Essa se radiação que é negativamente carregada e tem massa baixa. Essa se chama radiação β (consiste de elétrons). • Nenhum desvio corresponde a uma radiação neutra. Essa se chama p ç radiação γ. • Um pequeno desvio no sentido da chapa carregada negativamente corresponde à radiação carregada positivamente e de massa alta. Essa se chama radiação α. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R i tódi lét atômicaatômica Raios catódicos e elétrons C id i t i tConsidere o seguinte experimento: • Gotas de óleo são borrifadas sobre uma chapa carregada positivamente contendo um pequeno orifício. 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 • Quando uma gota está perfeitamente equilibrada, seu peso é igual à força de atração eletrostática entre a gota e a chapa positiva. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R i tódi lét atômicaatômica Raios catódicos e elétrons A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i R i tódi lét atômicaatômica Raios catódicos e elétrons Utili d t i t Millik d t i • Utilizando este experimento, Millikan determinou que a carga no elétron é 1,60 x 10-19 C. • Conhecendo a proporção carga-massa, 1,76 x 108 C/g, Millikan calculou a massa do elétron: 9,10 x 10-28 g. • Com números mais exatos, concluimos que a massa do elétron é 9 10939 x 10-28 g9,10939 x 10 28 g. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i O át ú l atômicaatômica O átomo com núcleo • Pela separação da radiação, conclui se que o átomo consiste de conclui-se que o átomo consiste de entidades neutras e carregadas negativa e positivamente.g p • Thomson supôs que todas essas espécies carregadas eram d fencontradas em uma esfera. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i O át ú l atômicaatômica O átomo com núcleo Rutherford executou o seguinte experimento: • Uma fonte de partículas α foi colocada na boca de um detector • Uma fonte de partículas α foi colocada na boca de um detector circular. • As partículas α foram lançadas através de um pedaço de chapa de p ç p ç p ouro. • A maioria das partículas α passou diretamente através da chapa, d isem desviar. • Algumas partículas α foram desviadas com ângulos grandes. • Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto o resultado Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto, o resultado de Rutherford seria impossível. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i O át ú l atômicaatômica O átomo com núcleo P f i i d tí l t é d • Para fazer com que a maioria das partículas α passe através de um pedaço de chapa sem sofrer desvio, a maior parte do átomo deve consistir de carga negativa difusa de massa baixa − o elétron.consistir de carga negativa difusa de massa baixa o elétron. • Para explicar o pequeno número de desvios grandes das partículas α, o centro ou núcleo do átomo deve ser constituído de uma carga positiva densa. A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i O át ú l atômicaatômica O átomo com núcleo • Rutherford modificou o modelo de Thomson da seguinte maneira:Thomson da seguinte maneira: – Suponha que o átomo é esférico p q mas a carga positiva deve estar localizada no centro, com uma i dif carga negativa difusa em torno dele. A descobertada estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica • O átomo consite de entidades neutras, positivas e negativas (prótons elétrons e nêutrons)(prótons, elétrons e nêutrons). • Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo do átomo, que é p , q pequeno. A maior parte da massa do átomo se deve ao núcleo. – Pode haver um número variável de nêutrons para o mesmo ú d ó O i ó ê ú d número de prótons. Os isótopos têm o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons. • Os elétrons estão localizados fora do núcleo. Grande parte do volume do átomo se deve aos elétrons. A visão moderna da estrutura A visão moderna da estrutura tô itô i Isótopos números atômicos e números de massa atômicaatômica Isótopos, números atômicos e números de massa • Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo Número de Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo. Número de massa (A) = número total de núcleos no núcleo (por exemplo, prótons e nêutrons). • Por convenção, para um elemento X, escreve-se XAZ • Isótopos têm o mesmo Z, porém A é diferente. Z • Encontramos o Z na tabela periódica. Pesos atômicosPesos atômicos A escala de massa atômica • A massa do 1H é 1,6735 x 10-24 g e do 16O é 2,6560 x 10-23 g. • Definimos: a massa de 12C = exatamente 12 u. • Usando unidades de massa atômica: 1 u = 1,66054 x 10-24 g 1 g = 6,02214 x 1023 u Como 1mol = 6,02214 x 1023 unidades, Podemos associar u e g para 1 mol de substânciaPodemos associar u e g para 1 mol de substância Pesos atômicosPesos atômicos Massas atômicas médias • A massa atômica relativa: massas médias dos isótopos: – O C natural: 98,892 % de 12C + 1,107 % de 13C., , • A massa média do C: (0 9893)(12 ) (0 010 )(13 00335) 12 01 • (0,9893)(12 u) + (0,0107)(13,00335) = 12,01 u • A massa atômica (MA) é também conhecida como massa atômica • A massa atômica (MA) é também conhecida como massa atômica média, ou simplesmente peso atômico. • As massas atômicas estão relacionadas na tabela periódica. Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr O d l d B h modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr • Rutherford supôs que os elétrons orbitavam o núcleo da mesma forma que os planetas orbitam em torno do sol. • Entretanto, uma partícula carregada movendo em uma trajetória circular deve perder energia. • Isso significa que o átomo deve ser instável de acordo com a teoria d R h f dde Rutherford. Natureza ondulatória da luzNatureza ondulatória da luz Natureza ondulatória da luzNatureza ondulatória da luz • Todas as ondas têm um comprimento de onda característico, λ, e uma amplitude, A. • A frequência, ν, de uma onda é o número de ciclos que passam por dum ponto em um segundo. • A velocidade de uma onda, V, é dada por sua frequência lti li d l i t d d V λmultiplicada pelo seu comprimento de onda. V=ν. λ • Para a luz, velocidade = c = ν. λ Natureza ondulatória da luzNatureza ondulatória da luz Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr modelo de Bohrmodelo de Bohr • Bohr observou o espectro de linhas de determinados elementos e admitiu que os elétrons estavam confinados em estados específicos de energia Esses foram denominados órbitas ou camadasde energia. Esses foram denominados órbitas, ou camadas. Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohrmodelo de Bohrmodelo de Bohr Espectros de linhas • Balmer: descobriu que as linhas no espectro de linhas visíveis do hidrogênio se encaixam em uma simples equação. • Mais tarde Rydberg generalizou a equação de Balmer• Mais tarde, Rydberg generalizou a equação de Balmer para: ⎞⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −⋅= 2 2 2 1 111096781 nnλ em que 109678 é uma constante empírica. ⎠⎝ 21 q p Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr • Já que os estados de energia são quantizados, a luz emitida por át it d d ti d t dátomos excitados deve ser quantizada e aparecer como espectro de linhas. • Após muita matemática Bohr mostrou que• Após muita matemática, Bohr mostrou que( ) ⎟⎠⎞⎜⎝⎛×−= − 218 1J 1018.2E onde n representa o número da camada em que se encontra o elétron mais tade conhecida como número quântico principal (por ( ) ⎠⎝ 2n elétron, mais tade conhecida como número quântico principal (por exemplo, n = 1, 2, 3, … e nada mais). Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr OO ensaioensaio dede chamaschamas modelo de Bohrmodelo de Bohr O O ensaioensaio de de chamaschamas Li Na K Energia quantizada e fótonsEnergia quantizada e fótons • Planck: a energia só pode ser liberada (ou absorvida) por átomos em certos pedaços de tamanhos mínimos, chamados quantum. • A relação entre a energia e a frequência é onde h é a constante de Planck (6,626 × 10-34 J s). ν= hE Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr modelo de Bohrmodelo de Bohr O modelo de Bohr • Podemos mostrar que ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −×−=λ=ν=Δ − 22 18 11J 1018.2 nn hchE • Quando ni > nf, a energia é emitida. ⎟⎠⎜⎝λ if nn f • Quando nf > ni, a energia é absorvida. ( ) ⎞⎛18( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −×−= − 22 18 11J1018.21 if nnhcλ 109730 ExercícioExercício Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr Limitações do modelo de Bohr modelo de Bohrmodelo de Bohr Limitações do modelo de Bohr • Pode explicar adequadamente apenas o espectro de linhas do átomo de hidrogênio. • Os elétrons não são completamente descritos como partículas pequenas. O Comportamento O Comportamento ondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matéria • Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória.razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória. • Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie mostrou: m v h=λ • O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquanto λ é uma propriedade ondulatória. d B li i i d d í l f i• de Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas, com efeitos notáveis se os objetos são pequenos. O Comportamento O Comportamento ondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matéria O Comportamento O Comportamento ondulatório da matériaondulatório da matéria O princípio da incerteza ondulatório da matériaondulatório da matéria O princípio da incerteza • O princípio da incerteza de Heisenberg: na escala de massa de tí l tô i ã d d t i t tpartículas 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 simultaneamenteposição simultaneamente. • Mas podemos baseando nos na estatística determinar a• Mas podemos, baseando-nos na estatística, determinar a probabilidade de encontrar um elétron em determinada região. Mecânica quântica e Mecânica quântica e orbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicos • Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e tí l f t tí tipartícula, com enfoque estatístico. A l d l à f d d d fi• 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 eencontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo e nos leva à definição de orbital. Mecânica quântica e Mecânica quântica e orbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicos • Equações de Schrödinger: PartículasPartículas elementareselementares…… • O Modelo Padrão:
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