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Química Geral Aplicada a Engenheira 1º. Sem./2011 Engenharias Nesta Aula Veremos ... • Aula 3 – Estrutura dos Átomos e Moléculas • Estrutura Atômico • Tabela Periódica • Propriedades Periódicas • Introdução a Práticas em Laboratório 3 Usando um microscópio de tunelamento, pesquisadores da IBM conseguiram arranjar átomos de ferro (cones azuis) depositados sobre uma superfície de cobre (em vermelho), formando uma espécie de curral atômico. (Imagem: IBM) Estrutura Atômica Nanotecnologia 4 Estrutura Atômica Linha do Tempo 625 a.C. Gregos 1808 John Dalton 1º Modelo Atômico Experiment al 1897 J. J. Thomson Introduziu Cargas Elétricas no Modelo Atômico 1911 Rutherford Modelo Atômico Nuclear 1913 Niels Bohr Camadas Eletrônicas Circulares 1923 Modelo Quântico (atual) 5 Estrutura Atômica Partículas Sub-atômicas próton elétron nêutron partícula prótons neutros elétrons Carga elétrica +1 0 -1 massa 1 1 1/1840 6 Estrutura Atômica No. Atômico e No. de Massa A = Z + N Z NÚMERO ATÔMICO: é o número de prótons que um átomo possui. A NÚMERO DE MASSA: representa a massa aproximada de um átomo. N NÚMERO DE NÉUTRONS: é o número de néutrons que o átomo possui. Z = e- “átomo neutro” 7 Estrutura Atômica Partículas Sub-atômicas 8 Estrutura Atômica Decomposição da Luz 9 Estrutura Atômica Espectro eletromagnético 10 Estrutura Atômica Natureza Ondulatória da Luz c = l x n Velocidade de propagação. Comprimento de onda. Freqüência Estrutura Atômica Natureza Ondulatória da Luz 12 Estrutura Atômica Modelo de Bohr No início do século XX... Max Planck Albert Einstein ... foi demonstrado que a energia é “quantizada”, sendo enviada em “pacotes” de ondas carregadas pelos fótons. A energia de um fóton é calculada pela expressão: Em que “h” é a constante de Planck = 6,63 x 10 -34 J x s. n = frequência da onda (1/ n = comprimento de onda = l) E = h . n Em 1913, o cientista dinamarquês Niels Bohr, aprimorou o modelo atômico de Rutherfford, utilizando a Teoria de Max Planck 13 Estrutura Atômica Modelo de Bohr Já sabemos que: e: Então: Efóton = h x c l “A energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda (“c” e “h” são constantes). Haveria alguma relação entre a energia de um elétron e o comprimento de onda da luz emitida por um átomo? c = l x n E = h x n n = c / l 14 Estrutura Atômica Modelo de Bohr Elétron excitado • Recebendo energia (térmica, elétrica ou luminosa) do exterior, o e- salta de uma órbita mais interna p/ outra mais externa e a quantidade de energia recebida é bem definida um “quantum” Elétron retornando • Ao “voltar” de uma órbita mais externa p/ outra mais interna, o e- emite um “quantum” de energia, na forma de luz de cor bem definida ou outra radiação eletromagnética como: ultravioleta e Raio X 15 Estrutura Atômica Teste de Chama • O modelo de Bohr é fundamentado na teoria dos “QUANTA” de Max Planck (Passagem de uma partícula de um nível energético para outro através de um “PACOTE DE ENERGIA” ). • Segundo a Teoria de Planck, a energia não é contínua. A freqüência só depende do l . Portanto, se um átomo superaquecido emite luzes de determinadas cores, isto significa que ele só emite determinadas energias. 16 • A energia do fóton (da emissão de radiação eletromagnética) poderá ser calculada considerando a seguinte expressão: λ c hh E fóton ν metros em dado fóton) do onda de to(comprimen λ Hz) Hertz,(ou s em dado fóton) do a(freqüênci ν m/s 3,00x10 luz) da e(velocidad c J.s/fóton 6,63x10 Planck) de (constanteh 1- 8 -34 Estrutura Atômica Energia do Fóton 17 Estrutura Atômica Tecnologia Química Fontes de Luz 1 – lâmpadas incandescentes; 2 – lâmpadas fluorescentes; 3 – lâmpadas de halogênios; 4 – LEDs (diodos emissores de luz) e OLEDs (diodos de emissão de luz orgânicos) 18 19 20 Estrutura Atômica Exercício 1. O laser em uma impressora a laser padrão emite luz com comprimento de onda de 780,0 nm. Qual é a energia de um fóton dessa luz ? • Dicas: considerar o efeito onda-partícula E=h.c/ l • h (constante de Plank) = 6,626x10-34 J.s/fóton • c (velocidade da luz no vácuo) = 3,0x108 m/s • Atenção com unidades conversão de nm para metros • Resp.: 2,547x10-19 J 2. Um laser infravermelho para uso em uma rede de comunicações de fibra ótica emite um comprimento de onda de 1,2 µm. Qual é a energia de um fóton dessa radiação? 21 Estrutura Atômica Modelo Atual De Broglie 1924 Heisenberg 1925 Schröndinger 1926 22 Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula. • A resolução da equação leva às funções de onda. • A função de onda fornece o contorno do orbital eletrônico. • O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual 23 A equação diferencial contém uma série de soluções que são chamadas de função de onda ψ λ π4 z ψ y ψ x ψ 2 2 2 2 2 2 2 2 Movimento do elétron em 3 dimensões Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual 24 Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual 25 Orbitais e números quânticos • Se resolvermos a equação de Schrödinger, teremos as funções de onda e as energias para as funções de onda. • Chamamos as funções de onda de orbitais. • A equação de Schrödinger necessita de três números quânticos: 1. Número quântico principal, n. Este é o mesmo n de Bohr. Tem valores n=1, 2, 3, 4, … Representa fisicamente o nível (camada) principal em que o elétron se encontra. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual 26 Orbitais e números quânticos 2. O número quântico azimutal, l. Podem assumir os valores: l = 0, 1, 2, 3, (n-1) Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d, f ) Representam fisicamente o sub-nível do elétron e sua forma geométrica no espaço. 3. O número quântico magnético, m. Tem os valores: m = -l , 0 , +l Representa fisicamente a orientação espacial do orbital do elétron, a quantidade de valores possíveis para l determina o número de orbitais existentes em um sub-nível l. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual 27 Estrutura Atômica Números Quânticos 1 – Número quântico principal (n) n = 1,2,3,4 .... Caracteriza uma camada eletrônica, isto é, um conjunto de elétrons num certo intervalo de distância até o núcleo. 2- Número quântico secundário (l): l = valores de 0 a té n-1. Caracteriza o formato da região do espaço onde é mais provável encontrar o elétron associado a ele.”nuvem eletrônica” 3- Número quântico terciário (ml) Valores: -l a +l. Indica a orientação no espaço da figura que representa a região de maior probabilidade de encontrar o elétron 4- Número quântico quaternário (ms) Valores +1/2 -1/2. É chamado de spin, que significa rotação. 28 Estrutura Atômica Números Quânticos K(1) L(2) M(3) N(4)O(5) P(6) Q(7) 2e- 8e- 18e- 32e- 2e- 32e- 18e- Energia Número quântico principal (n) = energia orbital 29 Estrutura Atômica Números Quânticos Número quântico secundário (l) = forma orbital (0) s (1) p (2) d (3) f = 2 e- = 6 e- = 10 e- = 14 e- 30 Estrutura Atômica Números Quânticos K = 2e- 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f Orbitais s Estrutura Atômica Núm. quântico secundário Orbitais p Estrutura Atômica Núm. quântico secundário Orbitais d Estrutura Atômica Núm. quântico secundário 34 Aos subníveis foram dados nomes: Esses nomes são relativos aos orbitais correspondentes Nome Valor de “l” Capacidade 2 (2 l + 1) “s” (sharp) 0 2 “p” (principal) 1 6 “d” (diffuse) 2 10 “f” (fundamental) 3 14 Estrutura Atômica Modelo Quântico Atual 35 Estrutura Atômica Números Quânticos Número quântico terciário (ml) = localiza o e - de diferenciação no subnível (m) (0) s (1) p (2) d (3) f 0 = 6 e- = 10 e- = 14 e- -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 ml = - l ... 0 ... +l 36 Estrutura Atômica Números Quânticos Spin eletrônico e o princípio da exclusão de Pauli + 1/2 - 1/2 37 Cada elétron num átomo é “identificado” por um conjunto de nos. quânticos: “Não existem dois elétrons num átomo com o mesmo conjunto de números quânticos (Princípio da Exclusão de Pauli)”. Nome Símbolo Característica especificada Informação fornecida Valores possíveis Principal n Nível Distância em relação ao núcleo 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ... Secundário (azimutal) l Subnível Forma do orbital 0, 1, 2, 3, ... (n-1) Terciário (magnético) ml Orbital Orientação do orbital - l, ..., 0, ..., +l Quaternário (Spin) ms Spin Spin + 1/2, - 1/2 Estrutura Atômica Modelo Quântico Atual 38 “Se adicionarmos 1 elétron a um átomo com número atômico Z, teremos a configuração do elemento com número atômico (Z + 1).” Subníveis 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s Linus C. Pauling (1901 – 1994) K : 1 L : 2 M : 3 N : 4 O : 5 P : 6 Q : 7 NÍVEIS Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica 39 Subníveis 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 5f14 6s2 6p6 6d10 7s2 K : 1 L : 2 M : 3 N : 4 O : 5 P : 6 Q : 7 NÍVEIS Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica Ordem crescente de Energia: 11Na: 1s 2 2s2 2p6 3s1 27Ni: 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 40 Temos, então, um “panorama” da eletrosfera de um átomo: ... que são formados por subníveis... K L M N Existem os níveis... 1s 2s 2p 4s 3s 3p 3d 4p 4d 4f ... e esses pelos orbitais... ...que comportam no máximo dois elétrons cada um. Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica 41 Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica Configurações eletrônica condensadas • O neônio tem o subnível 2p completo (10Ne). • O sódio marca o início de um novo período (11Na). • Logo, escrevemos a configuração eletrônica condensada para o sódio como • Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 Na: [Ne] 3s1 • [Ne] representa a configuração eletrônica do neônio. • Elétrons mais internos: os elétrons no [Gás Nobre]. • Elétrons de valência: os elétrons fora do [Gás Nobre]. 42 Dado: Z= 39, responda as questões abaixo: 1) Qual o elemento químico ? 2) Faça a distribuição eletrônica em camadas. 3) Faça a distribuição em ordem energética. 4) Faça a configuração eletrônica condensada 5) Qual o subnível mais energético ? 6) Qual a camada de valência ? 7) Qual o número de elétrons por camada ? 8) Quantos elétrons existem no último nível energético? 9) Quais os números quânticos, para o elétron do subnível mais energético ? Estrutura Atômica Exercício 43 • A tabela periódica pode ser utilizada como um guia para as configurações eletrônicas. • O número do periodo é o valor de n. • Os grupos 1A e 2A têm o orbital s preenchido. • Os grupos 3A -8A têm o orbital p preenchido. • Os grupos 3B -2B têm o orbital d preenchido. • Os lantanídeos e os actinídeos têm o orbital f preenchido. Tabela Periódica Configuração Eletrônica 44 Metais de transição • Depois de Ar, os orbitais d começam a ser preenchidos. • Depois que os orbitais 3d estiverem preenchidos, os orbitais 4p começam a ser preenchidos. • Metais de transição: são os elementos nos quais os elétrons d são os elétrons de valência. Tabela Periódica Configuração Eletrônica 45 Lantanídeos e actinídeos • Do Ce em diante, os orbitais 4f começam a ser preenchidos. • Observe: La: [Kr]6s25d14f1 • Os elementos Ce -Lu têm os orbitais 4f preenchidos e são chamados lantanídeos ou elementos terras raras. • Os elementos Th -Lr têm os orbitais 5f preenchidos e são chamados actinídeos. • A maior parte dos actinídeos não é encontrada na natureza. Tabela Periódica Configuração Eletrônica 46 Tabela Periódica Configuração Eletrônica 47 Tabela Periódica Linha do Tempo 48 Tabela Periódica O Pai - Mendeleiev 49 Tabela Periódica A Tabela Atual Henry Moseley Eu descobri que o número de prótons no núcleo de um determinado átomo é sempre o mesmo 50 Tabela Periódica Tabela Periódica 51 Periodicidade Química Tabela Periódica Tabela Periódica - Revisão vídeo 1 – Introdução; vídeo 2 – Período; vídeo 3 – Grupos ou Famílias; Vídeo 4 – Classificação. 52 53 54 55 56 Periodicidade Química Introdução O que é uma propriedade periódica ? “As propriedades dos elementos químicos são funções periódicas do número atômico”. De acordo com essa lei, os elementos químicos estão dispostos na tabela periódica em ordem crescente de número atômico, tabela essa organizada de modo a deixar clara a relação entre as propriedades dos elementos e suas distribuições eletrônicas. 57 Periodicidade Química Propriedades Periódicas Porque estudar este assunto ? “A formação de muitas substâncias envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro. As propriedades têm um papel fundamental no modo como elas interagem na formação das ligações química”. 58 Periodicidade Química Propriedades Periódicas Tendências Periódicas 1. Dentro do período (horizontal); 2. Dentro do grupo (vertical); 59 Periodicidade Química Propriedades Periódicas Principais 1 – Tamanho do átomo (raio atômico); 2 – Energia de Ionização; 3 – Afinidade Eletrônica; 60 Periodicidade Química Raio Atômico • O que é raio atômico ? • É a distância do núcleo ao nível mais externo do átomo. • Como podemos determinar ? • Pode-se obter este valor através da medida da distância internuclear de dois átomos iguais vizinhos e toma-se a metade desta distância. • Por que estudar primeiro o raio atômico ? • Apatir do seu estudo é possível prever outras propriedades dos átomos e das substâncias dos elementos. 61 Periodicidade Química Raio Atômico Considere uma molécula diatômica simples. • A distância entre os dois núcleos é denominada distância de ligação. • Se os dois átomos que formam a molécula são os mesmos,metade da distância de ligação é denominada raio covalente do átomo. 62 • A carga nuclear efetiva é a carga “sentida” por um elétron em um átomo polieletrônico. • A carga nuclear efetiva não é igual à carga no núcleo devido ao efeito dos elétrons internos. • Uma boa aproximação para o cálculo da Carga Nuclear Efetiva pode ser: Z efe = Z – S, com S sendo o número de elétrons internos, ou da camada de blindagem. Periodicidade Química Carga Nuclear Efetiva 63 Periodicidade Química Carga Nuclear Efetiva Para o 12Mg, temos que: • Z efe = Z – S, • Z efe = 12 – 10 = 2+ Para o 11Na, temos que: • Z efe = Z – S, • Z efe = 11 – 10 = 1+ 64 Periodicidade Química Carga Nuclear Efetiva Para o 17Cl, temos que: • Z efe = Z – S, • Z efe = 17 – 10 = 7+ Para o 13Al, temos que: • Z efe = Z – S, • Z efe = 13 – 10 = 3+ 65 Periodicidade Química Raio Atômico A o l o n g o d o p e rí o d o n = 3 ( M ) 1 p m = 1 0 -9 m 66 Periodicidade Química Raio Atômico • O tamanho dos átomos é determinado principalmente pelos seus elétrons de valência (ocupam os orbitais mais externos) Número camadas eletrônicas Força de interação entre o núcleo e os e- valência Carga nuclear efetiva 67 68 Periodicidade Química Raio Atômico ra io a tô m ic o número atômico n = 2 (L) n = 3 (M) n = 4 (N) n = 5 (O) n = 6 (P) 69 Periodicidade Química Raio Atômico 1 p m = 1 0 -1 0 c m 70 Periodicidade Química Raio Atômico x Iônico 71 Periodicidade Química Raio Atômico x Iônico 1 ( A ) = 1 0 -1 0 m = 1 0 0 p m • A primeira energia de ionização, I1, é a quantidade de energia necessária para remover um elétron de um átomo gasoso: Na(g) Na+(g) + e-. • A segunda energia de ionização, I2, é a energia necessária para remover um elétron de um íon gasoso: Na+(g) Na2+(g) + e-. • Quanto maior a energia de ionização, maior é a dificuldade para se remover o elétron. Periodicidade Química Energia de Ionização 73 Periodicidade Química Energia de Ionização • O que é Energia de Ionização ? • É a facilidade de um átomo em perder elétrons. • Como podemos medir ? • Por meio de um experimento semelhante ao do “efeito fotoelétrico”. 1ª. energia de ionização Na(g) → Na+(g) + e- 74 Periodicidade Química Energia de Ionização 2ª. energia de ionização (2ª E.I.) Na+(g) → Na+2(g) + e- 75 Periodicidade Química Energia de Ionização “Energia necessária para retirar um elétron de um átomo neutro e isolado no estado gasoso - (kJ/mol)”. 1ª. energia de ionização Na(g) → Na+(g) + e- 2ª. energia de ionização Na+ (g) → Na+2(g) + e- 3ª. energia de ionização Na+2 (g) → Na+3(g) + e- 1ª. Ei < 2ª.Ei < 3ª. Ei 76 Periodicidade Química Energia de Ionização 77 Periodicidade Química Energia de Ionização 78 Periodicidade Química Energia de Ionização Maior raio atômico Menor energia de ionização 79 • A afinidade eletrônica é o oposto da energia de ionização. • A afinidade eletrônica é a alteração de energia quando um átomo gasoso ganha um elétron para formar um íon gasoso: Cl(g) + e- Cl-(g) + Energia • A afinidade eletrônica pode ser tanto exotérmica (liberação energia) quanto endotérmica (absorção energia): Ar(g) + e- + Energia Ar-(g) Ar(g) + e- Ar-(g) - Energia Periodicidade Química Afinidade Eletrônica 80 Periodicidade Química Afinidade Eletrônica ... ou Eletroafinidade É a energia liberada (kJ/mol) por um átomo neutro, gasoso, em seu estado fundamental ao receber um elétron, formando um ânion. Na (g) + e - → Na -(g) + 53 kJ/mol Cl (g) + e - → Cl -(g) + 349 kJ/mol 81 Periodicidade Química Afinidade Eletrônica 82 Periodicidade Química Afinidade Eletrônica Maior raio atômico Menor energia de eletroafinidade 83 Metais Estrutura Cristalina • Há 4 estruturas cristlinas diferentes encontradas nos retículos cristalinos (arranlos tridimensionais para os átomos) dos metais: • CS – Cúbico Simples • CCC – Cúbico de Corpo Centrado • CFC – Cúbido de Face Centrada • HC – Hexagonal Compacto 84 Metais Estrutura Cristalina CS – Cúbico Simples CCC – Cúbico Corpo Centrado HC – Hexagonal Compacto CFC – Cúbico Face Centrada 85 Metais Grau de Empacotamento CS – 52% CCC – 68% HC – 74% CFC – 74% 86 Metais Grau de Empacotamento CCC – 68% aproveitamento HC – 74% aproveitamento CFC – 74% aproveitamento 87 Fator de empacotamento atômico (FEA): Soma dos volumes das esferas de todos átomos no interior de uma célula dividido pelo volume total da célula. FEA = Vol. dos átomos na célula : Vol. Total da célula FEA = 0,52 para CS FEA = FEA = FEA = 88 Na Próxima Aula Veremos ... Aula 4 – Experimento Laboratório (Teste de Chama) – 23/02 Química Geral e Exp 89 Onde Estudar a Aula de Hoje Nos Livros • BRADY, James E. HUMISTON, Gerard E. Química Geral - Vol.1. LTC, 2006. – Cap. 3 – Estrutura Atômica e a Tabela Periódica • RUSSELL, John B., Química Geral – Vol.1. MAKRON Books, 2ª. Edição – Cap. 7 – Periodicidade Química • Q.Geral Ap. a Eng. – Cap.6 – A Tab. Periódica e a Estrutura Atômica Na Internet • O melhor Portal sobre Elementos Químicos da Web http://www.webelements.com • Tecnologia Química – A Química das Lâmpadas http://casa.hsw.uol.com.br/lampadas.htm http://ciencia.hsw.uol.com.br/lampadas-fluorescentes.htm http://casa.hsw.uol.com.br/questao151.htm Conteúdo da Apresentação BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª. Edição) – Pearson – Cap. 06 – Estrutura Eletrônica dos Atomos e Cap. 07 – Propriedade Periódica dos Elementos Click na imagem para visitar o site do livro Conteúdo baseado no Livro Texto Obrigado 91
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