Estrutura Básica da Matéria

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Estrutura Básica da Matéria
A estrutura atômica é composta por três partículas fundamentais: prótons (com carga positiva), nêutrons (partículas neutras) e elétrons (com carga negativa).
Toda matéria é formada de átomo sendo que cada elemento químico possui átomos diferentes.
A eletricidade chega às nossas casas através de fios e da movimentação de partículas negativas que fazem parte dos elétrons, que circulam pelos fios.
No núcleo de um átomo estão os prótons e os nêutrons e, girando em torno desse núcleo, estão os elétrons.
Cada núcleo de um determinado elemento químico tem o mesmo número de prótons.
Esse número define o número atômico de um elemento e determina sua posição na tabela periódica.
Em alguns casos acontece de um mesmo elemento ter átomos com números diferentes. Esses são chamados de isótopos.
Prótons
O próton é uma partícula fundamental na estrutura atômica. Juntamente com os nêutrons, forma todos os núcleos atômicos, exceto para o hidrogênio, onde o núcleo é formado de um único próton.
A massa de um átomo é a soma das massas dos prótons e nêutrons. Como a massa do elétron é muito pequena (tem cerca de 1/1836,15267377 da massa do próton), ela não é considerada.
A massa do átomo é representada pela letra (A). O que caracteriza um elemento é o número de prótons do átomo, conhecido como número atômico do elemento.
É representado pela letra (Z). O número da massa (A) do átomo é formado pela soma do número atômico (Z) com o número de nêutrons (N), ou seja, A = Z + N.
Nêutrons
O nêutron são partículas neutras que fazem parte da estrutura atômica dos átomos, juntamente com os prótons. Ele tem massa, mas não tem carga.
A massa é muito parecida com a do próton. O nêutron se localiza na porção central do átomo (núcleo).
Para se calcular a quantidade de nêutron que um átomo possui basta fazer a subtração entre o número de massa (A) e o número eletrônico (Z).
Elétrons
O elétron é uma partícula subatômica que circunda o núcleo atômico, sendo responsável pela criação de campos magnéticos elétricos.
Um próton na presença de outro próton se repele, o mesmo ocorre com os elétrons, mas entre um próton e um elétron existe uma força de atração. Dessa maneira atribui-se ao próton e ao elétron uma propriedade física denominada carga elétrica.
Os elétrons dos átomos giram em órbitas específicas e de níveis energéticos bem definidos. Sempre que um elétron muda de órbita, um pacote de energia seria emitido ou absorvido.
Essa teoria envolve conhecimentos da mecânica quântica e estes pacotes de energia são chamados quantum.
Modelo de Bohr (modelo planetário)
O modelo do físico dinamarquês Niels Bohr tentava dar continuidade ao trabalho feito por Rutherford. Para explicar os erros do modelo anterior, Bohr sugeriu que o átomo possui energia quantizada. Cada elétron só pode ter determinada quantidade de energia, por isso ele é quantizada.
O modelo de Bohr representa os níveis de energia. Cada elétron possui a sua energia. É comparado às orbitas dos planetas do Sistema Solar, onde cada elétron possui a sua própria órbita e com quantidades de energia já determinadas. 
As leis da física clássica não se enquadram neste modelo. Quando um elétron salta de um nível menor para um nível mais elevado, ele absorve energia e quando ele retorna para um nível menor, o elétron emite uma radiação em forma de luz.
Bohr organizou os elétrons em camadas ou níveis de energia.
Cada camada possui um nome e deve ter um número máximo de elétron.
Existem sete camadas ou níveis de energia ao redor do núcleo: K, L, M, N, O, P, Q. 
Observe a tabela que mostra o nome das camadas, o seu número quântico e o número máximo de elétrons em cada uma destas camadas:
	 
	N° QUÂNTICO
	N ° MÁXIMO DE é
	K
	1
	2
	L
	2
	8
	M
	3
	18
	N
	4
	32
	O
	5
	32
	P
	6
	18
	Q
	7
	2
Diagrama de Pauling
O diagrama de Pauling ou princípio de Aufbau nada mais é do que um método de distribuir os elétrons na eletrosfera do átomo e dos íons. Este método foi desenvolvido pelo físico alemão Erwin Madelung (no Brasil, em muitos livros de química, o modelo é atribuído à Linus Pauling; entretanto, não há evidências de que tenha sido ele o criador desse método). Ele provou experimentalmente que os elétrons são dispostos nos átomos em ordem crescente de energia, visto que todas as vezes que o elétron recebe energia ele salta para uma camada mais externa a qual ele se encontra, e no momento da volta para sua camada de origem ele emite luz, em virtude da energia absorvida anteriormente. Baseado na proposição de Niels Borh de que os elétrons giram ao redor do núcleo, como a órbita dos planetas ao redor do sol.
Uma lâmpada fluorescente, por exemplo, ela contém uma substância química em seu interior, obviamente formada por átomos, os elétrons presentes na eletrosfera destes átomos, ao receber a energia elétrica são excitados, e começam a saltar para outras camadas e ao retornarem emitem a luz.
Diagrama de Pauling
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d106p6 7s2 5f146d10 7p6 ...
Ordem crescente de energia
Número Quântico Principal (n): também conhecido como nível energético são representados pelos números inteiros correspondentes a:
K= 1 s
L=  2 s p
M= 3 s p d
N= 4 s p d f
O= 5 s p d f g
P= 6 s p d f g h
Q= 7 s p d f g h i...
Número Quântico Azimutal(l): é comumente conhecido como subnível energético e representado pelas (“s, p, d, f,”...), respectivamente, “s(Sharp), p(Principal), d(difuse) e f(fundamental)”.  Os subníveis energéticos são formados por orbitais, que comportam 2 elétrons com spins opostos segundo o Princípio da exclusão de Pauli.
s²= 1 orbital e 2 spins
p6= 3 orbitais e 6 spins
d10= 5 orbitais e 10 spins
f14= 7 orbitais e 14 spins
Número Quântico Magnético(m): o número quântico magnético é útil para identificação dos orbitais. Onde o orbital da direita tem valor (+) e os da esquerda valor (-). Por exemplo, utilizando o subnível f que possui um maior número de orbitais, temos:
Número Quântico de Spin (Ms): são representações em forma de seta dos elétrons distribuídos nos orbitais. O valor dos de cada spin é:
↑ Para cima é positivo Ms=+½(meio) e ↓ Para baixo é negativo e Ms=-½(meio)
Elétrons livres
Os elétrons livres são aqueles que, recebendo energia realizam o salto quântico, ou seja, pulam para outra camada eletrônica. Porém, quando os elétrons já se encontram na camada de valência, a mais externa do átomo, o salto quântico externa, ainda mais, o átomo, ultrapassando a barreira potencial.
Em metais ou materiais condutores, os elétrons da última camada possuem ligações muito fracas, podendo movimentar-se livremente.
Quando o metal está em temperatura ambiente, o movimento dos elétrons livres é aleatório e pode ser comparado ao movimento de moléculas de gás num recipiente fechado.
A ligação entre o metal e uma corrente elétrica faz com que os elétrons livres sejam acelerados e é criado o movimento térmico. No caso específico dos metais, os elétrons livres movimentam-se apenas em seu interior, não se deslocando tanto. Há interação entre os elétrons livres dos metais com os íons, gerando equilíbrio térmico.
Nesse momento, a química se confunde com a física, já que se torna possível calcular a energia cinética dos elétrons livres.
No modelo proposto por Drude, físico alemão do século XIX, porém, o elétrons livres se movimentam com velocidade média igual a zero, como as moléculas de gás ideal. Também neste modelo, tem-se que a colisão entre elétrons livres e íons são os principais responsáveis pela condução térmica característica dos metais. Embora o modelo de Drude seja, atualmente, obsoleto, pode-se considerar que constituiu o inicio do estudo relacionado aos elétrons livres.
Os elétrons livres também possuem um importante papel na condução elétrica. No ânodo (pólo positivo) os elétrons livres movimentam-se de forma aleatória e estão presentes em maior quantidade. Quando um elétron livre do ânodo de desloca para o cátodo, deixa no
ânodo um átomo tetravalente, que, em razão da perda do elétron, se tornou um cátion. No catodo, ele se combina com a lacuna formando um ânion.
Os elétrons livres são, portanto, fundamentais para a condução elétrica. Eles também se encontram na ionosfera, camada atmosférica com presença de íons, em que se encontram as ondas de rádio. Porém, na própria ionosfera, os elétrons livres, em suas camadas mais baixas, se recombinam com os diversos elementos.
Tensão Elétrica (D.D.P)
A diferença de potencial elétrico, também chamada de tensão elétrica, corresponde ao trabalho que deve ser feito sobre cada portador de carga para que ele seja movimentado por um circuito elétrico. A primeira lei de Ohm mostra que a ddp (U) pode ser determinada matematicamente como o produto da resistência (R) do material pela corrente elétrica (i).
U = R . i
Segundo o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de medida para ddp é o volt (V).
Corrente elétrica (continua e alternada)
Se considerarmos um gráfico i x t (intensidade de corrente elétrica por tempo), podemos classificar a corrente conforme a curva encontrada, ou seja:
 
Corrente contínua 
Uma corrente é considerada contínua quando não altera seu sentido, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa.
A maior parte dos circuitos eletrônicos trabalha com corrente contínua, embora nem todas tenham o mesmo "rendimento", quanto à sua curva no gráfico i x t, a corrente contínua pode ser classificada por: 
Corrente contínua constante
Diz-se que uma corrente contínua é constante, se seu gráfico for dado por um segmento de reta constante, ou seja, não variável. Este tipo de corrente é comumente encontrado em pilhas e baterias.
 
Corrente contínua pulsante
Embora não altere seu sentido as correntes contínuas pulsantes passam periodicamente por variações, não sendo necessariamente constantes entre duas medidas em diferentes intervalos de tempo.
A ilustração do gráfico acima é um exemplo de corrente contínua constante.
Esta forma de corrente é geralmente encontrada em circuitos retificadores de corrente alternada.
 
Corrente alternada
 
Dependendo da forma como é gerada a corrente, esta é invertida periodicamente, ou seja, ora é positiva e ora é negativa, fazendo com que os elétrons executem um movimento de vai-e-vem.
Este tipo de corrente é o que encontramos quando medimos a corrente encontrada na rede elétrica residencial, ou seja, a corrente medida nas tomada de nossa casa.
Resistencia elétrica
A resistência elétrica é definida como a capacidade que um corpo tem de opor-se à passagem da corrente elétrica. A unidade de medida da resistência no SI é o Ohm (Ω), em homenagem ao físico alemão George Simon Ohm, e representa a razão volt/Ampére.
Quando um condutor é submetido a uma diferença de potencial, ele passa a ser percorrido por uma corrente elétrica, que é constituída pelo movimento de elétrons livres no interior do condutor. Quando esses elétrons livres entram em movimento, começam a colidir entre si e com os átomos do condutor. Quanto maior o número de colisões, maior a dificuldade encontrada pela corrente elétrica em “atravessar” o condutor. Essa dificuldade de movimento das cargas é que caracteriza a resistência elétrica.
A resistência elétrica varia conforme o comprimento, a largura e a natureza do material do condutor, além da temperatura a que ele é submetido. Todos esses fatores são relacionados por uma equação conhecida como Segunda Lei de Ohm:
R = ρl
      A
Sendo que:
R – é a resistência elétrica do material;
ρ – é a resistividade e possui valores diferentes para cada tipo de material;
l – é o comprimento do condutor;
A – é área de seção transversal do condutor.
De acordo com a equação, vemos que a resistência é diretamente proporcional ao comprimento l do condutor, ou seja, quanto maior o comprimento, maior será a resistência. Ela também é inversamente proporcional à área do condutor, pois, quanto maior a área, mais fácil é a passagem dos elétrons e, consequentemente, menor a resistência do material.
Primeira Lei de Ohm
A resistência elétrica também pode sofrer variação conforme a variação da tensão e da corrente elétrica de um condutor. Isso ocorre porque, quanto maior a intensidade da corrente elétrica (i), menor a dificuldade que os portadores de carga enfrentam para movimentar-se, ou seja, menor a resistência. A diferença de potencial V entre as extremidades de um condutor é proporcional à corrente que o atravessa. A resistência é a constante de proporcionalidade entre eles e pode ser definida a partir da Primeira Lei de Ohm como:
R = V
       i
Essa Lei só é válida para materiais que possuem resistência elétrica constante, conhecidos como resistores ôhmicos.
Potência Elétrica
A potência elétrica dissipada por um condutor é definida como a quantidade de energia térmica que passa por ele durante uma quantidade de tempo.
A unidade utilizada para energia é o watt (W), que designa joule por segundo (J/s)
Ao considerar que toda a energia perdida em um circuito é resultado do efeito Joule, admitimos que a energia transformada em calor é igual a energia perdida por uma carga q que passa pelo condutor. Ou seja:
Mas, sabemos que:
Então:
Logo:
Mas sabemos que , então podemos escrever que:
Pela 1ª Lei de Ohm temos que , então podemos definir duas formas que relacionem a potência elétrica com a resistência.