1 Estrutura Ato mica IC348

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Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
Recuperação	de	disciplina
Química	Geral	(IC348)
Cursos:	Farmácia	e	Engs.	de	Materiais	e	Química
Prof.	Gustavo	B.	da	Silva
ESTRUTURA	ATÔMICA
1
UNIVERSIDADE	FEDERAL	RURAL	DO	RIO	DE	JANEIRO
Instituto	de	Ciências	Exatas
Departamento	de	Química
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
ü Primeiros modelos sobre a constituição da matéria;
ü A radiação eletromagnética;
ü Quanta e fótons;
ü Dualidade onda-partícula da matéria;
ü Princípio da Incerteza de Heisenberg;
ü Funções de onda e Equação de Schrödinger;
ü Números Quânticos;
ü Orbitais atômicos;
ü Spin eletrônico;
ü Estrutura atômica do hidrogênio.
Sumário
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Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
1. Tales de Mileto
“A água era o elemento primordial da matéria”
2. Anaxímenes (séc. VI a.C.)
“O ar era o elemento constituinte do Universo”
3. Heráclito (540-480 a.C.)
“... sendo a natureza caracterizada pela mudança, então o elemento básico do
Universo seria o fogo”
4. Empídocle (490-430 a.C.)
“A água, o ar e o fogo seriam os três elementos constituintes base de todo o
Universo”
5. Aristóteles (384-322 a.C.)
“O universo seria formado pela combinação dos elementos fundamentais: ar,
água, terra e fogo. Estes elementos se transformavam uns nos outros pela
mudança de suas propriedades e ao se combinarem davam origem a todos os
materiais” 3
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
6. Demócrito e Leucipo (470-360 a.C.)
“A matéria não poderia ser dividida infinitamente”
Denomina-se a menor parte da matéria de átomo.
7. Teoria do flogístico
Tudo deriva do espírito ígneo, ou seja, do fogo. Porém essa Teoria foi derrubada
pelos experimentos de Lavoisier.
8. Teoria de Dalton (1808)
a) A matéria é constituída de átomos que são partículas indivisíveis e
indestrutíveis;
b) Todos os átomos de um elemento químico são idênticos em massa e
propriedades;
c) As substâncias são formadas pela combinação de diferentes átomos na razão
de números pequenos;
d) As reações químicas envolvem somente combinação, separação e rearranjo
dos átomos, não havendo em seu curso nem a criação, nem a destruição de
átomos.
4
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
5
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Ø Descoberta	da	eletricidade	e	da	radioatividade
Marie	e	Pierre	Curie
• Benjamin Franklin (1706-1790) e Henri
Becquerel (1852-1908): suas descobertas
foram fundamentais para o estudo dos átomos
• Existência de dois tipos de cargas: (+) e (-)
• Existência de materiais radioativos (polônio e
rádio) que emitem partículas a, b e g.
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Partículas Subatômicas
ü Características das	emissões a, b e	g:
Nome Símbolo Carga Massa	(g/partícula)
Alfa	(a) 42He,	42a +2 6,65	x	10-24
Beta	(b) 0-1e,	0-1b -1 9,11	x	10-28
Gama	(g) 00	g,	g 0 0
ü 42He:	núcleos de	hélio carregados positivamente
ü Quanto maior a	massa menos penetrante:	a <	b < g
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Habilidade de	penetração relativa dos	três principais tipos
de	radiação nuclear.
Partículas Subatômicas
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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9. Modelo de Thomson (séc. XIX)
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Joseph	J.	Thomson	(1856-1940)
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
9. Modelo de Thomson (séc. XIX)
9
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Joseph	J.	Thomson
(1856-1940)
O átomo é constituído por uma massa
de carga positiva, na qual estão
incrustados os elétrons, que são partes
constituintes do átomo.
Crookes à tubos de raios catódicos à
permitiu a identificação do elétron;
Tubos	de	raios	catódicos
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9. Modelo de Thomson (séc. XIX)
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Tubos	de	raios	
catódicos
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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9. Modelo de Thomson (séc. XIX)
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Experimento de Millikan à determinação da carga do
elétron.
Carga:
1,602176	x	10-19 C
Massa:
9,1093382	x	10-28 g
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Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
ü Pela separação da radiação
conclui-se que o átomo consiste
de entidades neutras e carre-
gadas positiva e negativamente;
ü Thomson supôs que todas
essas espécies carregadas eram
encontradas em uma esfera.
9. Modelo de Thomson (séc. XIX)
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10.	Rutherford
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Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Ernest	Rutherford
(1871-1937)
Modelo Nuclear
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10.	Rutherford
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Ø O átomo com núcleo
ü O átomo é esférico, mas a
carga positiva está localizada
no centro, com uma carga
negativa difusa em torno
dele.
ü O átomo é constituído de
prótons, neutrons (no núcleo)
e elétrons (fora do núcleo);
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10.	Rutherford
Ø O átomo com núcleo
ü O próton tem carga (+) e
massa = 1,672622 x 10-24g.
ü James Chadwick (1891-
1974) descobriu os neutrons
após estudos radioativos
com polônio e parafina, na
qual a massa do neutron é
1,674927 x 10-24 g.
Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Primeiros	modelos	elaborados	sobre	a	constituição	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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A	Radiação	Eletromagnética
1.	Max	Planck	(1890)
Ele propôs que a troca de energia entre a matéria e a radiação ocorre em
QUANTA ou pacotes de energia:
E	=	h	x	n =	h	x	c	
l
Onde:	h	(constante	de	Planck)	=	6,626	x	10-34 J.s
l =	comprimento	de	onda
n =	frequência
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A	Radiação	Eletromagnética
• Todas as ondas têm um
comprimento de onda
característico, l, e uma
amplitude, A.
• A frequência, n, de uma
onda é o número de ciclos
que passam por um ponto
em um segundo.
• A velocidade de uma onda,
v, é dada por sua frequência
multiplicada pelo seu
comprimento de onda.
• Para a luz, velocidade = c.
Ø Ondas eletromagnéticas
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A	Radiação	Eletromagnética
Ø Ondas eletromagnéticas
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
2. Einstein e o Efeito Fotoelétrico
Se a radiação incidente tem frequência
n, ou seja, consistindo de um feixe de
fótons de energia hn, ao coincidir com
os elétrons do metal:
a) E (fóton) = E (elétron) à o elétron
será expelido!
b) E (fóton) > E (elétron) à o elétron é
removido com uma energia cinética!
hn =	F +	Ec
Conclusão: fótons se comportam
como partícula e onda!
20
A	Radiação	Eletromagnética
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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A	Radiação	Eletromagnética
Efeito	fotoelétrico
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
3. Comportamento dualístico da luz
ü Difração:
É o padrão de intensidades de máximos e mínimos gerados por um
objeto no caminho do raio de luz:
ØMáximos coincidindoà Interferência construtiva;
ØMáximo e mínimo coincidindoà interferência destrutiva.
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A	Radiação	Eletromagnética
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
Foi	o	primeiro	modelo	a	utilizar	os	conceitos	quânticos	de	Planck	e	
Einstein.
Niels	Bohr	(1885-1962)
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Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
Espectro	
contínuo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
Espectro	de	emissão	
descontínuo	do	Ca24
Ø Espectro	de	emissão	de	linhas
Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
Espectro	contínuo	
de	um	sólido	
incandescente
Espectro	solar	
mostrando	linhas	de	
absorção
Espectro	de	emissão	
descontínuo	do	Na
Espectro	de	emissão	
descontínuo	do	H
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
Ø Espectro	de	emissão	do	átomo	de	hidrogênio
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
Espectros de	linhas
• Balmer: descobriu que as linhas no espectro de linhas
visíveis do hidrogênio se encaixam em uma simples
equação.
• Mais tarde, Rydberg generalizou a equação de Balmer
para:
onde RH é	a	constante de	Rydberg	(1,096776	´ 107 m-1),	
e n1 e	n2 são números inteiros (n2 >	n1).
26
Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
( ) ÷÷
ø
ö
çç
è
æ
-= 2
2
2
1
111
nn
RH
l
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O	Modelo de	Bohr
• Rutherford supôs que os elétrons orbitavam o núcleo da
mesma forma que os planetas orbitam em torno do sol.
• Entretanto, uma partícula carregada movendo em uma
trajetória circular deve perder energia.
• Isso significa que o átomo deve ser instável de acordo
com a teoria de Rutherford.
• Bohr observou o espectro de linhas de determinados
elementos e admitiu que os elétrons estavam
confinados em estados específicos de energia. Esses
foram denominados órbitas.
Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
O	modelo de	Bohr
• As cores de gases excitados surgem devido ao
movimento dos elétrons entre os estados de energia no
átomo.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
O	modelo de	Bohr
• Órbitas quantizadas:
onde n é nº quântico principal (n = 1, 2, 3, ...)
• A 1a órbita no modelo de Bohr tem n = 1, é a mais
próxima do núcleo e convencionou-se que ela tem
energia negativa. Já a órbita mais distante no modelo de
Bohr tem n próximo ao infinito e corresponde à energia
zero. 29
( ) ÷
ø
ö
ç
è
æ´-= - 2
18 1J 10179.2
n
E
Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
O	modelo de	Bohr
• Os elétrons no modelo de Bohr podem se mover apenas
entre órbitas através da absorção e da emissão de
energia em quantum (hn).
• Podemos mostrar que
• Quando ni >	nf, a	energia é	emitida.
• Quando nf >	ni, a	energia é	absorvida.
( ) ÷÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
-´-===D - 22
18 11J 10179.2
if nn
hchE
l
n
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Espectro	de	linhas	e	o	Modelo	Atômico	de	Bohr
O	modelo de	Bohr
Ø Limitações do modelo de Bohr
• Pode explicar adequadamente
apenas o espectro de linhas
do átomo de hidrogênio.
• Os elétrons não são
completamente descritos
como partículas pequenas.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
ü Equação de De Broglie
E = m x c2 mc2 = h x n
E = h x n mc2 = h x c
c = l x n l
Exemplo: Uma partícula que apresenta massa de 1,0 g viajando a 1,0 m/s tem
que comprimento de onda?
Resposta:	l =	6,626	x	10-31	m
Experimento	Davisson-Gernen:
A	matéria	tem	comportamento	dualístico!
l =	h	/	m	x	c
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Comportamento	dualístico	da	matéria
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
1. O Princípio da Incerteza de Heisenberg
A localização e o momentum (p = mc) de
uma partícula são complementares, ou
seja, ambos não podem ser conhecidos
simultaneamente com precisão arbitrária.
Werner	K.	Heisenberg
(1901-1976)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
p
³DD
4
· hmvx
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
2. Função de Onda (Y )
ü A equação de Schrödinger é uma
equação para calcular a função de onda que
determina as propriedades ondulatórias dos
elétrons nos átomos ou moléculas
ü A função de onda Y e Y2 fornecem
valores para todos os pontos em torno do
núcleo. Y2 corresponde a probabilidade de
encontrar uma partícula em uma região do
espaço.Erwin	Schrödinger(1887-1961)
34
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Y2 x	volume	à densidade	de	probabilidade
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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2. Função de Onda (Y )
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ÑY2 +		8p2m(E	– V)Y =	0
h2
Equação	de	Schrödinger
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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2. Função de Onda (Y )
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Uma das mais surpreendentes conclusões da equação
mecânico-quântica é que a energia da partícula é
QUANTIZADA, significando que ela é restrita a uma série
de valores discretos chamados de níveis de energia.
ü A interferência das funções de onda é de grande
importância no entendimento e explicação das LIGAÇÕES
QUÍMICAS.
2. Função de Onda (Y )
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
2. Função de Onda (Y )
Ø ORBITAL:
• É o resultado da equação de Schrödinger, cujos
resultados (funções de onda) têm que ser contínuos,
univalentes e finitos
• Descreve uma região do espaço onde é máxima a
probabilidade de encontrar o elétron!
• As funções de onda de um elétron em um átomo do tipo
hidrogênio (hidrogenóide) são chamadas de orbitais
atômicos.
• Para resolver a equação de Schrödinger para 1 elétron no
espaço tridimensional, três números quânticos (n, l e ml)
são parte integrante da solução matemática.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
v Números Quânticos
a)	Número	quântico	principal	(n):
Especifica	a	energia	do	orbital	ou	camada	n	=	1,	2,	3,...
b) Número	quântico	do	momentum	angular	do	orbital	(l):
Caracteriza orbitais que tenham o mesmo n, mas a forma diferente
(l = 0, 1, 2, 3,...). Cada orbital em uma subcamada tem o mesmo
valor de n e l, orbitais com o mesmo valor de n e diferentes valores
de l estão numa mesma camada, mas em subcamadas distintas.
n	=	1	à l =	0
n	=	2	à l =	0,	1
n	=	3	à l =	0,	1,	2
n	=	4	à l =	0,	1,	2,	3
Valor de l Símbolo da subcamada
0 s
1 p
2 d
3 f
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
v Números Quânticos
c)	Número	quântico	do	
momentum	magnético	(ml):
Diferencia orbitais que
tenham o mesmo n e o
mesmo l, isto é com a mesma
energia e a mesma forma,
mas tendo orientações
espaciais diferentes.
ml =	-l,...,	0,...,	+l Degenerescência	dos	
orbitais	no	átomo	de	H
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
v Números Quânticos
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü As soluções das expressões matemáticas são bastante
complexasà Estratégia: COORDENADAS POLARES.
ü Dessa forma os orbitais podem ser descritos na forma
geral:
v Resolução da Equação de Schrödinger:
Y(r,q,f)	=	R(r).Q(q).F(f)
Onde:	R	à função	radial
Q e	Fà funções	angulares
ü A descrição dos orbitais atômi-
cos é feita comumente através de
gráficos ou ilustrações.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Quando a função radial iguala-se a zero temos os
chamados nódulos radiais ou simplesmente nós.
v Função distribuição radial (P)
Amplitude	nula	no	núcleo	
(r	=	0)
Amplitude	não	nula	
no	núcleo	(r	=	0)
P	=	4pr2Y2
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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v Função distribuição radial (P)
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
45
v Função distribuição radial (P)
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
46
v Função distribuição radial (P)
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Para orbitais 1s, 2s e 3s
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
47
v Função distribuição radial (P)Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
48
v Função distribuição radial (P)
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
49
v Função distribuição radial (P)
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
50
v Função distribuição radial (P)
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
51
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Orbitais s
• Todos os orbitais s são esféricos.
• À medida que n aumenta, os orbitais s
ficam maiores.
• À medida que n aumenta, aumenta o
número de nós. Em um nó,Y2 = 0
• Para um orbital s, o número de nós
radiais é n-1. Não existem superfícies
nodais
v Função de onda angular
ü Relaciona-se com a forma do orbital, ou seja, com a
superfície-limite.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
52
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Orbitais s
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
53
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Orbitais p
• Existem três orbitais p,		px,	py,	e	pz.		
• Os	três orbitais p localizam-se	ao
longo dos	eixos x-,	y- e	z- de	um	
sistema cartesiano (ml,	-1,	0,	e	+1).
• Os	orbitais têm a	forma	de	
halteres.	
• À	medida que n aumenta,	os
orbitais p ficam maiores.
• Todos os orbitais p têm um	nó no	
núcleo.	
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
54
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Orbitais d
• Existem cinco orbitais d (3 encontram-se em um plano
bissecante aos eixos x-, y- e z e 2 se encontram em um
plano alinhado ao longo dos eixos x-, y- e z)
• Cada orbital d possui duas superfícies nodais.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
55
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Orbitais f
• Existem sete orbitais f.
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
56
Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
v Função de onda angular
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
v Função de onda angular
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
Ø Os	orbitais	
com	número	
quântico	l
possuem	l
planos	nodais.
ü Superfícies nodais
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
ü Superfícies nodais
Nº	total	de	nós	=	n	– 1
Nós	radiais	=	n	– l – 1 Nós	angulares	=		l
Estrutura	AtômicaQuímica	Geral	(IC348)
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Modelo	Mecânico-Quântico	do	Átomo
v Átomos polieletrônicos
Número	quântico	magnético	
de	spin	(ms):
Sentido	horário	àms =	- ½
Sentido	anti-horário	àms =	+½
Quebra	da	
degenerescência	dos	
orbitais	em	átomos	
multieletrônicos