Aula Estrutura atômica.pdf

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Prof. Thiago de Melo Lima
GQI 00042 – 2018/1
Curso: Engenharia Civil
Porque esse tópico é importante para mim, um futuro
engenheiro(a) civil??
2
Entendendo a
Eu serei capaz de entender a
E consequentemente eu entenderei
O que veremos nesta aula:
• Teoria atômica da matéria;
• Descoberta da estrutura atômica;
• Visão moderna da estrutura atômica;
3
Sobre o estudo dirigido zero (ED-0):
• Disponível no google drive;
• Entregar um por grupo;
• Consultar o capítulo de fundamentos do Princípios de Química;
• Entregar a resolução dos exercícios no dia 28/03.
4
Google drive:
gqinorg3@gmail.com
Senha:gqi00042
Bibliografia para esta aula:
Capítulo 1 Capítulo 2
Como você vê o átomo?
•Atividade: desenhe a sua versão de átomo
considerando todos os conhecimentos adquiridos
até o momento.
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Revisando os modelos atômicos : a linha do tempo
http://thehistoryoftheatom.weebly.com/index.html
7
Revisando os modelos atomicos: modelo de John Dalton
Modelo da bola de bilhar (1808)
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Revisando os modelos atomicos: modelo de J.J. Thomson
Foi determinada 
experimentalmente 
a razão e/me :
Uso das leis de
magnetismo e
eletricidade
disponíveis na
época.
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Experimento com raios catódicos
Revisando os modelos atomicos: modelo de J.J. Thomson
Modelo da bola do pudim de passas
- Os raios catódicos produzidos se
comportavam de maneira idêntica,
independentemente do material
utilizado.
10
- Fluxo de cargas negativas estava presente
em todos os materiais utilizados.
- A subpartícula desconhecida estava
presente em todos os elementos.
Revisando os modelos atomicos: modelo de J.J. Thomson
Modelo da bola do pudim de passas - Descoberta das subpartículas atômicas;
- Experimento dos raios catódicos
11
- Provou a existência dos elétrons!
e/me = 1,76 x 108 C/g
Revisando os modelos atomicos: experimento de Millikan
Foi determinada experimentalmente a carga do elétron e, 
consequentemente, a massa do elétron 12
G
E
Revisando os modelos atomicos: experimento de Millikan
Millikan percebeu que a carga em qualquer gota era sempre um 
múltiplo inteiro de 1,602 x 10-19 C
13
G
E
Carga do 
elétron (e)
Revisando os modelos atomicos: experimentos de radiotividade
• Estudos com compostos de urânio (1896);
• Emissão de radiação de alta energia;
• Urânio era o responsável pela radioatividade
Henri Becquerel Marie Curie Pierre Curie
• Observação experimental de outras partículas
componentes do átomo! 14
Revisando os modelos atômicos: experimento de Rutherford
Descoberta dos raios α, β, e γ
15
Revisando os modelos atômicos: experimento de Rutherford
Experimento da folha de ouro
16
Revisando os modelos atômicos: experimento de Rutherford
Experimento da folha de ouro
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Revisando os modelos atômicos: experimento de Rutherford
Experimento da folha de ouro
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Cada átomo tem um número igual de elétrons e 
de protons à eletricamente neutros
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Radiação eletromagnética
• Como os Z elétrons se arranjam em volta do núcleo?
• Observação indireta da estrutura interna dos átomos por meio de 
propriedades da luz que eles emitem quando estimulados ou por
descarga elétrica.
Espectroscopia
Análise da luz emitida ou absorvida por uma substância
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Radiação eletromagnética
A natureza ondulatória da luz
A luz é uma forma de radiação eletromagnética, formada de campos elétricos e 
magnéticos oscilantes (variam com o tempo) e atravessam o vácuo a 3,0 x 108 m.s-1 (ou
1.080 milhão de quilômetros por hora)
21
Radiação eletromagnética
A natureza ondulatória da luz
22
Radiação eletromagnética
A natureza ondulatória da luz
Comprimentos de onda diferentes correspondem a regiões diferentes do espectro 
eletromagnético
Comprimento de onda x frequência = velocidade da luz
λν=c
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Radiação eletromagnética
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25
Radiação eletromagnética
Radiação eletromagnética
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Dica de estudo: reveja os prefixos adotados no SI
Início da teoria quântica
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• No fim do século XIX os cientistas já reuniam várias informações sobre a
radiação eletromagnética e que não eram explicadas pela mecânica clássica;
• Além disso, as linhas do espectro do hidrogênio ainda permanecia sem
explicação;
• Informações muito importantes foram obtidas a partir de 1900, principalmente
com o estudo de objetos aquecidos;
Fenômeno da incandescência: em altas
temperaturas um objeto aquecido
brilha com muita intensidade.
Início da teoria quântica
28
Quando a temperatura sobe mais, ele o objeto brilha com mais
intensidade e a cor da luz emitida passa sucessivamente do vermelho
ao laranja e ao amarelo, até chegar ao branco à informações
qualitativas
Quantitativamente temos:
Objeto quente é conhecido
como um corpo-negro à
não tem preferência em
absorver ou emitir um λ
especial.
• Quando a temperatura aumenta, a
intensidade do máximo da
radiação emitida ocorre em
comprimentos de onda cada vez
mais curtos.
• Em 1879 Josef Stefan propôs a
seguinte eq.:
• Intensidade total = constante x T4
Catástrofe do ultravioleta
Início da teoria quântica
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Física clássica previa que o aumento progressivo
da temperatura causaria a emissão de radiação
UV intensa, além de raios X e raios γ!
Catástrofe do ultravioleta
Causaria a devastação de toda a vizinhança do 
objeto!
Solução apresentada em 1900 por Max Planck
Quantização da energia
Início da teoria quântica
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Quantização da energia
• Max Planck propôs que a troca de energia entre a matéria e a
radiação ocorre em quanta, ou em pacotes de energia.
• Os átomos oscilando no corpo-negro em uma frequência ν só
poderiam trocar energia com sua vizinhança, gerando ou absorvendo
radiação eletromagnética, em pacotes discretos de energia:
• E = energia (J)
• h = constante de Planck (J.s)
• Ν = frequência (s-1)
• Pergunta: Como essa
equação soluciona o 
problema do corpo-negro 
(catástrofe do UV)?
Início da teoria quântica
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Quantização da energia
• No modelo de Planck as vibrações são quantizadas, ou seja, somente
determinadas vibrações, com frequências específicas, são permitidas!
• Uma radiação de frequência ν só pode ser gerada se um oscilador tiver a
energia mínima suficiente para começar a oscilar.
• Planck precisou descartar a física clássica que não restringia a quantidade
de energia que pode ser transferida de um objeto para outro.
• A transferência de energia só poderia ocorrer em pacotes discretos.
• Apesar do grande avanço, eram necessárias mais evidências experimentais
para confirmar as hipóteses estabelecidas por Planck…
Início da teoria quântica
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Efeito fotoelétrico
• Anos depois Albert Einstein incorporou as observações feitas por Max
Planck em seus estudos sobre o efeito fotoelétrico.
• O efeito fotoelétrico ocorre quando a luz atinge a superfície de um metal, e elétrons
são ejetados.
Início da teoria quântica
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Efeito fotoelétrico
• As observações experimentais do efeito fotoelétrico foram:
• Nenhum elétron é ejetado até que a radiação tenha
frequência acima de um determinado valor, característico do
metal;
• Os elétrons são ejetados imediatamente, por menor que seja
a intensidade da radiação;
• A energia cinética dos elétrons ejetados aumenta
linearmente com a frequência da radiação incidente.
Início da teoria quântica
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Efeito fotoelétrico
• Propostas de Einstein para explicação do efeito fotoelétrico:
• A radiação eletromagnética é feita de partículas, chamadas
fótons;
• Cada fóton é um pacote de energia que é relacionada com a
frequência da radiação (E=hν);
• A intensidade da radiação é uma indicação do número dos
fótons presentes e que E=hν é uma medidada energia de
cada fóton.
Início da teoria quântica
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Efeito fotoelétrico
Espectros atômicos
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• A informação experimental final que resultou na visão moderna
da estrutura atômica é a observação da luz emitida por átomos
depois da absorção de energia.
Espectros atômicos
37http://www.if.ufrgs.br/fis02001/aulas/aula_espec.htm
Espectros de diferentes fontes: Leis de Kirchhoff:
•Um corpo opaco quente (sólido ou fluido muito denso) produz um espectro contínuo, isto é,
tem todos os comprimentos de onda.
•Um gás quente transparente (de baixa densidade) produz um espectro de linhas
brilhantes (linhas de emissão). Nesse espectro apenas alguns comprimentos de onda estão
presentes.
•Um gás transparente frio em frente ao corpo opaco quente produz um espectro de linhas
escuras (linhas de absorção), por remover alguns comprimentos de onda do contínuo.
Espectros atômicos
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• Considerando o átomo mais
simples, o átomo de hidrogênio:
• Quando uma corrente elétrica
passa por uma amostra de
hidrogênio em baixa pressão,
ocorre emissão de luz;
• A corrente quebra as moléculas
de H2 e excita os átomos de
hidrogênio para energia mais
altas;
• Os átomos excitados liberam
rapidamente o excesso de
energia através da emissão de
radiação eletromagnética.
Espectros atômicos
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• Para refletir:
• A luz branca é a junção de linhas espectrais?
• Qual a diferença de um espectro de emissão e um espectro de
absorção?
• Porque os átomos possuem o espectros de emissão?
• Os espectros de emissão são iguais para todos elementos?
Espectro atômico
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• A observação de linhas espectrais discretas sugere que um elétron em um átomo só
pode ter certas energias.
O modelo atômico de Bohr
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• Niels Bohr forneceu a primeira conexão entre os espectros
dos átomos excitados e as ideias quânticas de Planck e
Einstein.
• A partir do trabalho feito por Rutherford anos antes sabia-se
que os elétrons estavam arranjados no espaço exterior ao
núcleo do átomo.
• Teoria de Bohr: o elétron move-se em uma órbita circular ao
redor do núcleo.
Isso contradizia as leis da física clássica.
Porque?
O modelo atômico de Bohr
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• Postulado da quantização: um elétron
orbitando o núcleo poderia ocupar
somente determinadas órbitas ou níveis
de energia, nos quais ele é estável.
Energia potencial do e- no enésimo nível:
En=-Rhc/n2
R = constante de Rydberg
h= constante de Planck
c= velocidade da luz
n = número quântico principal (nível)
O modelo atômico de Bohr
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• A energia potencial do elétron tem um valor negativo à
resultado da Lei de Coulomb à atração entre corpos de cargas
opostas;
• O raio das órbitas circulares aumenta com o aumento de n:
• Um elétron na órbita n=1 é o mais próximo do núcleo e tem a
energia mais baixa (mais negativa, mais atraído pelo núcleo)
à estado fundamental.
Energia potencial do e- no enésimo nível:
En=-Rhc/n2
O modelo atômico de Bohr
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Energia potencial do e-
no enésimo nível:
En=-Rhc/n2
Estado fundamental
Estados excitados
• Um elétron em um átomo permanece
em seu nivel mais baixo de energia a 
menos que seja perturbado. 
• A energia é absorvida ou liberada se o 
elétron mudar de um nível de energia
para o outro.
Explicação dos espectros de gases excitados.
O modelo atômico de Bohr
45
O modelo atômico de Bohr
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Exercícios
O modelo atômico de Bohr
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Para refletir: como correlacionar a energia de ionização com a 
teoria de Bohr?
Conceitos importantes abordados nesta aula:
• Evolução do modelo atômico (de Rutherford até Bohr);
• Radiação eletromagnética;
• A quantização da energia;
• Experimentos que levaram à quantização da energia;
• Espectros atômicos.
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Na próxima aula:
• Aula experimental: Ensaio de chama e espectros de emissão.
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