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1 Capítulo II - Tabela periódica: estrutura e periodicidade nas propriedades atômicas, físicas e químicas dos elementos Ementa: A tabela periódica atual - lei periódica, relações com as propriedades dos elementos químicos e aplicações dos elementos químicos no cotidiano. - Vamos procurar regularidades da Matéria, isto é, algumas de suas propriedades. Matéria: tudo o que contém massa e ocupa certo volume no espaço (propriedades inerentes a matéria) Massa: medida da quantidade de matéria Massa inércia peso A massa determina duas propriedades importantes Inércia: resistência a variação do estado de movimento Por exemplo, um objeto em repouso tende a permanecer em repouso, e outro objeto (como a terra girando ao redor do sol) tende a permanecer em movimento. A inércia pode ser alterada pela aplicação de uma força. Densidade: massa da substância volume da substância ♦Expressa a quantidade de matéria contida por unidade de volume; ♦É uma propriedade característica de cada material e útil para caracterizar uma substância (substância = forma simples e pura da matéria). Substância Estado ρ (densidade em g/mL ou kg/L) (25°C, 1 atm) água líquido 0,997 cloro gás 2,90 x 10-3 chumbo sólido 11,3 * Além da densidade, as substâncias possuem mais algumas propriedades físicas e químicas; * Sistemas que mantêm regularidades em todas as mudanças de estado (ponto de ebulição, ponto de fusão) são chamados de substâncias. * Sistemas homogêneos que não apresentam essas regularidades durante os processos de mudança de estado são chamados de soluções. Propriedades físicas: incluem aspecto (cor, ponto de fusão, ponto de ebulição, estado físico, densidade) (não estão ligadas a alterações fundamentais na composição das sustâncias - podem ser medidas sem mudar a identidade da substância). Propriedades químicas: comportamento da substância em transformações químicas. 2 Espécies de matéria Matéria Substâncias puras Misturas Elementos Compostos Soluções Misturas heterogêneas Substância pura - composição determinada - não podem ser separadas por meios físicos - temperatura constante durante a mudança de estado Substância simples - formada por um único tipo de átomo (H2, Hg) Substância composta - formada por mais de um tipo de átomo (H2O, HCl) Misturas - composição variável (conjunto de duas ou mais substâncias) - podem ser separadas por meios físicos - temperatura variável durante a mudança de estado Elementos - as substâncias puras mais simples (ferro, cobre) - não podem ser decompostos Compostos - constituídos de dois ou mais elementos (óxido de ferro, sulfato de cobre) - podem ser decompostos em seus constituintes somente por meios químicos Soluções (ou misturas homogêneas) - constituídos de dois ou mais componentes - fase única - pode ser separada em seus constituintes por meios físicos Misturas heterogêneas - constituídas de dois ou mais componentes - duas ou mais fases Fase: região onde todas as propriedades físicas e químicas do sistema são idênticas. Cada parte homogênea de um sistema. Transformação física: não ocorrem alterações nas ligações químicas da substância Transformação química: durante uma transformação química reagentes são transformados em produtos (a composição da substância é alterada, quebrada ou 3 rearranjada, formando uma nova substância com propriedades físicas e químicas diferentes daquelas que deram origem). Não ocorre criação nem transformação de matéria - lei da conservação da massa (Lavoisier) Reagentes (R) Produtos (P) mR = mP Bibliografia Atkins, P. Princípios de Química, Porto Alegre: Bookman, 2001. pg. 39 Slabaugh, W. H. e Parsons, T. D. Química Geral, Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos,1982. Capítulo II Russel, J. Química Geral, São Paulo: McGraw-Hill do Brasil,1981. Capítulo II TABELA PERIÓDICA ♦ A tabela periódica moderna dos elementos químicos está baseada no número atômico crescente, sendo organizada em blocos de elementos de acordo com os orbitais e subcamadas (s, p, d e f) da última camada do átomo, conforme o exemplo: ♦Os elementos são listados em ordem crescente de número atômico e arranjados em linhas de certo comprimento formando famílias, que mostram tendências regulares em suas propriedades. O arranjo dos elementos que mostra relações familiares é chamado de Tabela Periódica. ♦ A montagem (aufbau) é tal que algumas propriedades químicas e físicas reaparecem periodicamente, formando conjuntos de elementos (grupos-coluna vertical) com propriedades semelhantes (lei da periodicidade) e identificam as principais famílias dos elementos. Distribuição dos elementos na tabela periódica ♦Na tabela periódica atual existem 7 períodos e 18 grupos ou famílias. Os elementos com propriedades químicas semelhantes estão no mesmo grupo. ♦Períodos (linhas horizontais): 1 a 7 (numeradas de cima para baixo). Indicam quantas camadas eletrônicas existem no átomo. ♦Grupos (coluna vertical): 1 a 18 Indicam quantos elétrons existem na última camada do átomo. Esta regra funciona para os elementos representativos: grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 e 18; o hélio é exceção. Identificam as principais famílias dos elementos e membros do mesmo grupo mostram a mesma tendência nas propriedades. 4 ♦Grupo Principal - elementos representativos - Grupos 1, 2 e 13 até 18, junto com o hidrogênio. Alguns grupos da tabela periódica recebem nomes especiais. Grupo 1 - metais alcalinos Grupo 2 - metais alcalino terrosos Grupo 16 - calcogênios Grupo 17 - halogênios Grupo 18 - gases nobres ♦Os Grupos 1 e 2 compreendem o bloco s, 3-12 o bloco d e 13-18 o bloco p. O bloco f consiste de lantanídeos e actinídeos ♦ A observação mais importante a ser notada na Tabela Periódica, como um todo, é que um novo período, ou ciclo, tem início quando há repetição das propriedades na nova sequência de elementos. Então lítio (Z=3) é um metal alcalino, e quando o próximo metal alcalino, sódio (Z=11), surge, ele toma o lugar abaixo do lítio, etc. Nesse sentido, cada grupo é uma família de elementos, tendo propriedades semelhantes. ♦ A reunião dos elementos em blocos é baseada na composição das camadas externas dos elementos - são quatro regiões regulares na tabela chamadas de s, p, d e f. Assim sendo, dá-se o nome de elemento representativo àqueles onde a camada s ou a p está sendo completada. Os elementos onde os orbitais d estão sendo preenchidos são denominados metais de transição (exceção Grupo 12 - grupo de Zn). Os membros do bloco f são os metais de transição internos. Nos lantanídeos são os orbitais 4f que estão sendo preenchidos, enquanto os actinídeos são aqueles onde os orbitais 5f estão sendo preenchidos. ♦ Elementos representativos Examinando a configuração eletrônica dos elementos, verifica-se que nos grupos 1 e 2 o último orbital é caracterizado pelo símbolo ns1 e ns2, respectivamente (n=número do período). Os elementos dos grupos 13 a 17 têm os seus orbitais p incompletos e são representados por ns2 npb (b = número de elétrons no orbital). Nos gases nobres os níveis estão completos ns2 np6 ♦ Metais de transição Para os grupos 3-11, níveis d e/ou s incompletos permitem caracterizar, de um modo geral, a camada externa destes elementos por:(n-1)dc nsa (c e a = número de elétrons nos orbitais) ♦ Metais de transição internos - Lantanídeos e Actinídeos Os lantanídeos e os actianídeos são caracterizados por seus orbitais f e d incompletos, sendo que estes elementos respondem à seguinte representação: (n-2) fi (n-1) df ns2 O sexto período inclui os 14 elementos de Z=58, cério, até Z=71, lutécio. Estes elementos que seguem o lantânio (Z=57) são chamados lantanídeos (ou elementos das terras-raras). Eles poderiam ser colocados no local apropriado, mas isto faria com que a tabela periódica ficasse muito larga. Esta sequência é mostrada separadamente e abaixo da porção principal da tabela. 5 Similarmente, o sétimo período inclui os 14 actinídeos (elementos pesados das terras- raras), que seguem o actínio (Z=89). Ambos, lantanóides e actinóides, são considerados como parte do grupo 3, o subgrupo do escândio. ♦ Os elementos constituintes de um mesmo grupo têm propriedades semelhantes entre si. Por exemplo, todos os elementos do grupo 1 têm valência +1. Assim, o hidrogênio aparece ligado a este grupo, apesar de possuir outras propriedades que o diferenciam dos metais alcalinos. Por outro lado, existe um grupo de compostos onde o hidrogênio aparece com valência -1: os hidretos, justificando a sua classificação no grupo 17, composto de elementos cuja valência principal é -1. ♦ Metais, não-metais e metalóides Os elementos podem ser distribuídos em quatro classes: metais, metalóides e não- metais. Observações: (1) O hidrogênio encontra-se no grupo 1 mas não é considerado um metal. (2) Os elementos do grupo 18 não formam ligações químicas em condições naturais, por isso eles não sofrem reações químicas e são chamados de gases nobres. Dentro dos 18 grupos que constituem a tabela periódica, os elementos de alguns grupos apresentam caráter nitidamente metálico (Grupo 1 a 12 e parte do Grupo 13 e 14) e outro caráter não metálico (parte do Grupo 14 a 17 e Grupo 18). Os elementos metálicos se encontram no lado esquerdo da tabela, e os não-metálicos no lado direto da tabela. Estas duas classes de elementos são separadas por uma aglomeração de elementos, os metalóides, com caráter intermediário. Verifica-se que o caráter metálico passa gradativamente a não-metálico, da esquerda para a direita, num mesmo período. Periodicidade das propriedades atômicas ♦ O comportamento químico de um átomo está baseado prioritariamente nos elétrons de maior número quântico principal (n). As similaridades químicas mais evidentes ocorrem entre os elementos que apresentam em comum a configuração eletrônica dos níveis mais externos, a qual induz uma periodicidade nas propriedades químicas, porque são os elétrons situados nos orbitais mais externos que interagem durante uma transformação química. 6 ♦ Camada de valência: camada mais externa, cujos elétrons participam das ligações químicas; ♦ Cerne: núcleo acrescido dos elétrons de baixa energia, que nunca participam de uma ligação química ♦ A tendência é supor variações rigorosas. Isso não acontece. Existe uma série de irregularidades, algumas explicáveis, outras não. ♦ Raio atômico - O raio atômico de um elemento é definido como a metade da distância entre os núcleos de dois átomos vizinhos - Considerando que o átomo seja uma esfera ele deve possuir um raio, quando há um acréscimo do tamanho do átomo há um aumento desse raio atômico. Há dois fatores principais que determinam o tamanho do átomo: (1) Quantidade de camadas, quanto mais camadas o átomo tem maior será seu raio atômico. (2) Quando os átomos têm a mesma quantidade de camadas devemos considerar a carga do núcleo atômico. Conforme se aumenta a carga positiva do núcleo há uma maior atração dos elétrons da eletrosfera, assim, o raio atômico diminui. ♦ Raio iônico - O raio iônico de um elemento é a sua parte na distância entre íons vizinhos em um sólido iônico. Ânion: íon negativo Cl- O2- Se o átomo neutro adquire um elétron, a sua carga negativa é repelida pelos elétrons mais internos, expandindo a nuvem eletrônica para os elétrons externos, se afastando bastante do núcleo, aumentando o raio iônico. Cátion: íon positivo Na+ Ca2+ Fe3+ Se o átomo neutro perde 1 ou mais elétrons, a atração das cargas nucleares sobre os elétrons externos aumenta consideravelmente, diminuindo o raio iônico. K+ 1,33 A Ca2+ 0,99 A - Os raios iônicos geralmente crescem de cima para baixo num grupo e decrescem da esquerda para a direita em um período. 7 ♦ Energia de ionização (Potencial de ionização) - É a energia mínima necessária para retirar um elétron de um átomo gasoso no estado fundamental. A energia de ionização é representativa da estabilidade da estrutura eletrônica do átomo (depende da estrutura eletrônica do elemento-níveis, da carga nuclear e do raio atômico). M(g) M+ (g) + elétrons átomo neutro íon positivo Esta propriedade relaciona-se com a carga do núcleo e o raio atômico de forma semelhante à eletronegatividade. Para retirar o primeiro elétron fala-se primeira energia de ionização, para retirar o segundo elétron fala-se segunda energia de ionização e assim por diante. Os pequenos desvios dessa tendência podem usualmente ser atribuídos às repulsões entre elétrons, particularmente elétrons ocupando o mesmo orbital. ♦ Afinidade eletrônica Muitos elementos têm a capacidade de captar um ou mais elétrons para completar os seus orbitais externos, adquirindo estabilidade e liberando energia. A energia liberada quando um elétron é adicionado a um átomo isolado no estado gasoso é chamada de afinidade eletrônica. A afinidade eletrônica, por elétron captado, aumenta com a carga nuclear e diminui com o aumento do raio atômico do elemento, num mesmo período. A afinidade eletrônica refere-se à facilidade de um elemento isolado captar um elétron. X(g) + elétron X- (g) Esta propriedade também se comporta de forma semelhante à eletronegatividade. ♦ Eletronegatividade Representa a habilidade relativa de um átomo, numa molécula, para atrair elétrons quando este participa de uma ligação química. Aumentando a carga do núcleo e diminuindo o raio atômico aumenta-se a eletronegatividade. Escala arbitrária de eletronegatividade: 0,7 4,0 Cs F Os gases nobres não formam ligações químicas eles não apresentam eletronegatividade. Volume atômico Nos períodos, o volume atômico aumenta do centro para as extremidades, nos grupos, cresce de acordo com o número atômico. Densidade Nos períodos, a densidade aumenta das extremidades para o centro, nos grupos, cresce com o número atômico. Propriedades dos elementos químicos Pode-se usar a Tabela Periódica como cientistas de materiais - para predizer as propriedades dos elementos e verificar como podem ser usados para criar os materiais que nos rodeiam e projetar novos materiais para tecnologias do amanhã. Localizando o 8 elemento na Tabela e observando seus vizinhos pode-se prever propriedades e tendências frente a reações químicas. Elementos representativos Os metais alcalinos são metais macios e prateados que fundem em temperaturas baixas. Tem baixa energia de ionização, o que significa que seus elétrons mais externos podem ser perdidos facilmente. Reagem com a água, produzindo hidrogênio gasoso e calor. O lítio reage moderadamente, mas crescendo em violência à medida que desce no grupo. O potássio reage vigorosamente, produzindo tanto calor que o hidrogênio produzido pela água incendeia-se. Eles devemser guardados fora do contato com o ar e água. Os metais alcalinos têm pouco uso direto como materiais, mas são muito importantes como compostos. Os metais alcalino terrosos têm muitas propriedades em comum com os metais do Grupo I, mas suas reações são menos vigorosas. Os elementos do bloco p localizados à esquerda, especialmente os elementos pesados têm energia de ionização baixa o suficiente para que esses elementos tenham algumas das propriedades metálicas dos membros do grupo s. Entretanto, as energias de ionização dos metais do bloco p são muito mais altas, e eles são menos reativos que aqueles do bloco s. Os elementos muito úteis, alumínio, estanho e chumbo, ficam todos nesta região da Tabela. Estanho e chumbo são metais, mas, embora sejam maleáveis e conduzam eletricidade, não estão próximos da reatividade apresentadas pelos elementos do bloco s e nem de alguns elementos do bloco d. Os elementos à direita do bloco p têm alta afinidade eletrônica: tendem a ganhar elétrons para completar a camada. Os membros dos Grupos 16 e 17 são não-metais e formam tipicamente compostos moleculares um com o outro. Reagem com metais para formar ânions em compostos iônicos, e por isso estão em muitos minerais que nos rodeiam tais como calcário e granito, que contêm não-metais em seus ânions. Uma grande parte da indústria de metais está envolvida no problema da extração de metais de suas combinações com não-metais. Metais de transição Todos os elementos do bloco d são metais. De acordo com a posição na tabela periódica, os metais de transição estão entre os metais alcalinos (reagem vigorosamente e perdem elétrons para formar cátions) e os metais menos reativos no lado esquerdo do bloco p, portanto apresentam propriedades intermediárias, por este motivo são chamados de metais de transição. A maior parte forma dos metais de transição forma íons com diferentes estados de oxidação. Gases nobres São gases incolores e inodoros e combinam com poucos elementos . eram chamados de gases inertes porque se pensava que eles não se combinavam com elemento algum. Periodicidade das propriedades químicas Características dos metais e não-metais Metais Não-metais Propriedades físicas bons condutores de eletricidade maus condutores de eletricidade maleáveis não-maleáveis 9 dúcteis (fios) não-dúcteis brilhantes não-brilhantes tipicamente tipicamente - sólido - sólido, líquido ou gás - alto ponto de fusão - baixo ponto de fusão - bons condutores de calor - maus condutores de calor Propriedades químicas reagem com ácidos não reagem com ácidos formam óxidos básicos formam óxidos ácidos formam cátions formam ânions formam haletos iônicos formam haletos covalentes Metalóide (B até o Po) - tem a aparência e algumas propriedades de um metal mas comporta-se quimicamente como um não metal. A distinção entre metais e metalóides e entre metalóides e não-metais não são muito precisas. * maleável ("martelo") - é aquela substância que pode ser martelada até transformar-se em folhas finas * flexível ("alongamento") - é aquela substância que pode ser alongada em fios. Ex. Cobre Aplicação de alguns elementos no cotidiano industrial Sódio - excelente agente redutor usado comercialmente na extração de alguns metais. Na fundido é usado na produção de zircônio e titânio a partir de seus cloretos: TiCl4 + 4 Na → 4 NaCl + Ti Lítio - usado em armas termonucleares e baterias recarregáveis. Potássio - o superóxido de potássio é usado em sistemas fechados de aparelhos de respiração (máscaras contra gás, submarinos e veículo9s espaciais. 4 KO2 + 2 H2O → 4 KOH + 3 O2 o KOH produzido remove o CO2 exalado KOH + CO2 → KHCO3 Berílio - é adiciona em pequenas quantidades ao cobre: o pequeno tamanho dos átomos de Be mantém os átomos de Cu juntos em uma liga intersticial que é mais rígida que o cobre puro, mas preserva a condutividade. Estas ligas duras e condutoras são moldadas em ferramentas nãoprodutoras de faíscas para refinarias de petróleo e elevadores de grãos, onde existe o risco de explosão. As ligas de Be-Cu são também importantes na indústria eletrônica, usadas para pequenas peças não magnéticas e contatos que resistem às deformações e à corrosão. Magnésio - metal resistente a corrosão pelo ar devido a formação de um filme de óxido, é muito mole e menos denso do que o alumínio, produzindo ligas principalmente para a aviação, onde leveza e resistência são necessárias. Os lantanídeos são bastante raros na Terra e assim não foram muito usados em antigas tecnologias. Entretanto, hoje em dia, são intensamente estudados, por que os materiais supercondutores frequentemente contêm lantanídeos. Os actinídios são todos elementos radioativos. 10 O sistema de numeração dos grupos atualmente ♦ Os grupos atualmente são numerados na Tabela Periódica segundo as recomendações da IUPAC - União Internacional de Química Pura e Aplicada; ♦ A numeração é feita em algarismos arábicos de 1 à 18; Configuração eletrônica ♦ Grupo 1 - metais alcalinos ns1 Grupo 2 - metais alcalino terrosos ns2 Grupo 3 à 12 - metais de transição elementos do bloco d - porque possuem elétrons de valência no subnível d os lantanídeos e os actinídeos -possuem elétrons de valência no subnível f Grupo 13 - família do boro ns2 np1 Grupo 14 - família do carbono ns2 np2 Grupo 15 - família do nitrogênio ns2 np3 Grupo 16 - família do oxigênio ns2 np4 Grupo 17 - Halogênios ns2 np5 Grupo 18 - Gases Nobres ns2 np6 Consulte a tabela periódica interativa no site: http://www.merck.com.br/química/tpie/tab_html.htm Tabela periódica dinâmica: http://www.ptable.com/?lang=pt
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