Qui Geral I_Fabio Ribeiro [2016-04-11]

Prévia do material em texto

Estrutura Atômica e 
Propriedades Periódicas 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
2 
Modelos Clássicos 
3 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
4 
A descoberta do elétron e o modelo de Thomson 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
5 
 Nobel Prize in Physics (1906): "in recognition 
of the great merits of his theoretical and 
experimental investigations on the conduction 
of electricity by gases". 
J. J. Thomson 
(1856-1940) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
6 
J. J. Thomson 
(1856-1940) 
(1898) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
7 
J. J. Thomson 
(1856-1940) 
 Átomo constituído de uma esfera positiva contendo elétrons; 
 
 Determinação da razão carga/massa (q/me) = 1,7 x 10
11 C/kg 
 
 Quebra do modelo de Dalton; 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
8 
Robert A. 
Millikan 
(1868-1953) 
 Nobel Prize in Physics (1923): "for his work on 
the elementary charge of electricity and on the 
photoelectric effect". 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
9 
Robert A. 
Millikan 
(1868-1953) 
 Nobel Prize in Physics (1923): "for his work on 
the elementary charge of electricity and on the 
photoelectric effect". 
 Determinação da carga do elétron (e) = 1,602 x 10-19 C 
 
 Determinação da massa do elétron (me) = 9,109 x 10
-31 kg 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
O modelo atômico de Rutherford 
10 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
11 
Ernest Rutherford 
(1871-1937) 
 Nobel Prize in Chemistry (1908): "for his 
investigations into the disintegration of the 
elements, and the chemistry of radioactive 
substances". 
 Descoberta da radioatividade (Henri Becquerel, 
1896;) 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
12 
Ernest Rutherford 
(1871-1937) 
 “Foi praticamente a coisa mais inacreditável que já me ocorreu na 
vida. Foi como disparar um tiro de 15 polegadas contra um tecido 
qualquer e vê-lo ricochetear” 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
13 
Ernest Rutherford 
(1871-1937) 
Modelo atômico de Thomson: esfera 
com r = 1 Angstrom = 10-10 m 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
14 
Ernest Rutherford 
(1871-1937) 
 Raio atômico: ~ 10-10 m; 
 
 Rutherford estimou o raio do núcleo de Au da 
ordem de ~10-15 m (1 fm = 10-15 m) 
 
 Raio do núcleo do Au 1/10000 do raio atômico. 
 
 densidade da matéria nuclear é da ordem de 2x1017 
kg/m3! 
 
Fisicamente coerente? 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
15 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Fenômenos não explicados 
 
 Linhas espectrais 
 
 Espectro eletromagnético 
16 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
 Espectro eletromagnético 
17 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
 Espectro contínuo x espectro de linhas 
18 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
 Espectro atômico 
 Identificação de metais – Ensaio de Chama 
19 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
 Espectroscópio de Bunsen e Kirchhoff (1859) 
20 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
21 
 Séries Espectrais 
 Equação de Balmer (Johann Jakob Balmer) 
 Eleve 3 ao quadrado. 
 Divida 1 pelo resultado e subtraia essa fração de 1/4. 
 Multiplque a resposta pelo número 3290364000000000. 
 Com isso, se obtém a frequência da linha vermelha do 
espectro. 
(n = 3, 4, 5, 6) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
22 
 Séries Espectrais 
 Equação de Balmer (Johann Jakob Balmer) 
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
0.0014
0.0016
0.0018
0.0020
0.0022
0.0024
0.0026
 
 
1
/
1/n
2
y = -0,01098x + 0,00274
R = 0,01098 nm-1 = 109.800 cm-1 
 Espectro do Hidrogênio 
23 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
RH = 109.737,315 cm
-1 
24 
 Séries Espectrais 
 Equação de Rydberg (Johannes Robert Rydberg, 1888) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
RH = 109.737,315 cm
-1 
25 
 Exercício: Determine as frequências, em cm-1, das três 
primeiras linhas da série de Paschen do átomo de hidrogênio. 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
26 
 A estrutura do espectro de linhas: transições eletrônicas 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Fenômenos não explicados 
 Efeito fotoelétrico 
27 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Fenômenos não explicados 
 Efeito fotoelétrico 
28 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
𝑲𝒎𝒂𝒙 = 𝒉𝝂 −𝑾𝟎 
29 
Niels Bohr 
(1885-1962) 
 Nobel Prize in Physics (1922): "for his services in the 
investigation of the structure of atoms and of the 
radiation emanating from them". 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
30 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
31 
Niels Bohr 
(1885-1962) 
 (Bohr - equação). 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
32 
𝒓 = 
𝒏𝟐𝜺𝟎𝒉
𝟐
𝝅𝒎𝒆𝒆
𝟐
 
𝒏 = 𝟏, 𝟐, 𝟑, … 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
33 
𝒏 = 𝟏, 𝟐, 𝟑, … 
𝑬𝑻𝒐𝒕 = − 
𝟏
𝟖
𝒎𝒆𝒆
𝟒
𝒏𝟐𝜺𝟐𝒉𝟐
 
𝚫𝑬 = 𝒉𝝂 = 𝑬𝟐 − 𝑬𝟏 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
34 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
35 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
36 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O átomo de Bohr 
37 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Natureza ondulatória da matéria 
38 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
h = 6,626 x 10-34 m2 kg/ s 
• Natureza ondulatória da matéria 
39 
 Exercício: Calcule o comprimento de onda para um 
automóvel com 1000 kg, viajando a uma velocidade de 100 
quilômetros por hora. 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
h = 6,626 x 10-34 m2 kg/ s 
• Natureza ondulatória da matéria 
40 
 Exercício: Calcule o comprimento de onda para um elétron 
viajando a uma velocidade de 1/1000 da velocidade da luz. 
(c = 3 x 108 m/s) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
h = 6,626 x 10-34 m2 kg/ s 
massa do elétron (me) = 9,109 x 10
-31 kg 
41 
Modelo Quântico 
• O modelo da Mecânica Quântica 
42 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O modelo da Mecânica Quântica 
43 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
44 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
45 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
46 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
47 
IFRJ – CST em ProcessosQuímicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
48 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
49 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
50 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• O modelo da Mecânica Quântica 
51 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
52 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
53 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
54 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
55 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
56 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
57 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
58 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
59 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Orbitais atômicos 
60 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Átomos multieletrônicos 
61 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Átomos multieletrônicos 
62 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Átomos multieletrônicos 
63 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Átomos multieletrônicos 
64 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Átomos multieletrônicos 
65 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Configuração eletrônica: Princípio de Aufbau 
66 
Diagrama de energia: 
 A ocupação dos orbitais começa pelos 
subníveis de menor energia 
(diagonais); 
 Princípio de Exclusão de Pauli: 
Todos os estados nos quais os quatro 
números quânticos de dois (ou mais) 
elétrons coincidirem, não existe; 
 Regra de Hund: Quando um subnível 
possui orbitais degenerados, primeiro 
ocupa-se todos os orbitais com um 
elétron para, então, entrar com 
segundo elétron 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Configuração eletrônica: Princípio de Aufbau 
67 
Diagrama de energia: 
 A ocupação dos orbitais começa pelos 
subníveis de menor energia 
(diagonais); 
 Princípio de Exclusão de Pauli: 
Todos os estados nos quais os quatro 
números quânticos de dois (ou mais) 
elétrons coincidirem, não existe; 
 Regra de Hund: Quando um subnível 
possui orbitais degenerados, primeiro 
ocupa-se todos os orbitais com um 
elétron para, então, entrar com 
segundo elétron 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
• Configuração eletrônica: Princípio de Aufbau 
68 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
69 
• Configuração eletrônica: Tabela Periódica 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
70 
• Configuração eletrônica: Tabela Periódica 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
71 
Exercício: Escreva a configuração eletrônica do estado 
fundamental de um átomo de: (a) 23V e (b) 82Pb
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
72 
• Configuração eletrônica: Propriedades Periódicas 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
73 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
74 
Exemplo 1: 19K: 1s
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 
 
 
 
 
Exemplo 2: 37Rb: 1s
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 
 
 
 
 
Exercício: 37Rb
+ 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
75 
Exercício 2: 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
76 
Elemento Z S (elétrons 
internos) 
S (elétrons 
de valência) 
S (total) Zef 
Li 3 1,70 - 1,70 1,30 
Be 4 1,70 0,35 2,05 1,95 
B 5 1,70 0,70 2,40 2,60 
C 6 1,70 1,05 2,75 3,25 
N 7 1,70 1,40 3,10 3,90 
O 8 1,70 1,75 3,45 4,55 
F 9 1,70 2,10 3,80 5,20 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
77 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
78 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
79 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
80 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
81 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
82 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
83 
(kJ/mol) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
84 
(kJ/mol) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
85 
(kJ/mol) 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
86 
 Afinidade Eletrônica 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
87 
 Afinidade Eletrônica 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
88 
 Afinidade Eletrônica 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
89 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
90 
 Eletronegatividade: 
 representa a força de atração de um átomo pelos elétrons de 
uma ligação química; 
 Está diretamente relacionada com a energia de ionização e a 
afinidade eletrônica; 
 Escala de eletronegatividade de Mulliken (átomos isolados): 
 
 
 
 
 
 Quanto maior EI ou AE, mais eletronegativo. 
 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
91 
 Eletronegatividade: 
Não é uma propriedade do elemento! 
 representa a força de atração de um átomo pelos elétrons 
de uma ligação química; 
Escala de eletronegatividade de Pauling (moléculas): 
 
 
 
 
 
Ligação Entalpia de 
Ligação (kJ/mol) 
H – H 436 
F – F 157 
H – F 
 
569 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
(436 + 157) kJ/mol /2 = 296,5 kJ/mol 
 
569 – 296,5 = 272,5 kJ/mol 
92 
 Eletronegatividade: 
Estabilidade adicional devido ao caráter iônico da ligação; 
 
 
 
Eletronegatividade (Pauling): raiz quadrado da diferença em 
energia devido ao caráter iônico em eV (1 eV = 96,485 kJ/mol) 
 
 
A eletronegatividade é um valor arbitrário; 
 
 
 
 
 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒊𝒃𝒖𝒊çã𝒐 𝒄𝒐𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 (𝒎é𝒅𝒊𝒂 𝒈𝒆𝒐𝒎é𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂) = ∆𝐸 𝐴2 × ∆𝐸 𝐵2 
𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒊𝒃𝒖𝒊çã𝒐 𝒊ô𝒏𝒊𝒄𝒂 = ∆𝐸 𝐴𝐵 − ∆𝐸 𝐴2 × ∆𝐸 𝐵2 ≡ ∆ 
𝜒𝐵 − 𝜒𝐴 = ∆ 
93 
 Eletronegatividade: 
Estabilidade adicional devido ao caráter iônico da ligação; 
 
 
Eletronegatividade (Pauling): raiz quadrado da diferença em 
energia devido ao caráter iônico em eV (1 eV = 96,485 kJ/mol) 
 
 
 
A eletronegatividade é um valor arbitrário; 
Referência: H (𝜒𝐻 = 2,20) 
 
 
 
 
 
𝜒𝐹 − 𝜒𝐻 = 
307000
𝐽
𝑚𝑜𝑙
96485 𝑒𝑉−1
𝐽
𝑚𝑜𝑙
= 3,18 𝑒𝑉 = 𝟏, 𝟕𝟖 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒊𝒃𝒖𝒊çã𝒐 𝒄𝒐𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒕𝒆 = 436 × 157 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 2 = 262 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 
𝒄𝒐𝒏𝒕𝒓𝒊𝒃𝒖𝒊çã𝒐 𝒊ô𝒏𝒊𝒄𝒂 = 569 − 262 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 = 307 𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 = ∆ 
⇒ 𝜒𝐹 = 1,78 + 𝜒𝐻 
94 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: FabioRibeiro 
95 
IFRJ – CST em Processos Químicos 
Química Geral I 
Professor: Fabio Ribeiro 
96