Teoria Atomica

Prévia do material em texto

Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE 
INSTITUTO DE QUÍMICA
TEORIA ATÔMICA
2
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
�400 a.C. – Demócrito: Toda a matéria é formada por
átomos.
�1803 d.C. – Dalton: Esfera maciça e indivisível.
A Evolução do Modelo Atômico
�Estabelece as relações de massa observadas nas 
reações químicas;
�Não explica ou não justifica por que as substâncias 
reagem 
da forma como nós observamos.
Átomo = “o que não pode ser cortado” 
3
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Natureza Elétrica da Matéria 
�Willian Nicholson e Anthony Carliste 
(1800) – eletrólise da água
2H2O 2H2(g) + O2(g)
I
�Eletrólise é a quebra ou separação de uma 
substância por meio de uma corrente 
elétrica:
4
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
�Michael Faraday (1834) – Lei de Faraday da eletrólise 
�A quantidade do produto formado ou do reagente 
consumido por uma corrente elétrica é equivalente 
estequiometricamente com a quantidade de elétrons 
fornecidos.
F
tI
F
Q
n
*
==
�n = no de mols de elétrons
�Q = Quantidade de eletricidade (C=Coulomb)
�F = Constante de Faraday (9,64853 x104 C.mol-1)
�I = medida de corrente (A=Amper)
�t = tempo (s = segundo)
�G.J. Stoney (1874) 
�A Propôs que a matéria possui uma natureza elétrica.
5
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Tubos de Descarga de Gás 
�Willian Crookes (1850) 
�Com a redução da pressão, o gás residual começa a 
emitir uma incandescência. O ZnS voltado para o catodo 
também fosforesce.
•Em condições de baixa pressão, alguma coisa deixa o 
cátodo e viaja para o ânodo;
•Inicialmente pensou-se tratar-se de um raio: o Raio 
Catódico. 
6
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� Raios Catódicos normalmente caminham em linha reta;
� Delineiam sombras;
� Podem girar um moinho colocado em seu caminho;
� Aquecem uma folha metálica colocada entre os eletrodos;
� Reagem sob ação de campos Elétricos e Magnéticos (carga -);
� Apresentam sempre mesma massa e carga;
� Independe da natureza dos eletrodos ou do gás;
7
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
�J.J. Thomson (1897) 
�Apresentou descobertas quantitativas sobre os elétrons. Mediu 
através de um tubo de raios catódicos a razão e/m de um elétron.
�Thomson usou os valores da carga e do campo magnético aplicado 
para estabelecer a razão e/m. 
8
1, 76 10e m C g− ×=
8
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
19
1, 6 10 Ce −− ×=
28
9,1 10 gm −×=
�R.A. Millikan (1908) 
9
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� O Átomo de Thomson (1898) 
�J.J. Thomson sugeriu que um átomo poderia ser uma esfera 
carregada positivamente na qual alguns elétrons estão incrustados, 
e apontou que isto levaria a uma fácil remoção de elétrons dos 
átomos. 
Modelo de “pudim de ameixas”
10
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Partículas Positivas
� E. Goldstein (1886)
�Baseado na neutralidade, os átomos também apresentam partículas 
carregadas positivamente. 
�O fluxo incandescente observado após o catodo foi chamado de raio 
canal.
�Estes raios não eram semelhantes e apresentavam razão carga/massa 
como múltiplos de +1,6x 10-19 C.
11
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Espectrômetro de Massa
�Em um fluxo de elétrons sob alta voltagem, os elétrons colidem com as 
moléculas do gás no tubo e deixam as moléculas carregadas 
positivamente.
�Estes íons são acelerados e defletidos diferentemente em função do 
campo magnético.
�A razão carga/massa vai ser definida para cada íon.
12
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
�A razão carga/massa dos íons positivos é menor que dos elétrons. Isto 
quer dizer que estes íons tem carga muito pequena ou massa muito
maior que nos elétrons. 
�O íon hidrogênio, H+, ou também chamado de próton, apresenta a 
razão carga/massa = 9,63 x104 C.g-1. Isto implica que o próton é 1836 
vezes mais pesado que o elétron.
�Número de prótons no átomo define seu número atômico.
13
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Descoberta do Raio-X e da Radiação
�Em um fluxo de elétrons sob alta voltagem, dentro de um tubo de raios 
catódicos existe a formação de uma radiação desconhecida que era
capaz de revelar uma chapa fotográfica protegida.
�W. Röntgen (1895)
14
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� A.H. Becquerel (1896)
�Observou que alguns elementos químicos não eram estáveis e emitiam 
uma radiação que era capaz de revelar uma chapa fotográfica.
K2UO2(SO4).H2O
(Sulfato de Uranil potássio monohidratado )
�Marie S. Curie (1898)
�Isolou dois novos elementos químicos: Polônio (Po) 
e Rádio (Ra) que emitiam a mesma radiação descrita 
acima. Ela sugeriu que estas substâncias que 
emitiam esses raios se desintegravam. Este 
fenômeno foi definido por ela como Radioatividade. 
αααα
γγγγ
ββββ
15
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
O Átomo Nuclear
� Ernest Rutherford (1911)
�Pelo átomo de Thomson (as passas no pudim), o desvio das partículas 
αααα deveria ser pequeno. 
16
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
�Rutherford sugeriu um modelo atômico no qual existia uma densa carga 
positiva na região central, circundada por uma região vazia. Os elétrons 
estão dispersos no espaço em torno do núcleo.
� Diâmetro do núcleo ≈ 10-14
� Diâmetro do elétron ≈ 10-9
17
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Os Nêutrons
� J. Chadwick (1932)
�Bombardeou o Berílio (Be) com partículas αααα e verificou que eram 
emitidas partículas não carregadas de alta energia. Estas partículas 
foram chamadas de nêutrons.
 Massa Carga 
 Partículas Grama U.M.A. Coulombs Elétrica 
 Próton 1,673 x10-24 1,007276 +1,602 x10-19 +1 
 Neutron 1,675 x10-24 1,008665 0 0 
 Elétron 9,109 x10-31 0,0005486 -1,602 x10-19 -1 
 
A
Z X
A
Z XOU
A = Número de massa (prótons + nêutrons)
Z = Número atômico (prótons)
18
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Os Isótopos
�São diferentes espécies de átomos do mesmo elemento.
�O número atômico (Z) serve para distinguir o átomo de elementos 
diferentes, já que o número de prótons é igual ao número de elétrons.
�Qualquer diferença de massa entre os átomos do mesmo elemento 
deve originar-se da diferença de nêutrons e deve ser identificado pelo 
espectro de massa.
A = Número de massa (prótons + nêutrons)
19
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Radiação Eletromagnética e 
Espectro Atômico
�Estrutura eletrônica: como os elétrons são organizados nos átomos.
�Luz: Radiação eletromagnética (velocidade de 3,00x108 m/s).
�Radiação Eletromagnética: é uma onda composta por um campo 
elétrico e magnético.
νλ *=c
νννν=frequencia (Hertz, Hz, s-1)
20
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Decomposição da Luz Visível
O Espectro Contínuo
21
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
O Espectro Atômico
Espectro de Linhas do Hidrogênio
Espectros de linha
H2
Hg
Ne
�A física clássica não explicava as transições em regiões discretas do 
espectro. 
22
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Séries Espectrais
H 2 2
1 2
1 1 1
=R -
λ n n
 
 
 
� J.J. Balmer (1885)
�Determinou uma relação experimental para o espectro de linhas do
hidrogênio, baseado no comprimento de onda e uma constante chamada 
de Rydberg (R = 109678 cm-1).
Para a serie de Balmer n1 = 2 e n2 = 3,4,5,6...
Sempre n2 > n1
23
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Séries Espectrais
24
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Radiação de um Corpo Negro
�Pela idéia desenvolvida para o átomo de Rutherford, os 
elétrons em movimento circular em torno do núcleo 
implicava numa aceleração do elétron ao redor do núcleo. 
Isto poderia ocasionar dois fenômenos pelafísica clássica:
�O elétron ser ejetado ou emitir radiação 
eletromagnética e espiralar em direção ao núcleo 
causando o colapso do átomo.
�O aquecimento de um corpo negro gerava a irradiação de 
ondas eletromagnéticas cujo comprimento variava com a 
temperatura.
25
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� J. Stefan (1879)
4
2
*
)(
)(
Tc
mlSuperficiaÁrea
WattsEmitidaPotência
=
�W. Wien (1893)
C = 5,67x10-8W/m2K4
Lei de Stefan-Boltzmann
Lei de Wien
2max *
5
1
* cT =λ
C2 = 1,44x10
-2 K.m 
26
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Lei de WienLei de Stefan-Boltzmann
�Catástrofe do utravioleta: 
A intensidade da radiação aumentava contiuamente.
27
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
A equação de Planck
1. A energia do oscilador é
quantizada:
E = hν
2. A energia é irradiada em
“pulsos” ou quanta
h= 6,626x10-34J.s (Cte Planck)
ν = freqüência do oscilador
�Max Planck (1900)
28
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Efeito Fotoelétrico
Kotz, J.C. e Treichel, P., Chemistry and Chemical Reactivity, 4ed. 
New York: Saunders College Publishing, 1999. 1129p.
� A frequência da radiação deve 
estar acima de um valor 
caracteristico do metal;
� Os eletrons são ejetados 
imediatamente por mais 
baixaque sej aa energia;
� A energia Cinética (Ec) dos 
eletrons ejetados varia 
linearmente com ν radiação 
incidente.
� Albert Einsten (1905)
29
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Ec= E-Eo
(½)mev
2= hv - θ
y=ax+b
Ec= Energia cinética do elétron ejetado
E = Energia da radiação incidente
Eo = Energia necessária para remoção do 
elétron.
30
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
O Átomo de Bohr
Postulados
• Os elétrons ocupam uma posição definida no átomo, chamada nível de 
energia no qual não irradia;
• Quando os elétrons estão localizados nos níveis de energia mais baixos, 
o átomo está no estado fundamental;
• Quando o elétron absorve uma quantidade definida de energia (∆E=hν) é 
promovido para níveis de energia mais altos (estado excitado);
• No estado excitado, os elétrons com excesso de energia decaem para 
níveis de energia mais baixos, emitindo a energia excedente.
2
1
E A
n
= − A= 2,18x10-18J
1 2
1
1
E A
n
= −
2 2
2
1
E A
n
= −
1 2 2 2
1 2
1 1
Foton
hc
E E E A
n nλ
 
= − = − 
 
2 2
1 2
1 1 1A
hc n nλ
 
= − 
 
(A/hc) = 109730 cm-1
� Niels Bohr (1913)
31
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
A Dualidade Partícula-Onda
Difração do elétron
Kotz, J.C. e Treichel, P., 
Chemistry and Chemical 
Reactivity, 4ed. New York: 
Saunders College Publishing, 
1999. 1129p.
Fenômeno de Difração
Brown, T.L., LeMay, H.E. e Bursten, 
B.E., Química – Ciência Central, 
Trad. Horácio Macedo,7ed. Rio de 
Janeiro: LTC, 1999. 702p.
2E mc= h
mv
λ = mvρ =
Efóton= hc/λ
h
λ
ρ
=
Ex: λ de um grão de areia? 
m= 0,000010 g
v= 0,010 m/s
h= 6,63x10-34J.s
� Louis de Broglie (1924)
32
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
�A difração é uma evidencia da dualidade partícula-onda. 
33
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
O Princípio da Incerteza de Heisenberg
2
h
π
=h
ħ= 1,054x10-34J/s
1
2
p x∆ ∆ ≥ h p m v∆ = ∆
2
x
m v
∆ =
∆
h
Ex1: ∆x de uma bola de gude? 
m= 1,0 g
∆v= ± 1,0 mm/s
2
34
2
29
3 3
1
2
1,0 / 1,0 /
1
1,054 10 /
2,6 10
2 1 1
2 1,0 2,0 /
10 10
p x
p m v
v mm s mm s
kg m
J s
s
x m
m v kg m
g mm s
g mm
−
−
∆ ∆ ≥
∆ = ∆
∆ = + −
 ⋅
× × 
 ∆ = = = ×
∆    × × × ×  
  
h
�
h
Ex2: ∆v de um elétron confinado numa caixa 
de ∆x= 200 pm? 
28
2
34
2
5
28
3 12
1
2
9,109 10
2
1
1,054 10 /
2,89 10 /
1 1
2 9,109 10 200
10 10
e
p x
p m v
m g
v
m x
kg m
J s
s
v m s
kg m
g pm
g pm
−
−
−
∆ ∆ ≥
∆ = ∆
= ×
∆ =
∆
 ⋅
× × 
 ∆ = = ×
   
× × × × ×   
   
h
h
34
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
A Função de Onda
2
2
V E
m
− ∇ Ψ + Ψ = Ψ
h
2 2
28
n
n h
E
mL
=
Expressão da Energia
2
2
(2 1)
8
n h
E
mL
+
∆ =
Diferença de Energia entre dois níveis
2
1 28
h
E
mL
=
Energia do Ponto Zero
� Equação de Schrödinger
“Partícula da Caixa”
Atkins, P. e Jones, L., Princípios de Química. 
Questionando a Vida Moderna e o Meio 
Ambiente. Trad. Ignez Caracelli, et. al. Porto 
Alegre: Bookman, 2001. 914p.
35
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Números Quânticos
� Número Quântico Principal (n)
O ...NMLK
5 ...4321n
h ...gfdps
5 ...43210l
� Número Quântico Momento Angular ou Azimutal (l)
Sharp (s)
Principal (p)
Diffuse (d)
Fundamental (f)
l =0 a (n – 1)
� Número Quântico Magnético (ml)
ml = -l a +l
Atkins, P. e Jones, L., Princípios de Química. 
Questionando a Vida Moderna e o Meio 
Ambiente. Trad. Ignez Caracelli, et. al. Porto 
Alegre: Bookman, 2001. 914p.
36
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Diagrama de Níveis de Energia
� Cada orbital é representado por um 
traço;
� A energia da subcamada aumenta
com o valor de n;
� Com o aumento de n, o espaço
entre as subcamadas diminui;
� A partir de n=3 ocorre sobreposição
de camadas;
� Os orbitais de uma mesma
subcamada possuem a mesma
energia nos átomos isolados.
Atkins, P. e Jones, L., Princípios de Química. 
Questionando a Vida Moderna e o Meio 
Ambiente. Trad. Ignez Caracelli, et. al. Porto 
Alegre: Bookman, 2001. 914p.
37
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Orbitais Atômicos
Russel, J.B., Química Geral. Trad. 
Divo L. Sanioto et. al. São Paulo: 
McGraw-Hill do Brasil, 1981. 897p.
Orbital s
Orbitais p
Orbitais d
Shriver, D.F., Atkins, P.W. e 
Langford, C.H., Inorganic
Chemistry. Oxford: Oxford 
University Press, 1994. 819p.
Orbitais f
38
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Orbitais Atômicos
39
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� Função Radial que descreve orbital s
* Perceber a inversão de sinal da função de onda! É por isso que
observamos os planos nodais.
40
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� Função Radial que descreve orbital p
41
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
* Observar que um orbital 
tem participação da função 
de onda dentro de outro 
orbital.
42
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Spin Eletrônico
Kotz, J.C. e Treichel, P., Chemistry and 
Chemical Reactivity, 4ed. New York: 
Saunders College Publishing, 1999. 1129p.
Pólo norte 
do ímã
Pólo sul 
do ímã
Sentido do spin
Atkins, P. e Jones, L., Princípios de Química. 
Questionando a Vida Moderna e o Meio 
Ambiente. Trad. Ignez Caracelli, et. al. Porto 
Alegre: Bookman, 2001. 914p.
� Número Quântico de Spin (ms)
ml = +½ ou -½
43
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Princípio da Exclusão de Pauli
Número máximo de elétrons 
por subcamada
№max℮= 2n
2
147f
105d
63p
21s
No max e-No OrbitaisSubcamada
...
324N
183M
82L
21K
No max e-nCamada
� Dois elétrons nunca terão o mesmo conjunto de quatro
números quânticos
Número máximo de elétrons 
por camada
44
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Regra de Hund
� Os elétrons são distribuídos isoladamente e com o mesmo spin;
� Os elétrons são emparelhados com spins contrários.
Direção de B
Atkins, P. e Jones, L., Princípios de Química. 
Questionando a Vida Moderna e o Meio 
Ambiente. Trad. Ignez Caracelli, et. al. Porto 
Alegre: Bookman, 2001. 914p.
Distribuição de
Aufbal
Kotz, J.C. e Treichel, P., Chemistry and 
ChemicalReactivity, 4ed. New York: 
Saunders College Publishing, 1999. 1129p.
Russel, J.B., Química Geral. Trad. 
Divo L. Sanioto et. al. São Paulo: 
McGraw-Hill do Brasil, 1981. 897p.
45
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
� Diamagnéticos – não são atraídos por ímãs.
Exemplos: He, Ne e Ca
2He: 1s
2
(nenhum elétron desemparelhado)
� Paramagnéticos – são fracamente atraídos.
Exemplos: Li, N e O
3Li: 1s
2 2s1
(um elétron desemparelhado)
� Ferromagnéticos – são fortemente atraídos.
Exemplos: Fe, Co e Ni
26Fe: [Ar]4s
2 3d6
(quatro elétrons desemparelhados)
Magnetismo nos Elementos
� O spin confere propriedades magnéticas aos átomos.
Atkins, P. e Jones, L., Princípios de 
Química. Questionando a Vida 
Moderna e o Meio Ambiente. Trad. 
Ignez Caracelli, et. al. Porto Alegre: 
Bookman, 2001. 914p.
Shriver, D.F., Atkins, P.W. e Langford, 
C.H., Inorganic Chemistry. Oxford: 
Oxford University Press, 1994. 819p.
Ferromagnetismo
Anti-ferromagnetismo
46
Prof. Glaucio Braga Ferreira – IQ/UFF
Constantes, Fatores e Fórmulas
�Número de Avogadro: NA = 6,02x10
23 mol-1
�Relação carga-massa: e/m = -1,76x108 C/g
�Carga do elétron: e = -1,6x10-19 C
�Massa do elétron: me = 9,1x10
-28 g (0,0005486 uma)
�Carga do próton: cp = +1,6x10-19 C
�Massa do próton: mp = 1,67x10
-24 g (1,007276 uma)
�Massa do nêutron: mn = 1,67x10
-24 g (1,008665 uma)
�Unidade de massa atômica: uma = 1,66054x10-24 g
�Velocidade da luz: c = 2,99792x108 m/s
�Constante de Rydberg: RH = 1,10x10
7 m-1 (3,28984x1015 Hz)
�Constante de Stefan-Boltzmann: C = 5,67x10-8W/m2K4
�Constante de Planck: h = 6,63x10-34 J.s
�Constante de Wien: c1 = 2,88x10
-3 K.m
�Raio de Bohr: a0 = 5,29x10
-11 m
�Constante de Bohr: A = 2,18x10-18 J
�ħ = 1,054x10-34 J/s
� 1eV = 1,602x10-19 J = 96,485 kJ/mol
� 1J = 1kgm2/s2
� 1m = 10-3mm = 10-6µm = 10-9nm = 10-10Å = 10-12pm = 10-15fm
c λν=
2 2
1 2
1 1 1
HR n nλ
 
= − 
 
4
C CTℜ =
E hν=
p m v∆ = ∆
2
x
m v
∆ =
∆
h
T x λmax=C1
Efóton= hc/λ
2E mc=