A1 - Atomística - Cleidy

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Materiais
Constituição
Propriedades
Transformações
Engenharia
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Monocristal
Sinterizado
Policristalino &
poroso
Al2O3
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Eteno
Polietileno
Polimerização
mero
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Carbono
Diamante
Grafite
 Fulereno
Nanotubo de carbono
Grafeno
O grafeno tanto pode ser
 considerado semicondutor como
 condutor.
A sua sua condutividade
 chega a ser 10 vezes 
superior à do cobre. 
*
Nanomecatrônica/ Automação em nanobiologia
Manipulação ou a construção de dispositivos
 em escala nanométrica
Construção de micromecanismos de manipulação
 capazes de mover e controlar objetos na escala
nanométrica.
Exemplo: Nanorobos capazes 
de entrar no corpo humano e 
limpar artérias obstruídas, 
corrigir lesões internas....
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Nanotubos de carbono. Possui alta resistência a tensão mecânica, podendo ser usados como aditivos em compostos para melhorar suas características. Podem ser condutores ou semi-condutores, podendo ter aplicações em circuitos micro e nano-eletrônicos. Também são muito bons condutores de calor.
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Fully plastic microrobots which manipulate objects using only visible light Futao Cheng, Ruoyuan Yin, Yuanyuan Zhang, Chu-Chun Yen and Yanlei Yu, Soft Matter, Soft Matter Vol.: 6, 3447-3449. DOI: 10.1039/c0sm00012d
Braço robótico de
plástico dispensa
eletricidade e motores 
Polietileno 
 +
Polímero de cristal 
líquido reticulado
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=braco-robotico-plastico&id=010180100816
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Robô de DNA
Robô molecular feito com fitas de
 DNA que se move ao longo de uma
 pista feita com DNA
Técnica: Origami de DNA
http://www.nature.com/nature/journal/v465/n7295/fig_tab/nature09012_F1.html
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=nanorrobo-dna
Guanina-Citocina
Adenina-Timina
Fitas de DNA que se encaixam por meio do reconhecimento de 
 sequência dos pares de bases 
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Leucipo (450 a.C) e Demócrito ( 460 a. C)
 constituídas por uma infinidade de partículas 
minúsculas, invisíveis, cada uma delas sendo
 eterna e imutável.
Matéria 
Final do Séc XVIII  Resultados experimentais
Leis ponderais das reações químicas
Lavoisier, Proust, Dalton e Richter
Filosoficamente
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1808 – Teoria Atômica de Dalton
Átomo  partícula maciça e indivisível
1897 – Modelo de Thomsom
Descoberta do elétrons
Átomo  carregado positivamente com elétrons
 na superfície
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Descoberta do próton
Raios canais ou raios positivos
1911- Experiência de Rutherford
Modelo do átomo 
nucleado
*
Modelo de Bohr
# Aceitou a suposição de Rutherford
# Rejeitou a Física Clássica
1913 - Postulou :
Os elétrons se movem em órbitas circulares ao redor de 
 um núcleo atômico central, sob ação de forças coulômbicas;
Apenas certas órbitas são permitidas e, quando os elétrons
 nela se encontram, não emitem nem absorvem energia;
 (certas órbitas = certos estados = estados estacionários).
*
Para que um elétron passe de uma órbita (estado) para
 outra, é necessário que absorva um quantum de energia;
Limitações do átomo de Bohr:
os espectros dos átomos complexos
variação das intensidades das linhas
divisão de algumas raias
Em menos de 10 anos foi substituído por outro
 modelo que se mostrou mais apropriado
Modelo ondulatório
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 A luz é onda ou partícula?
 Devemos aceitar os dois modelos e admitir que a 
verdadeira natureza da luz não pode ser descrita mediante
um único modelo clássico.
 1923 – Louis Victor de Broglie
 “Em virtude dos fótons terem características ondulatórias
 e corpusculares, talvez todas as formas de matéria tenham 
propriedades ondulatória e também corpusculares”.
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1927- C. J. Daisson e J. H. Germer
Confirmaram experimentalmente a natureza ondulatória 
dos elétrons.
Elétron que é uma partícula talvez possa ser descrito
 como uma onda!
1926- Werner Heisenberg
É impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de um elétron no átomo.
PRINCÍPIO DA INCERTEZA
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Equação de Schrödinger
Schrödinger, Heisenberg, Dirac
Sistemas
Submicroscópicos

(x,y,z,t)
Função de onda ou 
Função de estado do sistema
Mais apropriado para descrever átomos, moléculas,
 partículas subatômicas.
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Equação de Schrödinger
As expressões matemáticas das funções de onda permitem determinar a probabilidade de encontrar o elétron na vizinhança de um ponto próximo do núcleo. No caso do elétron do átomo de hidrogênio, no estado fundamental, essa probabilidade só depende da distância ao núcleo. 
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n, l , m

Descreve matematicamente a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron
3 números quânticos
Solução 
ORBITAL
n 
n° quântico principal
Tamanho do orbital
n= 1, 2, 3, 4,.........
*
l 
m 
n° quântico magnético
n° quântico secundário
l = 0, 1, 2, 3, 4, 5,.......
Forma do orbital
s , p, d, f, g, h.......
m= -l....0....+l
Orientação do
orbital
s = sharp p = principal d = diffuse f = fundamental
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ESTRUTURAS DOS ÁTOMOS
Formadas por átomos (até fins séc. XIX = indivisível)
MATERIAIS
Núcleo
Prótons (+)
Nêutrons
Eletrosfera
Elétrons (-)
N
E
U
T
R
O
 Importância: O número de prótons, neutrons e elétrons são os responsáveis pelas propriedades químicas e físicas das substâncias. 
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 No Prótons = Número Atômico (Z)  Elemento 							 Químico
Massa Atômica = no prótons + no nêutrons
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►Elemento Químico : é o conjunto de todos os átomos com o mesmo número atômico (Z).
Notação geral de um átomo: ZXA 
 
Exemplo:	17Cl35 
indica um átomo de cloro com 17 prótons e 18 nêutrons. 
Seu número de massa: 17+18=35.
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Distribuição Eletrônica
 Devido à dificuldade de calcular a posição exata do elétron, Schrödinger (1926), matematicamente, definiu a região de maior probabilidade de encontrar o elétron. Essa região do espaço foi denominada ORBITAL. 
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  Equação de Schrödinger (1926)
 Desenvolveu uma equação  determina a região do espaço onde há a maior probabilidade de encontrar o elétron.
 Representando diagramas de “nuvens eletrônicas” que mostram as densidades de carga em átomos e moléculas.
 A região do espaço onde é máxima a probabilidade de encontrar um determinado elétron é chamado de orbital.
  Região no espaço descrita por um conjunto de números quânticos.
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Orbital “s”
l= 0
ml = 0
Orbitais “p”
l= 1
 ml=0 
ml=+1
ml=-1
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Distribuição eletrônica
“Cada elétron em um átomo tem um conjunto de quatro números quânticos que determinam sua energia, o formato da nuvem eletrônica e sua orientação no espaço”. 
 ►Principal (n) = nível de energia (7 níveis) = camadas
 ► Secundário (l) = subníveis de energia (4 subníveis) e 
 a forma do orbital [no máx. e- =2(2l+1]
 ► Magnético (ml) = orientação dos orbitais (no espaço) em cada subnível [-l até +l ]
 
 ► Spin (s) = rotação do e- em torno do seu eixo: +1/2 
 
 ou –1/2. 
 
*
 Número Quântico Principal (n) - nível de energia
núcleo
Número Máximo de elétrons
Teoricamente pela fórmula de Rydberg
 2n2
O sentido da seta indica uma ordem crescente de energia dos elétrons nos níveis e subníveis
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 Numero Quântico Secundário (l) – formato da nuvem eletrônica
Número Máximo de elétrons
2(2l +1)
teóricos
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s = sharp p = principal d = diffuse f = fundamental
Completando a tabela:
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 Associando a energia do nível e do subnível
s = 0 p = 1 d = 2 f = 3
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Distribuição Eletrônica nos Subníveis de Enegia
	 A energia do elétron em um nível e subnível de energia  distância do núcleo e forma da nuvem eletrônica  foi deduzida pela mecânica quântica e pode ser determinada em ORDEM CRESCENTE DE ENERGIA, usando
o Diagrama de Linus Pauling.
Diagrama de Pauling
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 Número Quântico Magnético ( m ou ml)
 orientação do elétron no espaço
-l a +l
Representação gráfica 1 orbital: 
 FORMATO CARACTERÍSTICO E DISPOSIÇÃO ESPACIAL
z
y
x
Orbital 1s
Orbital 2s
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Orbital “s”
l= 0
ml = 0
Orbitais “p”
l= 1
 ml=0 
ml=+1
ml=-1
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Orbitais “d”
l= 2
ml=0 
ml=+1
ml=-1
ml=+2
ml=-2
*
Orbitais “f”
l= 3
ml=0
ml=+1
ml=-1
ml=+2
ml=-2
ml=+3
ml=-3
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 Num mesmo orbital  e- com spins opostos = mais estável
  Elétrons emparelhados (par) num mesmo orbital = sem campo elétrico. Magnetismo devido ao spin de um elétron é anulado pelo magnetismo do elétron de spin oposto 
Cada elétron se comporta como um pequeno imã.
b) Magnetismo do elétron resultante da rotação (spinning) da carga negativa
e- gira ao redor do seu eixo no sentido horário ou anti-horário
 Número Quântico Spin 
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Distribuição eletrônica em orbitais
 Princípio da exclusão de Pauli: num orbital existem no máximo 2 e- com spins opostos.
 
Regra de Hund: para preencher os orbitais de um mesmo subnível deve ser feito de modo que tenhamos o maior número possível de elétrons desemparelhados.
Em um átomo, dois elétrons não podem apresentar o mesmo conjunto de nos quânticos.
1s2
1o elétron
n = 1
l = 0
ml = 0
ms = +1/2
2o elétron
n = 1
l = 0
ml = 0
ms = -1/2
Exemplo: 2He4
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Distribuição eletrônica em orbitais
 Elétron mais energético: último na distribuição
Exemplo:
Sc21 
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Distribuição eletrônica para o último nível do átomo de carbono
6C12 1s2 2s2 2p2 
Estado normal: 
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 Um átomo, em seu estado normal, é eletricamente neutro. 
 Um átomo pode ganhar ou perder elétrons sem sofrer alteração em seu núcleo, resultando partículas denominadas ÍONS.
* íon positivo Cátion
* íon negativo Ânion
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 Distribuição Eletrônica em íons 
Átomo
Neutro
PERDER e-
RECEBER e-
ÍON POSITIVO
ÍON NEGATIVO
EXERCÍCIO: Distribuição eletrônica do Fe+3, Fe+2, O-2
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1. A calda bordalesa é um tradicional fungicida agrícola, resultado da mistura simples de sulfato de cobre, cal hidratada ou cal virgem e água.
Represente a distribuição eletrônica para a espécie química cobre tal como ele se encontra nos compostos constituintes da calda borbalesa. 
2. No tratamento de hiperacidez gástrica, úlcera péptica, indigestão ou azia pode ser usado um gel de hidróxido de alumínio com hidróxido de magnésio, suspensão oral.
Represente a distribuição eletrônica para a espécie alumínio e magnésio tal como se encontram neste antiácido estomacal.
Determine o conjunto dos quatro números quânticos para o elétron mais energético para as espécie quando neutras e quando iônica.
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TABELA PERIÓDICA
Átomos dos elementos em ordem crescente de números atômicos.
●GRUPOS OU FAMÍLIAS (linha vertical)
Propriedades químicas semelhantes
 N0 grupo = no e- último nível (alguns)
●PERÍODO (linha horizontal)
Propriedades químicas diferentes
 No período = no de camadas que o átomo
apresenta = maior no quântico principal.
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Períodos da tabela
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Famílias ou grupos
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Tabela Periódica
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RELAÇÃO ENTRE DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA E A LOCALIZAÇÃO NA TABELA PERIÓDICA
1S
Ponto de Partida
2s
3s
4s
5s
6s
7s
3d
4d
5d
6d
2p
3p
4p
5p
6p
7p
4f
5f
Atkins, P.;Jones, L. Principio de Química. Bookman Companhia Editora.2000
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s
f
d
p
 s1 s2 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
Classificação dos Elementos
Metais – Semi-Metais – Ametais – 
Gases Nobres
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H
B
G
A
S
N
O
B
R
E
Si
Ge
As
Sb
Te
Po
M E T A I S
AMETAIS
 
● Metais: 1 a 3 elétrons no último nível = tendência a perder elétrons
 ● Ametais: 4 a 7 elétrons no último nível = tendência a receber ou compartilhar elétrons
● Semi-metais: Propriedades intermediárias.
● Gases Nobres: estáveis; moléculas monoatômicas; não perdem nem recebem elétrons.
At
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Propriedades Periódicas
ENERGIA DE IONIZAÇÃO: 
	Energia necessária para remover 1 elétron de um átomo isolado no estado gasoso e no seu estado fundamental.
 X0(g) + E  X+(g) + e-
T.P.
 Carga nuclear	 Energia de ionização
 kJ/mol	
 	 H 1+ ≈1500
Li	3+	520	
Be	4+	899	
B	5+	801	
C	6+	1086	
N	7+	1402	
O	8+	1314	
F	9+	1681	
Ne	10+	2081	
H ≈ 3 vezes a EI do Li. Menor dos átomos; grande força de atração entre o núcleo e eletrosfera; não há cerne para dificultar a atração.
 A grandeza de energia de ionização é uma medida de quão fortemente o elétron se encontra ligado ao átomo.
Quanto maior a energia de ionização, mais difícil é retirar o elétron.
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ELETROAFINIDADE (afinidade eletrônica):
	Energia liberada quando 1 elétron é adicionado a um átomo isolado no estado gasoso para originar um ânion.
X0(g) + e-  X-(g) + E
T.P.
 Carga Nuclear AF kJ.mol-1	
F	9 +		-333	
Cl	17 +		-348	
Br	35 +		-324	
I	53 +		-296	
Propriedades Periódicas
Os valores variam pouco dentro de um dado grupo.
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ELETRONEGATIVIDADE:
	tendência de um elemento em receber elétrons
T.P.
Aktins,P; Jones, Loreta Princípios de Química. BooKman. Porto Alegre, 2001
►Variação da eletronegatividade dos elementos dos grupos principais
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ELETROPOSITIVIDADE (Caráter Metálico)
	tendência do átomo em perder elétrons.
T.P.
 Quanto menor o raio atômico, maior a atração que o núcleo do
 átomo exerce sobre o elétron que vai adquirir, portanto menor
 a sua eletropositividade.
 Como consequência, esta propriedade tende a crescer na tabela 
periódica: 
Nos períodos: a eletropositividade cresce da direita para a esquerda, 
Nas famílias ou grupos: a eletropositividade cresce de cima para baixo. 
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Raio Atômico
O raio atômico é a metade da distância entre dois núcleos em dois átomos 
de adjacentes.
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Raio Atômico
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Raios iônicos
Raio de cátion: quando um átomo perde elétron, a repulsão da nuvem eletrônica diminui, diminuindo o seu tamanho. Inclusive pode ocorrer perda do último nível de energia e quanto menor a quantidade de níveis, menor o raio.
Portanto: raio do átomo > raio do cátion
 
 Raio do ânion: quando um átomo ganha elétron, aumenta a repulsão da nuvem eletrônica, aumentando o seu tamanho.
Portanto: raio do átomo < raio do ânion
 
*
Exemplos de elementos químicos e suas aplicações em engenharia:
Os compostos de SILÍCIO (semimetal) possuem diversas aplicações, das quais se destacam: fabricação de cimentos, cimentos amianto, vidros, semicondutores e silicones (espécie de polímero que pode ser obtido na forma de resina, emulsão ou na forma fluida ou emborrachada). Alguns compostos são, ainda, utilizados como pedras ornamentais (topázio, ametista, etc). Além disso, o silício é empregado na produção de chips e placas de circuitos integrados de aparelhos eletro-eletrônicos como rádios, telefones celulares e computadores. Na produção destas placas, em uma das etapas, há a deposição de uma camada de SiO2 sobre uma pastilha de silício elementar. 
*
Cobre
A estrutura eletrônica torna comparáveis, o cobre, prata e o ouro semelhantes em muitos aspectos: os três têm alta condutividade térmica e elétrica, e os três são maleáveis. Entre os metais puros na temperatura ambiente , o cobre tem a segunda maior condutividade elétrica e térmica , depois da prata , com uma condutividade de 59,6 × 106S/m. Este valor alto é devido à praticamente todos os elétrons na camada de valência (um por átomo) tomar parte na condução. O resultado são elétrons livres no montante de cobre para uma densidade de carga enorme de 13,6 × 109C/m3.
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Aplicações do elemento germânio:
Fibra óptica. 
Eletrônica: Radares, amplificadores de guitarras
elétricas, ligas metálicas de SiGe em circuitos integrados de alta velocidade. 
Óptica de infravermelhos: espectroscópios, sistemas de visão noturna e outros equipamentos. 
Lentes, com alto índice de refração, de ângulo amplo e para microscópios. 
Em joias é usado uma liga metálica de Au com 12% de germânio. 
Como elemento endurecedor do alumínio, magnésio e estanho. 
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	LISTA No 1 – Estrutura Atômica e Periodicidade Química
 1)     Quantos elétrons tem um átomo que possui apenas as camadas K e L, sabendo-se que estas estão lotadas de elétrons?
 2) Qual a distribuição eletrônica num átomo de bromo que possui um total de 35 elétrons? 
 3) Quais são os números de prótons (Z), de massa (A), de nêutrons (N) e de elétrons (E) de um átomo de potássio (19K39) em seu estado normal?
 4) Quais são os números Z, A, neutrons e elétrons de um cátion potássio (K+) com carga elétrica +1?
 5) Quais são os números Z, A, neutrons e elétrons de um ânion S-2 com carga elétrica –2, sabendo que o enxofre em seu estado normal é 16S32?
6) Quais são os subníveis que formam a camada eletrônica L?
7) Qual o número máximo de orbitais que podem existir no nível energético M?
8) Apresente a distribuição eletrônica (subníveis) para o átomo de carbono. Apresente como os elétrons mais energéticos estão distribuídos em orbitais.
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 9) Um átomo possui, numa camada, os subníveis s, p e d com o máximo de elétrons. Quantos elétrons possui essa camada, supondo que apenas os subníveis s, p e d estejam presentes?
 10) Coloque no esquema abaixo, que representa o subnível d, um total de 7 elétrons.
 Indique os quatro números quânticos do último elétron colocado, sabendo que esse subnível é da camada M.
11) Qual a estrutura eletrônica do enxofre (Z=16), pôr nível e subnível eletrônicos? 
12) Qual a estrutura eletrônica do ânion S-2?
13) Considere os seguintes átomos neutros: A (18 elétrons), B (17 elétrons), C (11 elétrons) e D (2 elétrons).
a) A que família pertencem?
b) Coloque-os em ordem crescente dos potenciais de ionização.
14) Coloque os elementos Al, Ar, P, Na, F e N em ordem crescente de afinidade eletrônica. 
15) Coloque os elementos F,C, H, O, N, S em ordem crescente de eletronegatividade.
*
16. Indique o nome e o símbolo do elemento com as seguintes características:
Maior raio atômico do grupo 2A
Menor raio atômico do grupo 2A
Maior raio atômico do segundo período
Menor raio atômico do segundo período
Maior energia de ionização do grupo 7A
Menor energia de ionização do grupo 7A
17. Um átomo de certo elemento tem 15 elétrons. Sem consultar a tabela periódica, responda às questões seguintes:
a) Qual é a configuração eletrônica no estado fundamental desse elemento?
b) Como deve ser classificado esse elemento?
c) O elemento é diamagnético ou paramagnético?
*
18. Para cada um dos pares seguintes, indique qual da duas espécies é maior:
a) N3- ou F- (N3-)
b) Mg2+ ou Ca2+ (Ca2+)
c) Fe2+ ou Fe3+ (Fe2+)
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Até agora, temos as seguintes partículas constituintes do átomo:
Prótons
Neutrons
Elétrons
Porém, nos anos 60 intensas pesquisas revelaram que estas particulas básicas são compostas de mais unidades básicas chamadas de quarks.
Isto foi concluído nos anos 80, as partículas constituintes da matéria são os quarks, e são responsáveis pelas forças que mantém o núcleo unido. Quarks são particulas maciças, que tem um spin de 1/2 a suportam uma fração de carga elétrica. Os quarks sempre se encontram combinados com outras partículas. Existem 6 tipos de quarks: up, down, top,botton, strange e charm. Apenas o up e o down, ocorrem nos prótons e nêutrons. Os demais só aparecem em partículas instáveis que espontaneamente decaem em frações de segundo.
Agora mais algumas partículas atômicas:
BARYONS - Hadrons que consistem de 3 quarks
BOSONS - Partículas que suportam as forças físicas básicas
FERMIONS - Todas as partículas com spin 1/2 ou 3/2. Exemplos incluem leptons e baryons.
GLUONS - Bosons que suportam intensas forças entre dos quarks.
GRAVITONS - Bosons que se supões suportar as forças gravitacionais. Estas partículas já vem sendo observadas.
HADRONS - Todas as partículas que são compostas pelos quarks.
LEPTONS - Partículas que foram encontradas fora do núcleo. Existem seis tipos de leptons: eletrons, muons, taus, e os respectivos neutrinos.
Leitura Complementar
*
MESONS - Hadrons formados por um quark e antiquarks.
MUONS - Leptons que são menos pesados que os elétrons. Embora estas partículas existam desde os primeiros instantes da formação do universo, elas agora existem apenas em partículas aceleradas e raios cósmicos.
NEUTRINOS - Partículas sem carga elétrica e com nenhuma ou pouca massa.
PHOTONS - Bosons que carregam força eletromagnética. São as partículas que compõe a luz.
QUARKS - Partículas que compõe os neutrons e os protons.
TAUS - São leptons mais pesados. Hoje estas partículas podem apenas ser encontradas em partículas aceleradas e em raios cósmicos, embora fossem abundantes no início da formação do universo.
VECTOR MESONS - (Também chamados de W+, W- e Z bosons). Bosons que carregam fracas forças, responsáveis por alguns tipos de decaimentos radioativos. 
LINK INTERESSANTE: www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br Acesso em 01.02.2006
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