Química Aplicada à Engenharia - 3

Prévia do material em texto

OS ELÉTRONS E 
PERIODICIDADE QUÍMICA
Aula 2
Os elétrons
 Modelo da Mecânica Quântica e as energias 
eletrônicas
 O Insucesso da mecânica clássica
Mecânica 
Clássica
Mecânica 
Quântica
Os elétrons
 Princípio da incerteza de Heisenberg
“O produto da incerteza associada ao
valor de uma coordenada xi e a incerteza
associada ao seu correspondente momento
linear pi não pode ser inferior, em
grandeza, à constante de Planck
normalizada.”
∆𝑥. ∆𝑝 ≥
ħ
2
Werner Heisenberg
ħ – Constante de Planck dividida por 2π
 Os níveis eletrônicos de energia
Os elétrons
Orbital
• Estados individuais que podem ser 
ocupados por um elétron (nível de 
energia)
Spin Eletrônico
• Possíveis sentidos de rotação atribuídos 
aos elétrons (+1/2, -1/2), ou seja, 
sentido horário e anti-horário.
Paramagnetismo
• É o comportamento que o elétron possui de ser 
atraído por um campo eletromagnético quando 
encontra-se “desemparelhado.
Subcamadas
• Agrupamento de orbitais em um átomo. No estado 
fundamental os elétrons em um átomo ocupam quatro 
de subcamadas designadas por s, p, d e f que 
consistem em 1, 3, 5 e 7 orbitais respectivamente.
Os elétrons
 Representação Esquemática de orbitais
Os elétrons
subcamada f
subcamada d
subcamada p
subcamada s
Camadas
• Agrupamento de subcamadas. É designada pelo 
valor do número quântico principal representado 
pela letra n ou recebe a denominação de uma 
letra: K, L, M, N, etc.
Regra de Hund
• Os elétrons numa mesma subcamada tendem a 
permanecer desemparelhados (em orbitais 
separados) com spins paralelos.
Os elétrons
 Os números Quânticos
Os elétrons
As teorias da MECÂNICA QUÂNTICA, definidas por Planck, De Broglie, Schrödinger
e Heisemberg, dentre outras, auxiliaram na identificação dos elétrons.
Os NÚMEROS QUANTICOS são os modelos que nos auxiliam na localização 
e identificação da posição do elétron na orbita de um átomo.
1. Números Quânticos Principal (n);
2. Números Quânticos Secundário (l);
3. Números Quânticos Magnético (ml);
4. Números Quânticos Spin (ms);
1. Números Quânticos Principal (n): É um número inteiro que representa os níveis
de energia, desde n = 1, para o primeiro nível; n = 2 para o segundo nível e assim até
o infinito.
Como nos átomos conhecidos número
máximo de camada é igual a 7, o NÚMERO
QUÂNTICO PRINCIPAL VARIA DE 1 A 7.
1 2 3 4 5 6 7
O NÚMERO QUÂNTICO PRINCIPAL foi deduzido
independentemente por Bohr e Schrödinger, pela fórmula:
E = - 2.π2 . m . e4 . Z2
n2. h2
E = energia de uma camada;
m = massa de um elétron;
e = carga de um elétron;
Z = número atômico;
h = constante de Planck;
n número quântico principal;
Os elétrons
Camada Número Quântico 
Principal
(n)
Número máximo de 
elétron (Teórico)
(2n2)
Número máximo de 
elétron (Prática)
(2n2)
K 1 2.12 = 2 2
L 2 2.22 = 8 8
M 3 2.32 = 18 18
N 4 2.42 = 32 32
O 5 2.52 = 50 32
P 6 2.62 = 72 18
Q 7 2.72 = 98 2
 Número máximo de elétrons nas camadas = 2n2
Os elétrons
2. Números Quânticos Secundário (l): Também conhecido como número quântico
de momento angular do orbital. Caracteriza a uma subdivisão de energia dentro de
cada camada, revelando, desta maneira a existência do Subnível de Energia.
l = 0; 1; 2; ...; n - 1
l = 0; l = 1; l = 2; l = 3;
Os elétrons
l = 0 indica o subnível s
l = 1 indica o subnível p
l = 2 indica o subnível d
l = 3 indica o subnível f
Camada Subníveis Existentes na Camada Quantidade de 
Subníveis na Camada
K (n = 1) s (l = 0); 1
L (n = 2) s (l = 0); p (l = 1) 2
M (n = 3) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); 3
N (n = 4) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); f (l = 3) 4
O (n = 5) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); f (l = 3) 4
P (n = 6) s (l = 0); p (l = 1); d (l = 2); 3
Q (n = 7) s (l = 0); 1
Os elétrons
1 K
2 L
3 M
4 N
5 O
6 P
7 Q
1s
2s
3s
4s
5s
6s
7s
2p
3p
4p
5p
6p
3d
4d
5d
6d
4f
4f
 Diagrama de Linus Pauling
Os elétrons
Linus Pauling
Cada subnível pode representar um ou mais orbitais, sendo que, O NÚMERO
MÁXIMO DE ORBITAIS É CALCULADO PELA EXPRESSÃO:
l = 0 (2.0 +1) = 1 - corresponde ao subnível s
l = 1 (2.1 +1) = 3 - corresponde ao subnível p
l = 2 (2.2 +1) = 5 - corresponde ao subnível d
l = 3 (2.3 +1) = 7 - corresponde ao subnível f
s
p
d
f
Os elétrons
O NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS NO SUBNÍVEL É CALCULADO PELA
EXPRESSÃO:
2.(2l + 1)
l = 0 2. (2.0 +1) = 2 ELÉTRONS
l = 1 2. (2.1 +1) = 6 ELÉTRONS
l = 2 2. (2.2 +1) = 10 ELÉTRONS
l = 3 2. (2.3 +1) = 14 ELÉTRONS
s
p
d
f
O NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS NAS CAMADAS 32
Os elétrons
1 K
2 L
3 M
4 N
5 O
6 P
7 Q
1s
2s
3s
4s
5s
6s
7s
2p
3p
4p
5p
6p
3d
4d
5d
6d
4f
4f
2 elétrons
8 elétrons
18 elétrons
32 elétrons
32 elétrons
18 elétrons
2 elétrons
Os elétrons
3. Números Quânticos Magnético (ml): Caracteriza o orbital em que existe a
probabilidade de se encontrar o elétrons. O número quântico magnético assume
valores positivos e negativos.
l = 0 (2.0 +1) = 1 - corresponde ao subnível s
l = 1 (2.1 +1) = 3 - corresponde ao subnível p
l = 2 (2.2 +1) = 5 - corresponde ao subnível d
l = 3 (2.3 +1) = 7 - corresponde ao subnível f
s
ml = 0
d
ml = -2, -1, 0, 1, 2
f
ml = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3
p
ml = -1, 0, 1
Os elétrons
4. Números Quânticos Spin (ms): De acordo com a mecânica quântica um elétron tem
dois estados de spin representados pelas setas sendo que estas setas só podem
assumir dois valores +1/2 e -1/2.
Os elétrons
Linus Pauling (1901 a 1994): Químico norte americano desenvolveu a
metodologia prática que fornece a ordem crescente de energia dos
subníveis.
Tem maior energia o elétron que apresenta a maior soma dos números quânticos
principal e secundário ( n + l).
Exemplo1: Entre os subníveis 5d e 6s qual o de maior energia?
5d → n = 5; l = 2. n + l = 7
6s → n = 6; l = 0. n + l = 6
5d é o de maior energia.
Exemplo 2: Entre os subníveis 4p e 5s qual o de maior energia?
4p → n = 4; l = 1. n + l = 5
5s → n = 5; l = 0. n + l = 5
5s é o de maior energia, pois apresenta 
maior número quântico principal.
Os elétrons
1 K
2 L
3 M
4 N
5 O
6 P
7 Q
1s
2s
3s
4s
5s
6s
7s
2p
3p
4p
5p
6p
3d
4d
5d
6d
4f
5f
2 elétrons
8 elétrons
18 elétrons
32 elétrons
32 elétrons
18 elétrons
2 elétrons
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 4f14, 5d10, 6p6, 7s2...
Regra de Hund: Princípio da Máxima Multiplicidade.
A distribuição dos elétrons é feita em duas etapas:
1. Coloca-se inicialmente um elétron em cada orbital, este deve apresentar spins
paralelos;
2. Após cada orbital, do mesmo subnível, apresentar um elétron inicia-se o
emparelhamento dos demais.
1 Elétron
2 Elétrons
3 Elétrons
5 Elétrons
Os elétrons
Fazer a distribuição eletrônica para os átomos abaixo. Identificar o última camada, o 
subnível mais energético.
a) Na (Z=11); b) Mn (Z=25); c) Co (Z=27).
Exercício
IMPORTANTE: OS ELÉTRONS MAIS EXTERNOS SÃO USADOS NA 
FORMAÇÃO DAS LIGAÇÕES QUÍMICAS. A TEORIA QUE DEFINE ESTAS 
LIGAÇÕES É CONHECIDA COMO TEORIA DA LIGAÇÃO PELA VALÊNCIA.
Fazer a distribuição eletrônica para os átomos dos gases
nobres, dos metais alcalinos, alcalinos terrosos e halogênios.Os elétrons
 As equações de onda
- É possível descrever qualquer movimento 
ondulatório por um tipo de equação matemática 
conhecida como equação de onda.
- Erwin Schrödinger: co-fundador da mecânica 
quântica
Os elétrons
Ψ(𝑥) = 𝐴 sin
𝜋𝑥
𝐿
x – posição ao longo da corda 
A – amplitude da onda 
L – comprimento da corda
Ψ(𝑥) – Função de 
onda ao longo de 
uma corda
 As equações de onda
Os elétrons
ORBITAL FUNCÃO DE ONDA
1s
Ψ1𝑠 = 𝜋
− 1 2 ∙ 𝑎0
− 3 2 ∙ 𝑒−( 𝑟 𝑎0)
2s
Ψ2𝑠 = (4𝜋)
− 1 2∙ (2𝑎0)
− 3 2∙ 2 −
𝑟
𝑎0
𝑒−( 𝑟 2𝑎0)
2px Ψ2𝑝𝑥 = (4𝜋)
− 1 2∙ (2𝑎0)
− 3 2∙
𝑟
𝑎0
∙ 𝑒−( 𝑟 2𝑎0) ∙ sin 𝜃 ∙ cos 𝜃
2py Ψ2𝑝𝑥 = (4𝜋)
− 1 2∙ (2𝑎0)
− 3 2∙
𝑟
𝑎0
∙ 𝑒−( 𝑟 2𝑎0) ∙ sin 𝜃 ∙ cos𝜑
2pz Ψ2𝑝𝑥 = (4𝜋)
− 1 2∙ (2𝑎0)
− 3 2∙
𝑟
𝑎0
∙ 𝑒−( 𝑟 2𝑎0) ∙ cos 𝜃
 Os orbitais
Os elétrons
A galeria dos orbitais atômicos
 Os orbitais
Os elétrons
Os orbitais
 São definidos matematicamente por equações de 
onda da mecânica quântica.
 As formas dos orbitais e as orientações espaciais 
de seus lobos são importantes na determinação dos 
ângulos das ligações químicas entre os átomos.
 Esta informação é útil para a determinação das 
formas geométricas das moléculas. 
O orbital 1s
Gráfico da densidade de probabilidade 
para um elétron ls A nuvem eletrônica de um elétron ls
O orbital 2s e 3s
Um orbital 2s. (a) Gráfico da densidade de 
probabilidade (não desenhado em escala). (b) 
Secção transversal da nuvem eletrônica
Um orbitar 3s. (a) Gráfico da densidade de 
probabilidade (não desenhado em escala). (b) 
Secção transversal da nuvem eletrônica
Orbital 2p e 3p
Um orbital 2p. (a) Gráfico da densidade
de probabilidade. (b) Secção transversal
da nuvem eletrônica
Um orbital 3p. (a) Gráfico da densidade de
probabilidade. (b) Secção transversal da
nuvem eletrônica
Orbitais 3d
Superfícies-limites dos cinco orbitais 3d
Orbitais f
Relação do número quântico 
secundário com os planos nodais
TIPO DE SUBNÍVEL 
NÚMERO QUÂNTICO
SECUNDÁRIO (L) 
QUANTIDADE DE 
PLANOS NODAIS EM 1
ORBITAL 
s 0 0 
p 1 1 
d 2 2 
f 3 3