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Estrutura da Matéria Prof. Fanny Nascimento Costa (fanny.costa@ufabc.edu.br) Aula 07 • Revisão da última aula • Orbitais • Números quânticos • O átomo de hidrogênio • Todas as ondas têm um comprimento de onda característico, λ, e uma amplitude, A • A frequência, ν, 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 Natureza ondulatória da luz • A teoria atômica moderna surgiu a partir de estudos sobre a interação da radiação com a matéria • A radiação eletromagnética se movimenta através do vácuo com uma velocidade de 3,00 × 108 m/s • As ondas eletromagnéticas têm características ondulatórias semelhantes às ondas que se movem na água • Por exemplo: a radiação visível tem comprimentos de onda entre 400 nm (violeta) e 750 nm (vermelho). Natureza ondulatória da luz • Planck: a energia só pode ser liberada (ou absorvida) por átomos em certos pedaços de tamanhos mínimos, chamados quantum • A relação entre a energia e a frequência é E = hv onde h é a constante de Planck (6,626 × 10-34 J s) • Para entender a quantização, considere a subida em uma rampa versus a subida em uma escada: • Para a rampa, há uma alteração constante na altura, enquanto na escada há uma alteração gradual e quantizada na altura Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e fótons • O efeito fotoelétrico fornece evidências para a natureza de partícula da luz - “quantização” • Se a luz brilha na superfície de um metal, há um ponto no qual os elétrons são expelidos dele • Os elétrons somente serão expelidos se a frequência mínima é alcançada • Abaixo da frequência mínima, nenhum elétron é expelido • Acima da frequência mínima, o número de elétrons expelidos depende da intensidade da luz Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e os fótons • Einstein supôs que a luz trafega em pacotes de energia denominados fótons • A energia de um fóton: hE Energia quantizada e fótons 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 de Bohr O modelo de Bohr • Já que os estados de energia são quantizados, a luz emitida por átomos excitados deve ser quantizada e aparecer como espectro de linhas • Após muita matemática, Bohr mostrou que onde n é o número quântico principal (por exemplo, n = 1, 2, 3, … e nada mais) 2 18 1 J 1018.2 n E Espectro de linhas e o modelo de Bohr A primeira órbita no modelo de Bohr tem n = 1, é a mais próxima do núcleo e convencionou- se que ela tem energia negativa A órbita mais distante no modelo de Bohr tem n próximo ao infinito e corresponde à energia zero Os elétrons no modelo de Bohr podem se mover apenas entre órbitas através da absorção e da emissão de energia em quantum (hν) Espectro de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr O modelo de Bohr • Podemos mostrar que: • Quando ni > nf, a energia é emitida • Quando nf > ni, a energia é absorvida 22 18 11J 1018.2 if nn hc hE Espectro de linhas e o modelo de Bohr 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 Espectro de linhas e o modelo de Bohr Comportamento ondulatório da matéria Após o desenvolvimento de Bohr para o átomo de hidrogênio, a natureza dual da energia radiante tornou-se um conceito familiar Louis De Broglie (1892-1987) Se a energia radiante pudesse se comportar, sob condições apropriadas, como um feixe de partículas, a matéria, sob condições apropriadas, poderia possivelmente se comportar como uma onda? Para De Broglie Elétron se comportava como uma onda estacionária + - Comportamento ondulatório da matéria + - • Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória • Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie mostrou: • O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquanto o comprimento de onda, λ, é uma propriedade ondulatória • de Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas, com efeitos notáveis se os objetos são pequenos h h mv p Comprimento de onda de de Broglie ondas estacionárias preenchendo órbitas circulares comprimento da circunferência deve ser um número inteiro n de comprimentos de onda e E hc p E h c h h p mv comprimento de onda de de Broglie De Broglie postulou que, em virtude dos fótons terem características ondulatórias e corpusculares, talvez todas as formas de matéria tivessem propriedades ondulatórias e também corpusculares E h Onda estacionária Não se propagam ao longo da corda 2 l 2 2l 2 3 l 2 7 l Louis De Broglie (1892-1987) Argumenta que, se o elétron realmente se comporta como uma onda estacionária, no átomo de hidrogênio, o comprimento de onda deve se ajustar exatamente à circunferência da órbita. Caso contrário, a própria onda se cancelaria parcialmente em cada órbita sucessiva (no final, a amplitude da onda seria reduzida a zero e a onda deixaria de existir) + - nr 2 r n, número inteiro (1,2,3,…) Comportamento ondulatório da matéria + - r mv h velocidade da partícula massa da partícula p h ou Comportamento ondulatório da matéria Louis De Broglie (1892-1987) Argumenta que, se o elétron realmente se comporta como uma onda estacionária, no átomo de hidrogênio, o comprimento de onda deve se ajustar exatamente à circunferência da órbita. Caso contrário, a própria onda se cancelaria parcialmente em cada órbita sucessiva (no final, a amplitude da onda seria reduzida a zero e a onda deixaria de existir) Estudo do comportamento e das leis do movimento para partículas microscópicas ANTECEDENTES: • Teoria da quantização da energia (Max Planck): E = h. • Dualidade onda-partícula (L.de Broglie): = h / p = h / mv • Princípio de incerteza (Heisenberg): • Energia de Bohr: .4 h Δx.Δp Mecânica Quântica 2 2 2 0 0 2 18 0 0 1,2,3, 42 1 hartree = 1 unidade atômica de energia = 4,3598 10 4 n Z e E n an e J a Mecânica Quântica A descoberta das propriedades ondulatórias da matéria levantou algumas questões novas e interessantes sobre a física clássica Considerando uma bola descendo uma rampa. Usando a física clássica, podemos calcular sua posição, direção do movimento e velocidade a qualquer momento, com grande exatidão Podemos fazer o mesmo para o elétron??? A descobertadas propriedades ondulatórias da matéria levantou algumas questões novas e interessantes sobre a física clássica Considerando uma bola descendo uma rampa. Usando a física clássica, podemos calcular sua posição, direção do movimento e velocidade a qualquer momento, com grande exatidão Podemos fazer o mesmo para o elétron??? Não se pode definir a localização precisa de uma onda porque ela se estende no espaço Mecânica Quântica Princípio de Incerteza de Heisenberg Quando experimentos são realizados, o experimentador sempre se depara com incertezas experimentais nas medidas A Mecânica Clássica permite que sejam realizados experimentos com incertezas experimentais arbitrárias muito pequenas. Por outro lado, a Mecânica Quântica prediz que a barreira para medidas com incertezas desprezíveis não existe Em 1927, Heisenberg introduziu o Princípio da Incerteza: Se uma medida da posição de uma partícula for realizada com precisão Δx e uma medida simultânea do momento linear é feita com precisão Δp, então o produto das duas incertezas não pode nunca ser menor que h/4 Matematicamente… 2 2 2 pz py px Quanto maior a vida média de um estado de energia, menor é a largura de seu estado 2 tE É fisicamente impossível medir simultaneamente a posição exata e o momento linear exato de uma partícula Princípio da Complementaridade As naturezas ondulatória e corpuscular do elétron não podem ser simultaneamente determinadas Considerações / Mecânica Quântica Como a Mecânica Quântica não é determinista a função de onda do sistema não pode especificar com exatidão a posição e o momento do sistema (princípio da incerteza) Max Born, com uma interpretação estatística para a função de onda introduziu o quadrado da função de onda, e chamou de densidade de probabilidade |Ψ|2 Erwin Schrödinger (1887-1961) Uma função de onda (Ψ) descreve a densidade de probabilidade (Ψ2) de uma partícula no espaço Mecânica quântica Para descrever um estado estacionário é necessário conhecer sua função de onda espacial ψ(x,y,z) e sua energia E O quadrado do módulo da função de onda [ψ(x,y,z,t)]2dV de uma partícula se deslocando em três dimensões representa a probabilidade de encontrar a partícula num tempo t dentro de um volume dV em torno do ponto (x,y,z) considerado [ψ(x,y,z,t)]2 é normalmente chamada de função de distribuição (ou densidade) de probabilidade, pois descreve como a probabilidade de encontrar a partícula em diferentes locais está distribuída Exemplo:A probabilidade de encontrar uma partícula na direção x, entre as posições x e x+dx é dada por:|Ψ|2dx. • Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula • A resolução da equação leva às funções de onda • A função de onda fornece o contorno do orbital eletrônico • O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo Mecânica quântica Postulados da Mecânica Quântica Erwin Schrödinger, em 1927, propõe uma equação diferencial, conhecida atualmente como equação de onda de Schrödinger, que incorpora tanto o comportamento ondulatório como o de partícula do elétron, e que permite, em princípio, encontrar a função de onda de qualquer estado físico • A energia do átomo está quantizada. Só alguns estados energéticos são permitidos (descritos por números quânticos) • Mudança entre estados: E = h. • Aproximação estatística à posição do e-: Orbital • Descrição de estado e movimento do e- mediante uma função de onda: n,l,m = (x,y,z) A mecânica quântica possui caráter estatístico equação fundamental da quântica operador Hamiltoniano autovalores i i i i H E H E 2 2 2 2 2 2 2 8. . .( ). 0 (1 dimensão) 8 m E V h h d V E m dx Leva em consideração o comportamento corpuscular, em termos de massa (m) e o comportamento ondulatório, em termo da função de onda () Não tem significado físico 2 Densidade de probabilidade de encontrar um elétron, chamada de densidade de probabilidade Equação de Schrödinger 2 2 2 2 2 2 2 8. . .( ). 0 (1 dimensão) 8 m E V h h d V E m dx Equação de Schrödinger 2 2 2 2 2 2 2 Operador Laplaciano f f f f x y z Resolver a equação de Schrödinger é encontrar os autovalores e autofunções do operador hamiltoniano do sistema (exemplo: H = T + V = energia cinética + energia potencial) Os autovalores de um dado operador representam as grandezas físicas observáveis permitidas Operador é uma regra matemática que transforma uma função numa outra função Equação de Schrödinger 2 , 2 p E V x t m Podemos reescrever a equação de Schrödinger de uma forma um pouco diferente: Note que, como esta equação deve ser válida para qualquer solução ψ(x,t), ela é equivalente à operação entre operadores diferenciais: Podemos comparar esta relação com a relação clássica: 2 2 2 , , , 2 i x t V x t x t t m x 2 2 2 , 2 i V x t t m x Operadores quânticos para momento e energia , p i E i x t A Equação de Schrödinger descreve a evolução de um estado quântico. A partir da Equação de Schrödinger não é possível determinar a trajetória do elétron em torno do núcleo, mas, a uma dada energia do sistema, obtém-se a região mais provável de encontrá-lo. Equação de Schrödinger Erwin Schrödinger desenvolveu um formalismo que se propunha a descrever a característica ondulatória da matéria, ele procurou estabelecer uma equação diferencial que expressasse o comportamento das ondas de matéria; e que se sabe que na Mecânica Quântica partículas podem ter aspectos ondulatórios e ondas podem ter aspectos corpusculares. Modelo quântico Schrödinger estudou o movimento do elétron ao redor do núcleo por meio de equações matemáticas (funções de onda) Números quânticos Da resolução da equação de Schrödinger para o elétron num átomo, obtemos os chamados números quânticos A partir das soluções que satisfazem as condições de contorno das funções de onda obtém-se os níveis de energias permitidos En A caracterização de cada elétron no átomo é feita por meio de 4 números quânticos: principal, azimutal, magnético e magnético de spin No mesmo átomo, não existem 2 elétrons com os mesmos 4 números quânticos A solução da equação de Schrödinger para o átomo de hidrogênio produz um conjunto de funções de onda e energias correspondentes Essas funções de onda são chamadas orbitais O modelo da mecânica quântica não se refere a órbitas porque o movimento do elétron em um átomo não pode ser medido ou localizado com precisão (princípio da incerteza de Heisenberg) Órbita ou camada (modelo de Bohr) Orbital (modelo da mecânica quântica) = Órbita ou camada (modelo de Bohr) Introduz um único número quântico (n) Orbitais e números quânticos O modelo da mecânica quântica usa 4 números quânticos, n, l, ml, ms, para descrever um orbital Número quântico principal (n): valores positivos e inteiros. À medida que n aumenta, o orbital torna-se maior, e o elétron passa mais tempo distante do núcleo Número quântico azimutal (l): pode tervalores inteiros de 0 a n-1 para cada valor de n. Esse número quântico define o formato do orbital Valores de l: 0 (s) 1 (p) 2 (d) 3 (f) Número quântico magnético (ml): pode ter valores inteiros entre l e –l, inclusive zero. Esse número quântico descreve a orientação do orbital no espaço Número quântico magnético de spin (ms): os elétrons se comportam como um imã em função da sua rotação no sentido horário ou anti- horário Orbitais e números quânticos Número quântico principal (n): indica o nível de energia do elétron n = 1, 2, 3, ... À medida que n aumenta, o orbital torna-se maior, e o elétron passa mais tempo distante do núcleo Número quântico principal (n) Número quântico azimutal (l): está relacionado com o subnível de energia do elétron. Esse número quântico define o formato do orbital As soluções que satisfazem as condições de contorno na equação de Schrödinger também apresentam valores quantizados para o momento angular orbital Número quântico azimutal ou orbital (l) 1 (módulo do momento angular orbital) ( 0,1,2,3, , 1) L l l l n Subnível s p d f No quântico azimutal (l) 0 1 2 3 Número quântico magnético (ml): indica a orientação do orbital no espaço O momento magnético é determinado pelo valor de ml que aparece devido aos componentes do vetor momento angular orbital do elétron O número quântico magnético assume valores inteiros entre -l e +l Existem 2l + 1 valores de ml Número quântico magnético (m ou ml) (componente z do momento angular orbital) ( 0, 1, 2, , ) . : 1 -1,0, 1 z l l l l L m m l m l Ex l m Número quântico magnético de spin (ms): Os elétrons se comportam como um imã em função da sua rotação no sentido horário ou anti- horário Para descrever completamente um estado eletrônico é necessário introduzir mais dois números quânticos relativos ao spin eletrônico Estes números são s e ms Número quântico magnético de spin (ms) ss m 1 1ou 2 2 sm Spin do elétron Orbitais e números quânticos Números quânticos para os elétron no átomo Nome Símbolo Valores Especifica Indica Principal n 1, 2, . . . Camada Tamanho Azimutal ou Orbital l 0, 1, . . ., n-1 Subcamada l= 0, 1, 2, 3, 4, . . . s, p, d, f, g, . . . Forma Magnético ml l, l-1, . . ., -l Orbitais da subcamada Orientação Magnético de spin ms + 1 2 , − 1 2 Estado do spin Direção do spin Orbitais e números quânticos Densidade de probabilidade de se encontrar o elétron Orbitais e números quânticos Orbitais e números quânticos Arranjos n l m Função Orbital 1 0 0 1,0,0 1s 2 0 0 2,0,0 2s 1 -1 0 +1 2,1,-1 2,1,0 2,1,1 2p (2px, 2py, 2pz) 3 0 0 3,0,0 3s 1 -1 0 +1 3,1,-1 3,1,0 3,1,1 3p (3px, 3py, 3pz) 2 -2 -1 0 +1 +2 3,2,-2 3,2,-1 3,2,0 3,2,1 3,2,2 3d (3d, 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3d) Soluções para o átomo de hidrogênio , , ( ) ( , ) ( ) parte radial; ( , ) parte angular n l m R r Y R r Y Orbitais atômicos para o hidrogênio Átomo de H no estado fundamental Quantos conjuntos de números quânticos são possíveis para o átomo de hidrogênio no seu estado fundamental? Função de onda = ψ1,0,0 n = 1 , logo l = 0 , ml = 0, ms = +1/2 ou -1/2 Resposta: O átomo de hidrogênio no estado fundamental tem 2 conjuntos de números quânticos de mesma energia (dizemos que este o nível fundamental do átomo de hidrogênio é duplamente degenerado) 0 0 3 2 1,0,0 (1 ) 0 2 22 (1 ) 0 1 1 Zr a s Zr a s Z e a Z e a • 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 • Um nó é uma região no espaço onde a probabilidade de se encontrar um elétron é zero • Em um nó, ψ2 = 0 • Para um orbital s, o número de nós é n - 1 Representações dos orbitais Orbitais s Representações dos orbitais Orbitais s Representações dos orbitais Representações dos orbitais Orbitais s • 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 • As letras correspondem aos valores permitidos de 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 Representações dos orbitais Orbitais p Orbitais p Representações dos orbitais Orbitais p Representações dos orbitais • Existem cinco orbitais d e sete orbitais f • Três dos orbitais d encontram-se em um plano bissecante aos eixos x, y e z • Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x, y e z • Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada • Um orbital d tem dois lóbulos e um anel Representações dos orbitais Orbitais d e f Orbitais d Orbitais e números quânticos Orbitais f Orbitais e números quânticos Orbitais no nível 4 Exercícios (fortemente) Recomendados 1. Explique o conceito de orbital atômico e faça um esboço representando os orbitais s e p. 2. Identifique os valores do número quântico principal e do número quântico angular para os seguintes subníveis: (a) 2p; (b) 5f; (c) 3s; (d) 4d. 3. Quantos orbitais há no nível n = 5 ? 4. O raio de uma órbita de Bohr é descrita pela equação 𝑟 = 𝑛2 𝑍 𝑎0. Calcule os raios das órbitas dos elétrons com 𝑛 = 1, 2 𝑒 3 no átomo de hidrogênio. Compare estes resultados com as distâncias de máxima probabilidade de densidade radial destes orbitais, mostrados na figura ao lado. No caso do elétron 1s, o máximo ocorre exatamente num raio equivalente ao raio de Bohr. 5. Um sistema quântico pode existir em uma combinação de múltiplos estados, cada um com características físicas bem definidas (simultaneamente), a chamada superposição de estados. Para ressaltar o que significaria a superposição de estados para objetos macroscópicos e o absurdo a que isso mal interpretado levaria, Schrödinger em 1935 formulou o seu famoso paradoxo. O paradoxo do gato de Schrödinger. Pesquise, descreva e explique quais as consequências desse paradoxo. RESPOSTAS: 2. 25 3. a) n = 2; l = 1 b) n = 5; l = 3 c) n = 3; l = 0 b) n = 4; l = 2 4. 0,529 . 10-10 m, 2,12 . 10-10 m, 2,76 . 10-10 m. Exercícios (fortemente) Recomendados Leituras Sugeridas 1. Mahan & Myers, Química um curso universitário, p. 279-290. O Princípio da Incerteza; A formulação da mecânica quântica; A equação de Schröndinger; A partícula na caixa; O átomo de Hidrogênio. 2. James Brady & Gerard Humiston, 2ª ed., p. 87-95 e p. 102-104. Mecânica ondulatória; O spin do elétron e o princípio de exclusão de Pauli; A distribuição espacial dos elétrons Bibliografia - Young e Freedman, Física IV : Ótica e Física Moderna, Editora Pearson Education do Brasil, São Paulo, 2009. - Brown, T., Química a Ciência Central, Pearson Education, 9ª Edição, 2005. - Atkins P., Jones L., Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o MeioAmbiente, 3a. Ed., 2006, Bookman. - Eisberg, R., Resnick, R., Física Quântica, Editora Campus, 1ª Edição, 1979. - Halliday, D., Resnick, R., Walker, J., Fundamentos de Física IV, LTC Livros Técnicos e Científicos, 8ª. ed., 2009. -Tipler, P.A., Física Moderna, Guanabara Dois, 1981. - Nussenzveig, M. H., Curso de Física Básica 4, Edgard Blücher, 4ª ed., 1998.
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