Exercicios_UD_I_-_Teoria_Atomica_UFRRJ

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – QUÍMICA GERAL E INORGÂNICA
Profº Drº Jorge Luiz Ribeiro de Melos 
UD I - EXERCÍCIOS DE TEORIA ATÔMICA
1) A teoria atômica de John Dalton explica várias leis simples de combinação química que eram conhecidas naquela época. Citar e explicar as diferentes leis. Lei da composição constante (em determinado composto o número relativo de átomos e seus tipos são constantes); Lei da conservação da massa (a massa total dos materiais presentes depois da reação química é igual à massa total antes da reação); Lei das proporções múltiplas (se dois elementos, A e B, se combinam para formar mais de um composto, as massas de B, que podem se combinar com a massa de A, estão na proporção de números inteiros e pequenos.)
2) Como a teoria atômica de Dalton considera o fato de que quando 1,0 g de água decompõe-se em seus elementos, obtêm-se 0,1 g de hidrogênio e 0,889 g de oxigênio independentemente de qual for a origem da água? A teoria atômica afirma que o número relativo e os tipos de átomos em um composto são constantes, não importando a origem. Portanto, 1,0 g de água pura deverá conter sempre as mesmas quantidades relativas de hidrogênio e oxigênio, não importando onde nem como a amostra é obtida
3) Um químico descobre que 30,82 g de nitrogênio reagirão com 17,60 g; 35,20 g; 70,40 g ou 8,0 g de oxigênio para formar quatro compostos diferentes. (a) Calcule a massa de oxigênio por grama de nitrogênio em cada composto. (b) Como os números do item (a) confirmam a teoria atômica de Dalton? (a) 0,5711 g de O/1 g de N; 1,142 g de O/1 g de N; 2,284 g de O/1 g de N; 2,855 g de O/1 g de N. (b) Os números no item (a) obedecem à lei de proporções múltiplas. As proporções múltiplas surgem uma vez que os átomos são entidades indivisíveis que se combinam, como declarado na teoria atômica de Dalton.
4) Através dos estudos envolvendo tubos de Crookes (tubos de descarga características dos raios catódicos) descobriu-se o elétron. Então, faça um resumo das evidências usadas por J. J. Thomson para deduzir que os raios catódicos constituem-se de partículas carregadas negativamente. (1) Os campos elétricos e magnéticos desviaram os raios da mesma forma que eles desviariam partículas carregadas negativamente. (2) Uma chapa de metal exposta a raios catódicos adquiriu uma carga negativa.
5) (a) Qual é o objetivo da fonte de raios X no experimento da gota de óleo de Millikan? (b) Como visto a placa carregada positivamente está acima da placa carregada negativamente. Qual seria o efeito na velocidade das gotas de óleo que estão descendo se as cargas nas placas fossem invertidas (negativa acima da positiva)? (c) Em sua série original de experimentos, Millikan mediu a carga de 58 gotas de óleos separadas. Por que você acha que ele escolheu tantas gostas antes de chegar às suas conclusões finais? (a) No experimento de gota de óleo de Millikan, os raios X interagem com átomos ou moléculas gasosos dentro da câmara, formando íons positivos e elétrons livres. Os elétrons livres são dessa forma capazes de se recombinar com íons ou de se juntar às gotas de óleo. (b) Se a chapa positiva ficasse mais baixa do que a chapa negativa, as gotas de óleo ‘revestidas’ com elétrons carregados negativamente seriam atraídos à chapa carregada positivamente e desceriam muito mais rápido. (c) Quanto mais vezes uma medição é repetida, maior a chance de se detectar e compensar erros experimentais. Millikan queria demonstrar a validade de seu resultado pela sua reprodutibilidade.
6) Quais são as unidades do sistema internacional (SI) básicas para (a) o comprimento de onda da luz, (b) a freqüência da luz, (c) a velocidade da luz? (a) Metros; (b) 1/segundos e (c) metros/segundo
7) (a) Qual é a freqüência de radiação que tem um comprimento de onda de 0,452 pm? (b) Qual é o comprimento de onda de radiação que tem uma freqüência de 2,5 x 1016 s-1? (c) Quais radiações seriam visíveis a olho nu, as do item (a) ou do item (b)? (d) Qual a distância percorrida por uma visível e (d) 2,25 x 106 m.
8) Qual é a diferença entre um espectro contínuo e espectro de linhas. Como se pode ter um espectro contínuo.
9) Átomos de mercúrio excitados emitem luz intensa em um comprimento de onda de 436 nm. Qual é a freqüência desta radiação? Utilizando as diferentes regiões do espectro eletromagnético, determine a cor associada ao seu comprimento de onda. 6,8 x 1014 s–1; azul
10) Explique o experimento de Rutherford sobre o espalhamento de partículas α e seu modelo atômico.
11) (a) O que significa dizer que a energia é quantizada? (b) Por que não notamos a quantização da energia nas atividades cotidianas? (a) Quantização significa que a energia só pode ser absorvida ou emitida em quantidades específicas ou em múltiplos dessas quantidades. Essa quantidade mínima de energia é igual a uma constante vezes a freqüência da radiação absorvida ou emitida; E = hν. (b) Em atividades cotidianas, objetos macroscópicos como nossos corpos ganham e perdem quantidades totais de energia bem maiores do que um único quantum hν. O ganho ou a perda do relativamente minúsculo quantum de energia não são notados.
12) Um tipo de queimadura de sol ocorre com a exposição à luz UV de comprimento de onda na vizinhança de 325 nm. (a) Qual é a energia de um fóton com esse comprimento de onda? (b) Qual é a energia de um mol desses fótons? (c) Quantos fótons existem em uma rajada de 1,0 mJ dessa radiação? (a) 6,1 x 10-19 J/fóton; (b) 368 kJ/mol; (c) 1,64 x 1015 fótons.
13) O que é radiação de corpo negro e o efeito fotoelétrico?
14) O molibdênio metálico tem de absorver radiação com a freqüência mínima de 1,09 x 1015 s-1 antes que ele emita um elétron de sua superfície via efeito fotoelétrico. (a) Qual é a energia mínima necessária para produzir esse efeito? (b) Qual comprimento de onda de radiação fornecerá um fóton com essa energia? (c) Se o molibdênio é irradiado com luz com comprimento de onda de 120 nm, qual é a possível energia cinética máxima dos elétrons emitidos? (a) Emin = 7,2 x 10-19 J; (b) = 275 nm; (c) E120 = 1,6 x 10-18 J. A energia em excesso do fóton de 120 nm é convertida na energia cinética do elétron emitido. Ec = 9,3 x 10-19 J/elétron.
15) Arranje, em ordem crescente de comprimento de onda, os seguintes tipos de fótons de radiação eletromagnética: ondas de rádio, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta. Radiação ultravioleta < luz visível < radiação infravermelho < ondas de rádio.
16) (a) A radiação infravermelha tem comprimento de onda no intervalo de 800 nm a 1 m. Qual é a freqüência da radiação 8,0 x 102 nm? (b) Microondas, como as que são usadas em radares e para aquecer comida em fornos de microondas, têm comprimento de onda maior que 3 m. Qual a freqüência da radiação de 3,0 m? (a) 3,75 x 1014 s-1; (b) 1,0 x 1011 s-1.
17) Explique como a existência de espectro de linhas é consistente com a teoria de Bohr sobre energias quantizadas para o elétron no átomo de hidrogênio. Quando aplicada a átomos, a idéia de energias quantizadas significa que apenas certos valores de ΔE são permitidos. Estes são representados pelas linhas no espectro de emissão de átomos excitados.
18) De acordo com o modelo de Bohr, um elétron no estado fundamental de um átomo de hidrogênio move-se em órbita ao redor do núcleo com um raio específico de 0,53 Å. Na descrição do átomo de hidrogênio pela mecânica quântica, a distância mais provável do elétron ao núcleo é 0,53 Å. Por que essas duas afirmativas são diferentes? O modelo de Bohr afirma com 100% de certeza que o elétron no hidrogênio pode ser encontrado a 0,53Å do núcleo. O modelo da mecânica quântica é um modelo estatístico que afirma a probabilidade de se encontrar o elétron em certas regiões em volta do núcleo. Enquanto 0,53 Å é o raio com a maior probabilidade, essa probabilidade é sempre menor do que 100%.
19) Quantos orbitais há em uma subcamada com (a) l = 0; (b) l = 2; (c) l = 1;(d) l = 3. (a) 1; (b) 5; (c) 3; (d) 7.
20) Quais são os números quânticos, principal e de momentum angular do orbital, para cada um dos seguintes orbitais: (a) 3p; (b) 5d; (c) 4f; (d) 6s? (a) n = 3, l = 1; (b) n = 5, l = 2; (c) n = 4, l = 3; (d) n = 6, l = 0.
21) Quantos elétrons no total podem ocupar (a) os orbitais 4p; (b) os orbitais 3d; (c) o orbital 1s; (d) os orbitais 4f. (a) 6; (b) 10; (c) 2; (d) 14.
22) Quantos elétrons podem ter os seguintes números quânticos em um átomo? (a) n = 2, l = 1; (b) n = 4, l = 2, ml = -2; (c) n = 2; (d) n = 3, l = 2, ml = +1. (a) seis; (b) dois; (c) oito; (d) dois.
23) (a) Para n = 4, quais são os possíveis valores de l? (b) Para l = 2, quais são os possíveis valores de ml? (a) n = 4, l = 3, 2, 1, 0; (b) l = 2, ml = –2, –1, 0, 1, 2.
24) Dê os valores numéricos de n e l correspondentes a cada uma das seguintes designações: (a) 3p; (b) 2s; (c) 4f; (d) 5d. (a) 3p: n = 3, l = 1; (b) 2s: n = 2, l = 0; (c) 4f: n = 4, l = 3; (d) 5d: n = 5, l = 2.
25) (a) Quais são as similaridades e diferenças entre os orbitais 1s e 2s do átomo de hidrogênio? (b) Em que sentido um orbital 2p tem caráter direcional? Compare as características direcionais dos orbitais px e dx2-y2 (isto é, em qual direção ou região do espaço a densidade do elétron é concentrada?) (c) O que você pode dizer sobre a distância média do núcleo de um elétron em um orbital 2s quando comparada a um orbital 3s? (d) Para o átomo de hidrogênio, liste os seguintes orbitais na ordem decrescente de energia (ou seja, os mais estáveis primeiro): 4f, 6s, 3d, 1s, 2p. (a) Os orbitais 1s e 2s do átomo de hidrogênio têm a mesma forma esférica total, mas o orbital 2s tem uma extensão radial maior e um nó a mais do que o orbital 1s. (b) Um único orbital 2p é direcional em que sua densidade de elétron é concentrada ao longo de um dos três eixos cartesianos do átomo. O orbital dx2-y2 tem densidade de elétron ao longo dos eixos x e y, enquanto o orbital px tem densidade somente ao longo do eixo x. (c) A distância média de um elétron ao núcleo em um orbital 3s é maior do que para um elétron em um orbital 2s. (d) 1s < 2p < 3d < 4f < 6s.
26) Para certo valor do número quântico principal, n, como as energias dos subníveis s, p, d e f variam para (a) hidrogênio; (b) um átomo polieletrônico? (a) No átomo de hidrogênio, orbitais com o mesmo número quântico principal, n, têm a mesma energia. (b) Em um átomo com muitos elétrons (átomo polieletrônico), para um dado valor de n, a energia do orbital aumenta com o aumento do valor de l: s < p < d < f.
27) (a) Quais são os possíveis valores do número quântico de spin do elétron? (b) Que peça de equipamento experimental pode ser utilizada para distinguir os elétrons que tenham valores diferentes do número quântico de spin de elétron? (c) Dois elétrons em um átomo ocupam o orbital 1s. Qual grandeza deve ser diferente para os dois elétrons? Que princípio governa a resposta a essa pergunta? (a) + ½ , – ½ ; (b) um ímã com forte campo magnético não homogêneo; (c) eles devem ter valores de ms diferentes; o princípio de exclusão de Pauli.
28) (a) O que cada quadrícula em uma configuração de quadrículas representa? (b) Que grandeza é representada pelo sentido (para cima ou para baixo) das setas em uma configuração de quadrículas? (c) A regra de Hund é necessária para se escrever a configuração eletrônica do berílio? Explique. (a) Cada quadrícula representa um orbital; (b) O spin do elétron é representado pelo sentido das semiflechas; (c) Não. Em Be, não há elétrons nos subníveis que têm orbitais degenerados, de forma que a regra de Hund não é usada.
29) Os elementos Ga, Ge, As, Se e Br ficam no mesmo período na Tabela Periódica. Escreva a configuração eletrônica esperada para o estado fundamental dos átomos destes elementos, e prediga quantos elétrons desemparelhados, se existirem, cada elemento terá. Ga = [Ar] 3d104s24p1, um elétron desemparelhado; Ge = [Ar] 3d104s24p2, dois elétrons desemparelhados; As = [Ar] 3d104s24p3, três elétrons desemparelhados; Se = [Ar] 3d104s24p4, dois elétrons desemparelhados; Br = [Ar]3d104s24p5, um elétron desemparelhado.
30) Escreva as configurações eletrônicas condensadas para os seguintes átomos, usando as abreviaturas de núcleo de gás nobre apropriadas: (a) Cs; (b) Ni; (c) Se; (d) Cd; (e) Ac; (f) Pb. (a) Cs, [Xe]6s1; (b) Ni, [Ar]4s23d8; (c) Se, [Ar]4s23d104p4; (d) Cd, [Kr]5s24d10; (e) Ac, [Rn]7s26d1; (f) Pb, [Xe]6s24f 145d106p2.
31) Dê o número de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo de (a) trítio, 3H; (b) 60Co; (c) 16O; (d) 204Pb. (a) 1 próton, 2 nêutrons e 1 elétron; (b) 27 prótons, 3 nêutrons e 27 elétrons; (c) 8 prótons, 8 nêutrons e 8 elétrons; (d) 82 prótons, 122 nêutrons e 82 elétrons. Obs: Isótopo: um de dois ou mais átomos que tem o mesmo número atômico, mas diferentes massas atômicas. Exemplo: 1H, 2H e 3H são todos isótopos do hidrogênio.
32) Identifique o isótopo que tem átomos com (a) 63 nêutrons, 48 prótons e 48 elétrons; (b) 46 nêutrons, 36 prótons e 35 elétrons; (c) 6 nêutrons, 5 prótons e 5 elétrons. (a) 111Cd; (b) 82Kr; (c) 11B.
33) (a) Quais características têm em comum os átomos de 12C, 13C e 14C? (b) Em que eles são diferentes?