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Química Geral e Ambiental Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Profa. Ms. Luciana Borin de Oliveira Revisão Textual: Prof. Ms. Luciano Vieira Francisco Estrutura Atômica 5 • Introdução • História • Prótons, Elétrons e Nêutrons • Número Atômico • Símbolos dos Elementos Químicos • Número de Massa • Isótopos, Isóbaros e Isótonos • Massa Atômica • Massa Molecular · Nesta Unidade abordaremos a evolução do conhecimento da estrutura atômica, massas atômicas e massas moleculares. · O principal objetivo aqui é conhecer as diferentes teorias da estrutura atômica e, assim, quantificar e diferenciar massas atômicas e massas moleculares. Caro(a) aluno(a), Leia atentamente o conteúdo desta Unidade, que lhe possibilitará conhecer as dimensões da estrutura atômica. Aqui você também encontrará uma atividade relacionada com o conteúdo estudado e composta por questões de múltipla escolha. Além disso, terá a oportunidade de ampliar seus conhecimentos na atividade de aprofundamento. É extremamente importante que você consulte os materiais complementares, pois são ricos em informações, possibilitando-lhe o aprofundamento de seus estudos sobre os assuntos tratados nesta Unidade. Estrutura Atômica 6 Unidade: Estrutura Atômica Contextualização Caro(a) aluno(a), Para iniciar esta Unidade, a partir da seguinte imagem reflita sobre a estrutura atômica: Fonte: iStock/Getty Images A imagem acima é símbolo da cidade de Bruxelas. Trata-se de um emaranhado de gigantes esferas de metal, construído para a Feira Mundial de 1958, representando uma estrutura atômica ampliada. Oriente sua reflexão pelas seguintes questões: Como se constitui um átomo? O que é massa atômica? E massa molecular? 7 Introdução Diálogo com o Autor O que você sabia de átomo até hoje? Eis o seu significado de acordo um dicionário online de língua portuguesa: s.m. Fisioquímica. A menor partícula que compõe um elemento químico, composta pelo núcleo, cujo interior está repleto de prótons e nêutrons, e por elétrons que estão ao redor desse mesmo núcleo. P.ext. O que é excessivamente pequeno; insignificante. P.ext. Intervalo de tempo muito breve; instante. Filosofia. Segundo os adeptos do atomismo, a determinação das características de cada objeto é feita por partículas – infindáveis, pequenas e não divisíveis – que se combinam e se separam por serem movidas por forças da natureza (Etm. do grego: átomos.os.on). História Em sua essência, toda matéria é formada por partículas bem pequenas, que chamamos de átomo. Algumas passagens históricas são importantes para a criação do modelo atômico que atualmente conhecemos: • Na Grécia Antiga, o filósofo Demócrito declarou que, ao dividirmos a matéria, chegamos às partículas indivisíveis, que são os átomos. Fonte: iStock/Getty Images • Ernest Rutherford (1871-1937) mostrou que os átomos tinham uma região central compacta, chamada núcleo e que ali encontravam-se os prótons, partículas com carga positiva. Elétron Núcleo Próton Órbita Fonte: iStock/Getty Images 8 Unidade: Estrutura Atômica • James Chadwick (1891-1974) descobriu o nêutron, partícula neutra, constituinte do núcleo atômico. Fonte: iStock/Getty Images Elétron Núcleo Próton + Nêutron Órbita Durante a Antiguidade, acreditava-se que os átomos eram indivisíveis. Somente no século XX foi demonstrado que os átomos são formados por três partículas fundamentais: as negativas – elétrons –, as positivas – prótons – e as neutras – nêutrons. Os prótons e nêutrons ficam localizados no núcleo do átomo, enquanto os elétrons ficam dispersos na eletrosfera. Cabe ressaltar que essa atual estrutura atômica ainda se encontra em estudo e constante evolução teórica. Reflita A importância do estudo do átomo através do tempo é fascinante. Atualmente, considerando todos os recursos tecnológicos que temos, avançamos muito, mas as teorias que foram postuladas por Dalton, Faraday, Röentgen, Becquerel, Marie e Pierre Curie, Thomson, Rutherford e Bohr continuam a nos orientar e ensinar! Nesse sentido, procure saber um pouco mais sobre esses teóricos! 9 Prótons, Elétrons e Nêutrons Estudaremos mais a estrutura de um átomo, conhecendo suas partículas – prótons, elétrons e nêutrons – e suas relações: • O próton e o elétron apresentam cargas iguais e de sinal contrário; • Próton = carga positiva (+1) e o elétron = carga negativa (-1); • O nêutron não possui carga. • Átomo, considerado eletricamente neutro, terá quantidade de prótons = quantidade de elétrons; • A carga do núcleo se dá unicamente ao número de prótons; • A massa do elétron é considerada desprezível em relação à massa do próton; • A massa do átomo está praticamente concentrada no núcleo; • A massa da eletrosfera é considerada desprezível em relação à massa do núcleo. Resumindo: Quadro 1. Carga Massa relativa Símbolo Próton Positiva 1 p Elétron Negativa 1 e Nêutron Neutra Desprezível n Saiba Mais Os átomos são compostos de prótons e elétrons, podendo apresentar ou não nêutrons. O átomo de hidrogênio não possui nêutron: é formado por um elétron girando em torno de um próton localizado em seu núcleo. • Elétrons – são partículas de massa pequena – aproximadamente 1.840 vezes menor que a massa do próton –, dotados de carga elétrica negativa: -1,6.10- 19C. Movem-se ao redor do núcleo atômico em rotas de translação e rotação, gerando campos de energia; • Prótons – juntamente aos nêutrons, suas partículas formam o núcleo atômico. Possuem carga positiva de mesmo valor absoluto que a carga dos elétrons; assim, um próton e um elétron tendem a se atrair eletricamente por serem opostos; • Nêutrons – juntamente aos prótons, suas partículas formam o núcleo atômico. Possuem carga elétrica nula e são dispostos estrategicamente no núcleo para promover sua estabilização. 10 Unidade: Estrutura Atômica Para pensar O artigo intitulado Aspectos técnicos, econômicos e sociais do uso pacífico da energia nuclear, de Carajilescov e Moreira (2008), apresenta projeções do Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas – Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) –, diante do crescimento populacional mundial. Apontam a necessidade de se quintuplicar o fornecimento de energia no mundo até 2050. Essa maior demanda deverá ocorrer em países emergentes como Brasil, China, Índia e outros da América do Sul, Ásia e África. Tal cenário, associado às preocupações com as mudanças climáticas e à escalada de preços de geração de outras tecnologias, provocou o ressurgimento de usinas nucleares para a geração de potência. Atualmente existem 443 usinas nucleares, correspondendo a 370 GW(e) de potência nominal, que representam 17% da potência mundial instalada. Desde 1980, a produção nuclear de energia elétrica saltou de 0,7 milhão para 2,6 milhões de GWh por ano. No Brasil, com a entrada em operação da usina Angra 2, em 2000, essa produção está em torno de quatorze mil GWh por ano. Excetuando os acidentes de Three Mile Island e Chernobyl, a partir de 1990, a geração nuclear tem ocorrido de forma eficiente e segura. Com o mercado nuclear reaquecido, a European Commission, órgão da comunidade europeia, divulgou, recentemente, o documento The sustainable nuclear technology platform – a vison report, objetivando garantir a liderança tecnológica europeia nesse setor. Nos EUA, a Administração de Informações Sobre Energia (EIA), órgão do Departamento de Energia (DOE), vem promovendo a certificação ou pré-certificação de novos reatores comerciais e, através do apoio e participação no Fórum Internacional da Quarta Geração (GIF), tem acompanhado o desenvolvimento de longo prazo da futura geração de reatores nucleares. No Brasil, além darecente decisão do Conselho Nacional de Política Energética (CNPE), referente à conclusão das obras da usina Angra 3, a retomada do programa nuclear, estagnado desde o início da década passada, deve ocorrer em um futuro próximo. A expansão do aproveitamento nuclear, tendo em vista a evolução tecnológica ocorrida nas últimas décadas, tem levado a uma reavaliação dos aspectos econômicos, tecnológicos, regulatórios e socioambientais desse setor, no Brasil e no mundo. Qual opinião você tem sobre isso? 11 Número Atômico A principal característica de um átomo é o seu número de prótons, que foi chamado de número atômico e recebeu o símbolo Z. Ou seja, o número atômico é o número de prótons existentes no núcleo do átomo. Os átomos que apresentam o mesmo número atômico pertencem ao mesmo elemento químico representado na tabela periódica, por exemplo, o elemento químico cloro é Z = 17. Todo átomo que possuir 17 prótons é um átomo de cloro, pertence ao elemento químico cloro. O número atômico é representado graficamente por ZX. Importante! O número atômico deve sempre ser calculado pelo número de prótons, pois esse número é identidade do elemento químico e não varia. Exercício proposto Um dado elemento X possui 14 prótons e 9 nêutrons. Calcule o número atômico Z; Outro elemento Y possui número atômico Z igual a 19 e tem 20 nêutrons. Calcule o número de prótons; E ainda um elemento W possui 30 prótons e número de massa A igual a 36. Calcule o número atômico Z. Resumindo: Quadro 2. Átomo Número de prótons Número atômico Sódio 11 11 Ferro 26 26 12 Unidade: Estrutura Atômica Símbolos dos Elementos Químicos Os elementos químicos são identificados por símbolos. O símbolo do elemento é o mesmo do átomo correspondente. Assim e por exemplo, o símbolo Br indica o elemento químico e o átomo bromo. Fonte: iStock/Getty Images Quadro 3. Elemento Símbolo Ouro Au Alumínio Al Prata Ag Cobre Cu Atenção Não existe uma regra fixa para definir a – ou as – letra(s) que representam o elemento químico: pode ser pela primeira letra do nome, as duas primeiras letras do nome, ou ainda pelas primeiras letras do nome em latim. Na tabela periódica você poderá encontrar todos ordenados pelo seu respectivo número atômico. Pesquise o símbolo dos seguintes elementos químicos e compartilhe a informação com seus colegas: • Flúor; • Hélio; • Iodo; • Cálcio; • Magnésio. 13 Número de Massa Número de massa (A) é representado pela soma do número de prótons com o número de nêutrons. Indica a quantidade de partículas existentes no núcleo do elemento químico. Assim, teremos: Um átomo com p = número de prótons e n = número de nêutrons, de modo que veremos que o número de massa A será representado por A = p + n. Conhecendo os valores de Z e A do átomo, torna-se possível calcular o número de prótons, elétrons e nêutrons. A representação gráfica do número de massa é XA. Exercício proposto Um dado elemento X possui 15 prótons e 16 nêutrons. Calcule o número de massa A; Outro elemento Y possui número de massa A igual a 55 e tem 17 nêutrons. Calcule o número de prótons; E considerando um elemento W que possui 20 prótons e um número de massa A igual a 46, calcule o número de nêutrons. Saiba Mais O átomo é o elemento que possui o número de prótons igual ao número de elétrons, sendo eletricamente neutro. Se o número de prótons for diferente ao número de elétrons, então não será mais um átomo neutro, passará a ser chamado de íon. A representação dos íons é X+1, ou X-1. Então: Átomo Ânion: AX Cátion: ganha ē perde ē Z -n AXZ +n 14 Unidade: Estrutura Atômica Isótopos, Isóbaros e Isótonos Os elementos químicos se relacionam pela comparação de seus números de prótons, nêutrons e elétrons. A ZX ou ZX A • Isótopos são os elementos que apresentam o mesmo número de prótons (p) e número de massa (A) diferentes: 12A ou 12A • Isóbaros são os átomos com o mesmo número de massa (A) de elementos diferentes: 12A ou 11B • Isótonos são os átomos de elementos diferentes, mas com o mesmo número de nêutrons (n): 12A ou 14B Exercício proposto Qual a relação entre os átomos isótopos, isóbaros e isótonos? • 17W 35 17 W 37 • 25 X 55 26 Y 56 • 18 Z 40 19 W 40 Pesquise e complete: Quadro 4. Elemento Símbolo Número atômico Número de massa Prótons Nêutrons Hélio H 01 01 Boro B 05 11 Flúor F 09 19 Oxigênio O 08 16 Para os elementos que possuem o mesmo número de elétrons, damos o nome de isoeletrônicos: 12A 14B +2 10C -2 15 Massa Atômica De acordo com a Química clássica que aprendemos, a massa atômica do carbono é igual a 12u, sendo o padrão para a medida de massas atômicas de todos os outros elementos. O carbono 12 é o isótopo do carbono que apresenta seis prótons e seis nêutrons em seu núcleo. A massa de um átomo qualquer depende da quantificação de elétrons, prótons e nêutrons de sua estrutura. Dizer que um elemento qualquer possui massa atômica de 24u equivale a afirmar que esse apresenta massa 24 vezes maior que a massa de 1/12 do átomo do carbono (A=12). Ou seja, a massa atômica do elemento S é duas vezes a massa atômica do carbono. Para entender melhor: Observe abaixo alguns elementos químicos extraídos da tabela periódica com seus respectivos números atômicos e massas atômicas: Quadro 5. Elemento Símbolo Número atômico Massa atômica Enxofre S 16 32,06 Oxigênio O 8 16,00 Sódio Na 11 23,00 Alumínio Al 13 26,98 Cálcio Ca 20 40,08 Hélio He 2 4,00 Iodo I 53 126,90 Cobre Cu 29 63,55 16 Unidade: Estrutura Atômica Massa Molecular A partir do conhecimento das massas atômicas dos átomos que constituem uma molécula, podemos calcular sua massa molecular. A massa molecular é representada pela soma das massas atômicas (u) dos átomos da molécula. Estudaremos a massa molecular da água – de formula H2O: 2 x massa atômica do hidrogênio (H) + 1 x massa atômica do oxigênio (O). 2 x (1u) + 1 x (16u) = 18u Observe que é necessário multiplicar a massa atômica de cada elemento pelo número de átomos desse presentes na molécula para somar as contribuições de todos os elementos no valor final. Outros exemplos: Mg(OH)2 (hidróxido de magnésio) 2 x (massa atômica do H) = 2 x 1 = 2 2 x (massa atômica do O) = 2 x 16 = 32 1 x (massa atômica do Mg) = 1 x 24 = 24 Massa molecular = 2 + 32 + 24 = 58u Ca(NO3)2 (nitrato de cálcio) 6 x (massa atômica do O) = 6 x 16 = 96 2 x (massa atômica do N) = 2 x 14 = 28 1 x (massa atômica do Ca) = 1 x 40 = 40 Massa molecular = 96 + 28 + 40 = 164u Massa Molecular (MM) é a massa da molécula medida em unidades de massa atômica (u). Para cálculos estequiométricos podemos utilizar a unidade grama (g). 17 Material Complementar Leituras: Caro(a) aluno(a), Para complementar os conhecimentos adquiridos nesta Unidade, leia o seguinte artigo: XAVIER, A. M. et al. Marcos da história da radioatividade e tendências atuais. Quím. Nova, v. 30, n. 1, p. 83-91, 2007. Disponível em: http://quimicanova.sbq.org.br/imagebank/pdf/Vol30No1_83_18-RV05217.pdf Livros: E para maiores conhecimentos sobre radioatividade, consulte: ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Termodinâmica. 7. ed. [S.l.]: Bookman, 2013. KLEIN, E.; DUTROW, B. Manual de Ciência dos minerais. 23. ed. [S.l.]: Bookman, 2011. 18 Unidade: Estrutura Atômica Referências BROWN, T. L.; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E. Química – a Ciência central. 9. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. CARAJILESCOV, P.; MOREIRA, J. M. L. Aspectos técnicos, econômicos e sociais do uso pacífico da energia nuclear. Ciênc. Cult., São Paulo, v. 60, n. 3, set. 2008. CHANG, R. Química geral – conceitos essenciais. 4. ed.São Paulo: McGraw-Hill, 2006. SARDELLA, A. Curso de Química: Química geral. 25. ed. São Paulo: Ática, 2002. 19 Anotações
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