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Classificação dos Elementos Químicos (O Primeiro Elemento) • "Ao lado, o fósforo (P). Primeiro elemento a ser descoberto em 1669 pelo alquimista Henning Brand • Ponto de partida para a construção da Tabela Periódica". PRIMEIRA CLASSIFICAÇÃO • A primeira classificação, a de Lavoisier, foi à divisão dos elementos em metais e não-metais. • Isso possibilitou a antecipação das propriedades de outros elementos, determinando assim, se seriam ou não metálicos. Johann W. Dobereiner (1829) (O Primeiro Modelo de Tabela Periódica) • A massa atómica do elemento central da tríade era a média das massas atômicas do primeiro e terceiro membro. • Muitos dos metais não podiam ser agrupados em tríades. Cálcio Estrôncio Bário 40 88 >>> (40 + 137)/2 = 88,5 137 1817 - Lei das tríades de Döbereiner Elemento Massa Atômica Ferro 56 Cobalto 59 Níquel 58 Elemento Massa Atômica Lítio 07 Sódio 23 Potássi 39 Germain Hess (1849) (O Segundo Modelo de Tabela Periódica) • Publicou no seu manual Fundamentos da Química Pura uma classificação de quatro grupos de elementos (não-metais) com propriedades químicas semelhantes . Iodo Telúrio Carbono Nitrogênio Bromo Selênio Boro Fósforo Cloro Enxofre Silício Arsênio Flúor Oxigênio Alexander Beguyer de Chancourtoir (1862) (O Terceiro Modelo de Tabela Periódica) • Propôs um sistema denominado “parafuso telúrico.” • Distribuiu os elementos na forma de uma espiral de 45º na superfície de um cilindro. • Em cada volta da espiral ele colocou 16 elementos em ordem crescente de massa atômica, de modo a posicionar os elementos com propriedades semelhantes um por baixo do outro na geratriz do cilindro. John A.R. Newlands (1864) (O Quarto Modelo de Tabela Periódica) • Sugeriu que os elementos, poderiam ser arranjados num modelo periódico de oitavas, na ordem crescente de suas massas atômicas. • Colocou o elemento lítio, sódio e potássio juntos. Esquecendo o grupo dos elementos cloro, bromo e iodo, e os metais comuns como o ferro e o cobre. • A idéia de Newlands foi ridicularizada pela analogia com os sete intervalos da escala musical. Mendeleev (1869): Organizou os elementos em ordem crescente de massa atômica e observou que os elementos apresentavam propriedades químicas semelhantes. Moseley (1913): As propriedades dos elementos são uma função periódica dos seus números atômicos. Glenn Seaborg (1951) (A Tabela Periódica nos dias de hoje) • Realizou a última maior troca na tabela periódica em 1950. • A partir da descoberta do plutônio em 1940, Seaborg descobriu todos os elementos transurânicos (do número atômico 94 até 102). • Reconfigurou a tabela periódica colocando a série dos actnídeos abaixo da série dos lantanídeos. • Em 1951, Seaborg recebeu o Prêmio Nobel em química, pelo seu trabalho. • O elemento 106 tabela periódica é chamado seabórgio, em sua homenagem. Estrutura da Tabela Periódica Existência dos Elementos: Elementos Naturais: Z 92 Elementos Artificiais: Z 92 H Cisurânicos U Transurânicos Mt 1 92 109 Classificação dos Elementos Artificiais: As modificações mais recentes da Tabela Periódica • O sistema de numeração dos grupos são recomendados pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). • A numeração é feita em algarismos arábicos de 1 à 18, sendo o grupo 1, o dos metais alcalinos e o 18, o dos gases nobres.c Forma longa da T. P. • Devido ao trabalho de Mosseley, a tabela periódica moderna esta baseada no número atômico dos elementos. • Daí decorre a actual lei periódica. • As propriedades dos elementos químicos são funções periódicas do número atômico. Entendendo a T.P. • A tabela periódica mostra a semelhança entre dois ou mais elementos. Se observarmos as propriedades dos elementos, notamos a semelhança entre alguns elementos. Essas semelhanças se repetem em intervalos, sempre relacionados ao número atómico. • Na tabela, os elementos estão arranjados horizontalmente, em seqüência numérica, de acordo com seus números atômicos, resultando o aparecimento de sete linhas horizontais (ou períodos). • O número do período corresponde ao número de níveis eletrônicos. Todos os elementos de um mesmo período tem o mesmo número de camadas. • Exemplo: 26Fe - 1s2; 2p6, 3s2; 3p6; 4s2; 3d6 4 camadas 4º período Famílias ou grupos: • São em número de 18, sendo que cada um agrupa elementos com propriedades químicas semelhantes e apresentam a mesma configuração eletrônica na sua camada de valência (últimos subníveis). Hidrogénio É um elemento atípico, pois possui a propriedade de se combinar com metais, ametais e semimetais. Nas condições ambientes, é um gás extremamente inflamável. Grupo 1 - Metais Alcalinos: São metais pertencentes ao bloco s. São elementos que reagem vigorosamente. São metais macios, prateados e fundem em baixas temperaturas. Eles produzem hidrogênio quando colocados em contato com a água. Na(s) + H2O(l) NaOH(l) + H + (g) K L M N O P Q Aumenta o Número de Camadas Todos os elementos deste grupo apresentam 1 elétron na última camada de valência, ou seja ns1. Na (Z = 11) – 1s2 2s2 2p6 3s1 Grupo 2 - Metais Alcalinos Terrosos: Os elementos Cálcio (Ca), Estrôncio (Sr) e Bário (Ba) são chamados de metais alcalinos terrosos, mas o nome é estendido para todo o grupo 2. Este elementos também pertencentes ao bloco s. Estes elementos apresentam propriedades em comum com o Grupo 1, porem suas reações são menos vigorosas. Aumenta o Número de Camadas K L M N O P Q Todos os elementos deste grupo apresentam 2 elétrons na última camada de valência, ou seja ns2. Mg (Z = 12) – 1s2 2s2 2p6 3s2 Grupo 3 a 12 – Metais de Transição: Os elementos do bloco d, com exceção dos elementos do Grupo 12, são chamados de metais de transição. Estes elementos estão entre os metais Bloco s, que reagem vigorosamente e os metais menos reativos, lados esquerdo do Bloco p. Todos os elementos deste grupo apresentam o subível mais energético d pertencente a penúltima camada. Fe (Z = 26) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Cu (Z = 29) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 Zn (Z = 30) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 Grupo 13 ou IIIA – Grupo do Boro: Estes elementos apresentam 3 elétrons na última camada. A configuração da camada de valência é ns2 np1; Grupo 14 ou IVA – Grupo do Carbono: Os elementos deste grupo apresentam 4 elétrons na última camada, com configuração eletrônica igual ns2 np2; Grupo 15 ou VA – Grupo do Nitrogênio: Os elementos deste grupo apresentam 5 elétrons na última camada, com configuração eletrônica da camada de valência ns2 np3; Grupo 16 ou VIA – Grupo dos Calcogênios: Os elementos deste grupo apresentam 6 elétrons na última camada, com configuração eletrônica da camada de valência é ns2 np4; Grupo 17 ou VIIA – Grupo dos Halogênios: Neste grupo os elementos apresentam 7 elétrons na última camada, com configuração eletrônica da camada de valência ns2 np5; B (Z = 5) – 1s2 2s2 2p1 C (Z = 6) – 1s2 2s2 2p2 N (Z = 7) – 1s2 2s2 2p3 O (Z = 8) – 1s2 2s2 2p4 F (Z = 9) – 1s2 2s2 2p5 Grupo 18 ou VIIIA– Gases Nobres: São considerados quimicamente neutros, ou seja, combinam-se com poucos elementos. Até os anos 60 eram conhecidos como gases inertes, porque acreditava-se que eles não se combinavam com nenhum elemento. Todos os elementos deste grupo são gases incolores e inodoros. Com exceção do Hélio (He) todos os demais elementos apresentam configuração eletrônica na camada de valência ns2 np6; He (Z = 2) – 1s2 Ne (Z = 10) – 1s2 2s2 2p6 Metais de Transição Interna– Lantanídeos e os Actinídeos: Na lilnha superior deste bloco temos os elementos que seguem o Lantâneo La (elemento 57) localizado no Sexto Período, na qual chamamos de LANTANÌDEOS. Na linha inferior, seguindo o Actíneo Ac (elemento 89), localizado no Sétimo Período, encontramos os Actinídeos. LANTANÍDEOS ACTINÍDEOS Subnível mais energético = 4f Última camada = 6s2 Subnível mais energético = 5f Última camada = 7s2 Propriedades Aperiódicas e Periódicas • Propriedades aperiódicas: são aquelas cujos valores variam ( crescem ou decrescem) na medida que o número atómico aumenta e que não se repetem em períodos determinados ou regulares. Ex.: número de nêutrons, massa atômica, calor específico. • A massa atómica de um número sempre aumenta de acordo com o número atômico desse elemento. Propriedades Periódicas • São aquelas que a medida que o número atómico aumenta, assumem valores semelhantes para intervalos regulares, ou seja, repetem-se periodicamente. • São exemplos de propriedades periódicas: raio atómico, electronegatividade, energia ou potencial de ionização, reatividade química, densidade, volume atômico , electroafinidade, e ponto de fusão. RAIO ATÓMICO O raio atômico é definido como a metade da distância entre os núcleos de dois átomos vizinhos. RAIO ATÓMICO Ao longo de um grupo, o raio atómico aumenta com o número atómico, porque vai aumentando o número de camadas (níveis) electrónicas ocupadas e a carga dos electrões das camadas interiores repelem os electrões mais exteriores. RAIO ATÓMICO Ao longo de um período, o raio atómico diminui com o número atómico, porque vai aumentando a força atractiva núcleo- electrões, o que provoca a contracção da nuvem electrónica. RAIO ATÓMICO VARIAÇÃO PERIÓDICA RAIO ATÓMICO Variação do raio atómico (covalente), ao longo da Tabela Periódica. Para partículas com a mesma carga nuclear a que tiver mais electrões, apresenta maior raio, pois as repulsões inter-electrónicas são mais fortes. RAIO ATÓMICO / RAIO IÓNICO RAIO ATÓMICO / RAIO IÓNICO ENERGIA DE IONIZAÇÃO Ei + X ( g ) X + ( g ) + e- ENERGIA DE IONIZAÇÃO - energia mínima que é necessária para remover um electrão do átomo, transformando-o num ião monopositivo. Ei + X (g) X + (g) + e- em que: Ei = H ENERGIA DE IONIZAÇÃO ENERGIAS DE IONIZAÇÃO Ao longo do grupo a energia de ionização diminui, por existir maior número de electrões internos, o que faz com que a atracção efectiva entre o núcleo (que se diz blindado ou protegido) e um dos electrões mais externos seja menor. ENERGIAS DE IONIZAÇÃO Ao longo do período o aumento da carga nuclear experimentada pelos electrões de valência produz uma diminuição do átomo tornando mais difícil a remoção do electrão. ENERGIAS DE IONIZAÇÃO ENERGIAS DE IONIZAÇÃO IRREGULARIDADES - a E1 do boro (Z = 5) é menor que a E1 do berílio (Z = 4); No B o electrão a ser removido encontra-se numa orbital 2p; enquanto no Be encontra-se na orbital 2 s, mais próxima do núcleo, ou seja, o núcleo do B está mais blindado por electrões. É mais fácil remover o electrão 2p do B do que o electrão 2s do Be. ENERGIAS DE IONIZAÇÃO IRREGULARIDADES - a E1 do oxigénio (Z = 8) é menor que a E1 do azoto (Z = 7); ENERGIAS DE IONIZAÇÃO IRREGULARIDADES No N , a orbital 2p está semipreenchida enquanto que no O a orbital 2p está ocupada por quatro electrões . O quarto electrão deste subnível ( p ) está numa orbital já ocupada por um electrão experimentando maior repulsão , logo , este electrão é mais facilmente removido que qualquer dos electrões p das orbitais semipreenchidas do átomo de N . ENERGIAS DE IONIZAÇÃO IRREGULARIDADES ENERGIAS DE IONIZAÇÃO IRREGULARIDADES Irregularidades semelhantes (que podem ser explicadas da mesma maneira) podem ser encontradas nos períodos 3, 4, 5 e 6. AFINIDADE ELECTRÓNICA X (g) + e- X - (g) + A Afinidade electrónica ( A ) – é a energia libertada quando se adiciona uma mole de electrões a uma mole de átomos neutros no estado gasoso ( T = 0 K ) e fundamental. X (g) + e- X - (g) H < 0 AFINIDADE ELECTRÓNICA Algumas afinidades electrónicas são negativas; isto significa que a energia é absorvida quando se adiciona a mole de electrões. Ex : Be ( g ) + e- + 100 kJ → Be – ( g ) Endotérmico Valor negativo AFINIDADE ELECTRÓNICA Ex : F ( g ) + e- → F – ( g ) + 328 kJ Exotérmico Valor positivo AFINIDADE ELECTRÓNICA RESUMINDO É a propriedade que o átomo apresenta de atrair elétrons. Esta propriedade depende de dois importantes fatores: o número de elétrons na última camada e o tamanho do átomo. Segundo Fator: Quanto menor o tamanho do átomo, maior é a atração do núcleo sobre os elétrons periféricos. Desta forma, é muito maior a atração pelos elétrons que estão nas suas proximidades. Portanto, quanto menor o tamanho do átomo, maior a sua ELETRONEGATIVIDADE. Primeiro Fator: Quanto mais próximo o átomo estiver de atingir a estabilidade, ou seja, apresentar oito elétrons na última camada, maior a sua atração por elétrons. Portanto, maior a sua ELETRONEGATIVIDADE. ELECTRONEGATIVIDADE ELECTRONEGATIVIDADE ELETROPOSITIVIDADE ou CARÁTER METÁLICO • É a capacidade de um átomo perder elétrons, originando cátions. REACTIVIDADE QUÍMICA • A reactividade de um elemento químico está associada à sua maior ou menor facilidade em ganhar ou perder elétrons. • Assim, os elementos mais reativos serão tantos os metais que perdem elétrons com maior facilidade, quanto os ametais que ganham elétrons com maior facilidade. • Entre os metais, o mais reativo é o frâncio (Fr) • Entre os ametais, o mais reativo é o flúor (F). PROPRIEDADE FÍSICAS DOS ELEMENTOS • As propriedades físicas são determinadas experimentalmente, mas, em função dos dados obtidos, podemos estabelecer regras genéricas para sua variação, considerando a posição do elemento na tabela periódica. É definida como sendo a razão entre a massa específica (m) e o volume (V). Para um elemento químico a massa corresponde a massa atômica do elemento e o volume ocupado por este elemento. VARIAÇÃO DA DENSIDADE Nos grupos a densidade aumenta de cima para baixo e nos períodos aumenta das laterais para o centro. m (g) V (cm3) d = DENSIDADE PONTO DE FUSÃO (PF) e PONTO DE EBULIÇÃO (PE) • PONTO DE FUSÃO É temperatura na qual uma substância passa do estado sólido para o estado líquido. • PONTO DE EBULIÇÃO É temperatura na qual uma substância passa do estado líquido para o estado gasoso. • Na família IA (alcalinos) e na família IIA (alcalinos terrosos), IIB, 3A, 4 A, os elementos de maior ponto de fusão (PF) e ponto de ebulição (PE) estão situados na parte superior da tabela. De modo inverso, nas demais famílias, os elementos com maiores PF e PE estão situados na parte inferior. • Nos períodos, de maneira geral, os PF e PE crescem da extremidades para o centro da tabela. Entre os metais o tungstênio (W) é o que apresenta o maior PF: 5900 ° C. • Uma anomalia importante ocorre com o elemento químico carbono (C),um ametal: • Ele tem uma propriedade de originar estruturas formadas por um grande número de átomos elevados pontos de fusão ( PF =3550 ° C) METAIS: Constituem aproximadamente 76% dos elementos da tabela periódica. Conduzem eletricidade e calor, são maleáveis e flexíveis, são sólidos a temperatura ambiente com exceção do Gálio (Ga Z = 31) e do Mercúrio (Hg Z = 80), que são líquidos. NÃO-METAIS:Constituem aproximadamente 11% dos elementos da tabela, no entanto, são os mais abundantes na Natureza. Em geral são maus condutores de eletricidade e calor, não são maleáveis nem flexíveis. São sólidos o Carbono (C), o Fósforo (P), o Enxofre (S), o Selênio (Se) e o Iodo (I), líquido o Bromo (Br) e gasoso o Hidrogênio (H), o Nitrogênio (N), o Oxigênio (O), o Flúor (F) e o Cloro (Cl). SEMI-METAIS OU METALÓIDES: Constituem cerca de 7% dos elementos da tabela. Estes elementos têm a aparência de um metal mas comportam-se quimicamente como um não-metal. GASES NOBRES: Constituem aproximadamente 6% dos elementos da tabela. Este elementos são encontrados na natureza na forma de substâncias simples, são todos gases em condições ambientais. Classificação dos Elementos Variação das Propriedades Químicas ELEMENTOS DO GRUPO 1A - METAIS ALCALINOS • Possuem Energia de Ionização Baixa • Esses metais reagem rapidamente com a água para liberar hidrogénio (H2) e formar os respectivos hidróxidos. M (s) + H2O (l) → M + (aq) + OH− (aq) + H2 (g) Os números de oxidação coincidem com o seu número de grupo: Metais Alcalinos (1A): + 1 Li Na K Rb Cs Fr Reacções com água O lítio reage a uma velocidade moderada; o sódio funde na superfície da água e o metal fundido desliza vigorosamente, podendo inflamar-se (especialmente se ficar parado); e o potássio funde e sempre se inflama. Com rubídio e césio a reação é explosiva. 2Li(s) + 2H2O(l) 2LiOH(aq) + H2(g) 2Na(s) + 2H2O(l) 2NaOH(aq) + H2(g) 2K(s) + 2H2O(l) 2KOH(aq) + H2(g) • Os metais alcalinos apresentam alta reactividade (potencial de oxidação) e, portanto, na natureza são encontrados na forma de cátions monovalentes: • Li + , Na + , K + , Rb + ,Cs + • Reagem com o oxigénio do ar para formar vários tipos de óxidos ou de compostos oxigenados • Ex: O litio forma o óxido de litio 4Li(s) + O2(g) → 2 Li2O(s) Peróxidos e Superóxidos 2Na(s) + O2(g) Na2O2(s) M(s) + O2(g) MO2(g) Os peróxidos contém o íon [-O-O-]2- . Eles são diamagnéticos (todos os elétrons estão emparelhados) e agentes oxidantes. Os superóxidos contêm o íon [O2] - que possui um elétron desemparelhado; sendo portanto paramagnéticos e coloridos :LiO2 e NaO2 são amarelos, KO2 alaranjado, RbO2 castanho e CsO2 alaranjado . Todos os outros metais alcalinos formam peróxidos K, Rb, e Cs formam superóxidos K(s) + O2(g) → KO2(s) Óxidos Básicos • Os óxidos dos metais alcalinos reagem com água formando bases e com ácidos formando sal e água. Óxido básico + H2O base 2NaO + H2O 2NaOH NaO + 2HCl NaCl + H2O Óxido básico + ácido sal + H2O METAIS ALCALINO TERROSOS (2A) • Possuem Energia de Ionização Baixa • Esses metais reagem com a água para liberar hidrogênio (H2). • Os números de oxidação coincidem com o seu número de grupo: • Metais Alcalinos Terrosos (IIA): + 2 M (s) + 2 H2O (l) → M +2 (aq) + 2OH− (aq) + H2 (g) Be Mg Ca Sr Ba • Os metais alcalino terrosos apresentam alta reatividade e, portanto, na natureza são encontrados na forma de cátions bivalentes:Be 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ ,Ba 2+ • Reagem com o oxigénio do ar para formar vários tipos de óxidos ou de compostos oxigenados • Ex: O Be e o Mg formam óxidos à elevadas temperatura 2Be(s) + O2(g) → 2BeO(s) Óxidos Básicos • Os óxidos dos metais alcalino terrosos reagem com água formando bases e com ácidos formando sal e água. Óxido básico + H2O base CaO + H2O Ca(OH)2 Óxido básico + ácido sal + H2O MgO + 2HCl MgCl2 + H2O CaO (cal virgem, cal viva ) • O Mg reage com ácidos para libertar o gás hidrogénio gasoso Mg (s) + 2 H+ (aq) → Mg+2 (aq) + H2 (g) OBTENÇÃO • Sódio, Potássio, Magnésio e Cálcio são abundantes na crosta terrestre, mas a obtenção dos metais requer muita energia e consequentemente é cara!!! METAL FONTE NATURAL MÉTODO DE OBTENÇÃO LÍTIO LiAl(SiO3) ELETRÓLISE SÓDIO ÁGUA DO MAR ELETRÓLISE CÁLCIO CALCÁRIO ELETRÓLISE Elementos do Grupo 3A • O boro não forma compostos iónicos binários e não reage com a água • O Alumínio forma o óxido de alumínio quando exposto ao ar • O aluminio reage com o ácido clorídrico Al(s) + O2 (g) 2Al2 O3 (s) 2Al (s) + 6 H+ (aq) → 2Al3+ (aq) + 3H2 (g) B Al Ga In Tl Óxidos Anfóteros (anfipróticos) • São óxidos de carácter intermediário entre ácido e básico. Reagem com ácidos e bases formando sal e água. Óxido anfótero + ácido/base sal + água Al2O3 + 6HCl AlCl3 + H2O Al2O3 + 2NaOH + H2O 2NaAl(OH)4 + 3H2O Elementos do Grupo 4A • Sn e Pb não reagem com a água mas reagem com ácidos libertando hidrogénio gasoso • Formam óxidos ácidos C Si Ge Sn Pb Elementos do Grupo 5A • Formam óxidos ácidos N P As Sb Bi Elementos do Grupo 6A • Formam óxidos ácidos O S Se Te Po Elementos do Grupo 7A x2 (g) + H2(g) 2HX(g) F2 (g) + 2H2O(l) 4HF(aq) + O2 (g) F Cl Br I At Elementos do grupo 8A He Ne Ar Kr Xe Propriedades dos Óxidos ao longo de um Período Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 SO3 Cl2O7 Tipo de composto IÓNICO MOLECULAR Estrutura TRIDIMENSIONAL EXTENSA UNIDADES MOLECULARES DISCRETAS Ponto de fusão 1275 2800 2045 1610 580 16,8 -91,5 Ponto de ebulição ? 3600 2980 230 ? 44,8 82 Natureza ácido base Básica Básica Anfotérica Ácida “Jamais considere seus estudos como uma obrigação, mas como uma oportunidade invejável para aprender a conhecer a influência libertadora da beleza do reino do espírito, para seu próprio prazer pessoal e para proveito da comunidade à qual seu futuro trabalho pertencer." Albert Einstein
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