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QUÍMICA F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// PROFESSOR(A): SÉRGIO MATOS ASSUNTO: ESTRUTURA ATÔMICA FRENTE: QUÍMICA I 006.184 - 132156/18 AULAS 03 A 05 EAD – ITA Resumo Teórico A experiência de Millikan A determinação da carga do elétron foi feita em 1909 pelo físico estadunidense Robert Millikan, através da observação do movimento, em um campo elétrico, de gotículas de óleo eletrizadas. O experimento de Millikan consiste em se pulverizar um óleo dentro de uma câmara contendo gás ionizado. Na queda, as gotas de óleo fi cam eletrizadas com um ou mais elétrons. Isso ocorrendo com várias gotículas, cada uma delas deve adquirir a carga correspondente a 1 elétron ou mais de um. Medindo-se a carga das várias gotículas, o máximo divisor comum dos resultados obtidos é a carga do elétron. A medição da carga de uma gotícula é feita através de dados obtidos de seu movimento dentro do campo elétrico, ao ser observada com o auxílio de um microscópio. tubo de raios X Nebulizador Gotas de óleo Força elétrica Peso A experiência de Millikan, da gota de óleo. A Teoria Quântica de Planck Os raios gama, os raios X, a luz visível, ultravioleta e infravermelho, as hertzianas (ondas de rádio e TV) e as micro-ondas propagam-se no vácuo sempre à velocidade de 300.000 quilômetros por segundo e são chamadas ondas eletromagnéticas. Com o objetivo de justifi car a distribuição de energia entre as diversas formas de radiação emitidas por um corpo negro, o físico alemão Max Planck formulou, no ano de 1900, uma ideia segundo a qual a energia somente pode ser emitida por quantidades discretas, ou seja, por quantidades múltiplas de uma mínima chamada quantum (plural: quanta). Era a Teoria Quântica de Max Planck. Segundo a Teoria Quântica, a energia das ondas eletromagnéticas é proporcional à frequência da radiação e pode ser calculada pelas expressões: E hv ou E h c = = · λ Sendo: E = energia, em joules (J); v = frequência da radiação, em hertz (Hz); v c = λ λ = comprimento de onda da radiação, em metros (m). c = velocidade da luz no vácuo = 2,9979 × 108 m/s; h = constante de Planck = 6,6262 × 10–34 J · s. y A A amplitude comprimento de onda = = λ λ x Exemplo de uma onda simples. Tipo de onda Comprimento de onda (em nanômetros, nm) Ondas de rádio e TV (hertzianas) > 108 Micro-ondas 108 a 105 Infravermelho 105 a 700 Luz visível 700 a 400 Ultravioleta 400 a 1 Raios X 1 a 0,01 Raios gama < 0,01 O átomo de Bohr No início do século XX, havia uma difi culdade em se aceitar o modelo atômico planetário, pois se sabia que uma carga elétrica que gira em torno de outra de sinal contrário perde energia continuamente, resultando em uma aproximação entre as duas, conforme mostravam os estudos de Eletrodinâmica. Isso signifi cava que os elétrons deveriam se aproximar continuamente do núcleo até haver a colisão, o que tornava inviável a ideia sobre os átomos. 2F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// MÓDULO DE ESTUDO 006.184 - 132156/18 Para resolver o impasse, o físico dinamarquês Niels Bohr formulou, em 1913, o seu modelo atômico, observando o espectro de emissão do átomo de hidrogênio e baseando-se na Teoria Quântica de Planck. Anteparo Fosforescente Prisma Lâmpada de hidrogênio Placa com fenda O espectro do átomo de hidrogênio (um espectro descontínuo) Compare esse espectro com um espectro contínuo, por exemplo, o da luz solar: Anteparo Fosforescente Prisma Luz branca Placa com fenda O espectro contínuo O modelo de Bohr consistia nos seguintes postulados: Postulados mecânicos • O elétron descreve órbitas circulares em torno do núcleo sem absorver ou emitir energia espontaneamente. • Somente são possíveis certas órbitas com energias fi xas (energias quantizadas). As órbitas permitidas são aquelas para as quais o momento angular do elétron (mvr) é um múltiplo inteiro de h/2π: mvr nh = 2π Sendo h a constante de Planck e n um número inteiro maior que zero. K L M N O P Q O modelo das órbitas circulares, de Bohr. Os níveis de energia são numerados de n = 1 até n = ∞ (infi nito). Quanto mais afastado do núcleo estiver o elétron, maior a energia. Postulado óptico Ao receber energia, o elétron salta para órbitas mais externas. Ao retornar para órbitas mais internas, emite energia na forma de ondas eletromagnéticas. FótonFóton Elétron Salto quântico de absorção Salto quântico de emissão Elétron Saltos quânticos do elétron no átomo de Bohr. A energia absorvida ou emitida pelo elétron no chamado salto quântico é dada pela diferença entre as energias dos níveis envolvidos: ∆E = |E fi nal – E inicial | Essa energia absorvida ou emitida, ∆E, é dependente da frequência da radiação eletromagnética envolvida, de acordo com a Teoria Quântica de Planck: ∆ = =E hv ou E h c ∆ · λ Observações: (1) Átomos hidrogenóides são aqueles que possuem apenas 1 elétron. Para esse tipo de átomo se aplica também a Teoria de Bohr, com a energia do elétron na órbita sendo dada por: E me Z n h ou E Z n eVn n= − = − ⋅4 2 0 2 2 2 2 28 13 6 ε , Sendo: Z = número atômico m = massa do elétron = 9,1095 × 10–31 kg e = carga do elétron = 1,6022 × 10–19 C ε 0 = permissividade do vácuo = 8,8542 × 10–12 C2 · N–1 · m–2 h = constante de Planck = 6,626 × 10–34 J · s eV = elétron-Volt (unidade de energia que equivale a 1,6022 × 10–19 J). Desse modo, a energia do elétron em uma órbita do átomo de hidrogênio (Z = 1) é dada por: E n eVn = − 13 6 2 , (2) À medida que o elétron se afasta do núcleo, a energia aumenta, mas os níveis energéticos se tornam cada vez mais próximos: –13,6 E/eV 0 n = ∞ n = 3 n = 2 n = 1 Os níveis de energia em um átomo de hidrogênio. Os níveis energéticos se tornam cada vez mais próximos, quando n aumenta. 3 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// 006.184 - 132156/18 MÓDULO DE ESTUDO (3) O raio da órbita de um átomo hidrogenóide é dado por: r n h me Z ou r n Z nm= = ε π 0 2 2 2 20 0529, 1nm = 10–9 m (4) Os raios das órbitas também aumentam à medida que cresce o valor de n. No entanto, o afastamento entre as órbitas também cresce: As órbitas de Bohr. A diferença entre os raios das órbitas cresce com n2. As séries espectrais Por meio da Teoria de Bohr se pode calcular o número de onda (recíproco do comprimento de onda) da radiação eletromagnética emitida pelo elétron, utilizando-se, para isso, a equação a seguir: v RZ n nf i = − 2 2 2 1 1 (Equação de Rydberg) Sendo: v = número de onda = 1/λ, medido em m–1 R = constante de Rydberg, 1,097 × 107 m–1 Z = número atômico n i = nível inicial do salto quântico de emissão, n i > n f n f = nível fi nal do salto quântico de emissão As linhas (raias) observadas no espectro do átomo de hidrogênio (Z = 1) podem ser classifi cadas de acordo com o tipo de radiação eletromagnética emitida e, consequentemente, com o nível fi nal do salto quântico. São as chamadas séries espectrais. Pela equação de Rydberg, temos: Série de Lyman: n f = 1 (ultravioleta) Série de Balmer: n f = 2 (visível) Série de Paschen: n f = 3 (infravermelho) Série de Brackett: n f = 4 (infravermelho) Série de Pfund: n f = 5 (infravermelho) Série de Humphries: n f = 6 (infravermelho) E/eV –13,6 Série de Lyman Série de Balmer Série de Paschen Série de Brackett n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = ∞0 As séries espectrais. O efeito fotoelétrico Quando um feixe de luz incide sobre uma placa metálica, verifi ca-se, em determinadas condições, uma emissão de elétrons pela placa irradiada. Gerador Fonte de luz Elétrons Catodo Anodo - + Segundo Albert Einstein, para que haja emissão de um elétron é necessária uma energia mínima característica do metal (a sua energia de ionização). Quando o fóton incidente tem energia maior que a energia de ionização, a diferença entre as duas parcelas passa a ser a energia cinética do elétron emitido, ou seja: E E I ou mv hv Ic tot= − = − 1 2 2 Sendo: E tot = hv = energiado fóton; I = energia de ionização; Ec = 1/2mv2 = energia cinética do elétron emitido. O átomo de Sommerfeld Em 1916, Arnold Sommerfeld, ao estudar com mais cuidado os espectros atômicos, observou que as raias possuíam subdivisões. Sommerfeld tentou explicar o fato estabelecendo que, para cada camada eletrônica, haveria 1 órbita circular e n – 1 órbitas elípticas de diferentes excentricidades (razão entre a distância focal e o eixo maior da elipse). Por exemplo, para a 5ª camada, haveria 1 órbita circular e 4 órbitas elípticas. O modelo de Sommerfeld deu a primeira ideia a respeito das subcamadas eletrônicas. Exemplo de um átomo segundo Sommerfeld. 4F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// MÓDULO DE ESTUDO 006.184 - 132156/18 Exercícios 01. (ProfSM) A evolução dos modelos atômicos passa pela descoberta das partículas subatômicas e também pelos experimentos que forneceram conclusões sobre a estrutura da eletrosfera. As descobertas do próton e do elétron são atribuídas, respectivamente, a A) Goldstein e Crookes. B) Goldstein e Thomson. C) Rutherford e Crookes. D) Rutherford e Thomson. E) Rutherford e Millikan. 02. (ProfSM) De acordo com o modelo atômico de Bohr, a maior frequência de um fóton emitido na região do infravermelho do espectro para um átomo de hidrogênio é A) 125 THz B) 289 THz C) 367 THz D) 415 THz E) 594 THz 03. (ProfSM) A 1ª energia de ionização do nióbio é de 6,75 eV. São dados: • Massa do elétron (e) = 9,0 ⋅ 10–31 kg • Velocidade da luz no vácuo (c) = 3,0 ⋅ 108 m ⋅ s–1 • Constante de Planck (h) = 6,6 ⋅ 10–34 J ⋅ s–1 • 1eV (elétron-volt) = 1,6 ⋅ 10–19 J • 1nm (nanômetro) = 10–9 m O comprimento de onda do fóton capaz de ejetar o elétron do átomo de nióbio a uma velocidade limite de 2 106 1⋅ ⋅ −m s é igual a A) 10 nm B) 50 nm C) 100 nm D) 200 nm E) 500 nm 04. (ProfSM) Admitindo o modelo atômico de Bohr e o espectro visível do átomo de hidrogênio, é possível prever que o menor comprimento de onda para um fóton emitido, sendo R a constante de Rydberg, é A) 1/R B) 2/R C) 4/R D) R E) R/4 05. (ProfSM) De acordo com o modelo atômico de Niels Bohr para átomos monoeletrônicos, o momento angular do elétron seria um múltiplo inteiro de h/(2π). Assim, é possível prever que a energia potencial do elétron na órbita circular, em função da massa do elétron (m) e de sua velocidade (v) seria: A) Ep = –mv2 B) Ep = mv2 C) E mv p = − 2 2 D) E mv p = 2 2 E) Ep = –2mv2 06. (ProfSM) Considere as constantes: e (carga elementar), h (constante de Planck) e K (constante eletrostática do vácuo). De acordo com o modelo atômico de Bohr, a maior velocidade que o elétron do hidrogênio pode possui orbitando ao redor do núcleo é A) v Ke h = π 2 4 B) v Ke h = 4 2 2 π C) v Ke h = 2 2π D) v Ke h = 2 2π E) v Ke h = 2 2π 07. (ProfSM) O comprimento de onda da luz visível varia de 400nm (extremo violeta) a 700nm (extremo vermelho). A constante de Rydberg vale 1,0 × 107 m–1. Para que o elétron do átomo de hidrogênio emita um fóton correspondente ao extremo violeta do espectro, deve saltar para 2ª camada eletrônica partindo do nível: A) 2 B) 3 C) 4 D) 5 E) ∞ 08. (ProfSM) O modelo atômico de Arnold Sommerfeld considerava os elétrons descrevendo órbitas. Uma ideia que surgiu com o modelo de Sommerfeld foi a de que a eletrosfera é composta de A) níveis eletrônicos. B) subníveis eletrônicos. C) um grande espaço vazio. D) partículas com carga negativa. E) elétrons comportando-se como ondas. 09. (ProfSM) As descobertas dos raios X, do nêutron e da carga do elétron são atribuídas, respectivamente, a A) Wilhelm Röntgen, James Chadwick e Robert Millikan. B) Wilhelm Röntgen, James Chadwick e Joseph Thomson. C) Wilhelm Röntgen, Ernest Rutherford e Robert Millikan. D) Henri Becquerel, James Chadwick e Robert Millikan. E) Wilhelm Röntgen, Eugen Goldstein e Robert Mulliken. 10. (ProfSM) Determine a energia (em elétrons-volt, eV) do fóton necessário para ejetar o elétron do átomo de He+ a partir do estado fundamental, se a velocidade de escape é de 4,0 · 106 m/s. 11. (ProfSM) Descreva sucintamente o experimento que levou à descoberta da carga do elétron. 12. (ProfSM) O espectro visível é a faixa do espectro eletromagnético que abrange os comprimentos de onda de luz que podem ser detectadas pelo olho de um ser humano normal. Admitindo o modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio é possível estimar os extremos do espectro visível. Dados: • Constante de Rydberg: R = 1,1 ⋅ 107 m–1 • 1 nanômetro = 1nm = 10–9 m Calcule e mostre como chegou ao resultado: A) O comprimento de onda do extremo vermelho do espectro visível, em nanômetros. B) O comprimento de onda do extremo violeta do espectro visível, em nanômetros. 5 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// 006.184 - 132156/18 MÓDULO DE ESTUDO 13. (ProfSM) A adição de um elétron a uma partícula α resulta em um átomo X. Estime a frequência do fóton capaz de ejetar esse elétron com uma velocidade de 1,32 · 106 m/s. Dados: Velocidade da luz no vácuo = 3,0 · 108 m/s Constante de Rydberg = 1,1 · 107 m–1 Massa do elétron = 9,1 · 10–31 kg Constante de Planck = 6,6 · 10–34 J · s 14. (ProfSM) A energia de ionização do átomo de colbalto ( 27 Co) é 760 kJ/mol. Calcule o comprimento de onda de um fóton capaz de ejetar o elétron mais energético do átomo de cobalto com uma velocidade terminal de 2,5 · 106 m/s. Mostre os cálculos. Dados: Massa do elétron = 9,1 · 10–31kg Constante de Planck = 6,6 · 10–34J·s Constante de Avogadro = 6,0 · 1023 mol–1 Velocidade da luz no vácuo = 3,0 ·108 m/s 15. (ProfSM) O elemento ítrio, importante na preparação de cerâmicas supercondutoras, possui energia de ionização de 600kJ/mol. Calcule o comprimento de onda do fóton necessário para ejetar o elétron mais energético do ítrio a uma velocidade de escape de 4,0 × 106 m/s. Mostre os cálculos. Dados: Constante de Avogadro = 6,0 × 1023 mol–1 Massa do elétron = 9,0 × 10–31 kg Velocidade da luz no vácuo = 3,0 × 108 m/s Constante de Planck = 6,6 × 10–34 J · s Gabarito 01 02 03 04 05 D C C C A 06 07 08 09 10 C E B A – 11 12 13 14 15 – – – – – *01. A descoberta do próton é atribuída a E.Rutherford, que bombardeou átomos de 14N com partículas α, obtendo 17O, além do próton. A descoberta do elétron é atribuída a J.J.Thomson, pela medição de sua razão carga-massa. *02. A frequência do fóton emitido em um salto quântico no átomo de hidrogênio pelo modelo de Bohr é dada pela equação: ν λ = = − c cR n n f i 1 1 2 2 No caso de uma emissão de infravermelho com a maior frequência possível, o nível fi nal é igual ao menor valor possível, ou seja, n f = 3, enquanto o nível inicial é no infi nito (ni = ¥ ). Assim, temos: ν = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − − −3 0 10 1 1 10 1 3 08 1 7 1 2 , ,m s m ⇒ =ν 367THz *03. O comprimento de onda do fóton pode ser calculado usando-se o efeito fotoelétrico: E E E hc E mc fóton ionização cinética ionização = + ⇒ = + λ 2 2 ⇒ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅− − − −6 6 10 3 0 10 6 75 1 6 10 9 0 10 234 8 1 19 31, , , , ,J s m s J kg λ 110 2 6 1 2 m s⋅( )− ⇒ = ⋅ ⇒ =−λ λ1 0 10 1007, m nm *04. O comprimento de onda pode ser obtido pela equação de Rydberg: 1 1 12 2 2λ = −RZ n n f i O espectro visível consiste nos saltos eletrônicos com nf = 2 (série de Balmer). O menor comprimento de onda é obtido quando o elétron salta do nível infi nito (fora do átomo) para o nível 2. Então: 1 1 2 0 4 2λ λ= − ⇒ =R R/ *05. mvr nh = 2π F F K q q r mv r Kq q mv r elétrica centrípeta = ⇒ = ⇒ =− | | 1 2 2 2 1 2 2 E Kq q r E mv r r E mv p p p = ⇒ = − ⇒ =−1 2 2 2 *06. • Quantização do momento angular: mvr nh = 2π • Força centrípeta = força elétrica: mv r K q q r Ke r r Ke mv mv Ke mv nh v Ke nh 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = = ⇒ = ⇒ ⋅ = ⇒ = | | π π • Para a maior velocidade, n = 1: v Ke h = 2 2π *07. • Equação de Rydberg: 11 12 2 2λ = ⋅ −RZ n n f i 1 400 10 1 0 10 1 2 1 1 4 1 1 4 1 0 9 7 1 2 2 2 2⋅ = ⋅ ⋅ − ⇒ − = ⇒ = ⇒ =∞ − − m m n n n n i i i i , *08. Analisando os espectros de átomos polieletrônicos (dois ou mais elétrons), foi possível prever a existência de subníveis eletrônicos como subdivisões dos níveis energéticos. *09. B) Thomson mediu a razão carga/massa do elétron, sendo considerado o descobridor dessa partícula. C) A Rutherford são atribuídas as descobertas do núcleo e do próton. D) Becquerel é considerado o descobridor da radioatividade. E) Goldstein descobriu os raios anódicos e Mulliken desenvolveu a teoria do orbital molecular. *10. Pela conservação da energia: E fóton = E ionização + E cinética A energia de ionização pode ser obtida pela aplicação do modelo de Bohr, com n i = 1 e n f = ∞: E E hc hcRZ n n hcRZ ionização f i = = = − =∆ λ 2 2 2 21 1 Assim, temos: E hcRZ mv fóton = +2 2 2 6F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// MÓDULO DE ESTUDO 006.184 - 132156/18 E fóton = 6,63 · 10–34 J · s · 3,0 · 108 m · s–1 · 1,1 · 107 m–1 · 22 + + 9 10 10 4 0 10 2 31 6 1 2, ( , )⋅ ⋅ ⋅ ⋅− −kg m s ⇒ E fóton = 1,6 · 10–17 J ⇒ ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ =− − E J eV J E eV fóton fóton 1 6 10 1 1 6 10 10017 19 , , *11. A determinação da carga do elétron foi feita pelo físico estadunidense Robert Millikan, através da observação do movimento, num campo elétrico, de gotículas de óleo eletrizadas. O experimento de Millikan consistia em se pulverizar um óleo dentro de uma câmara contendo gás ionizado. Na queda, as gotas de óleo fi cavam eletrizadas com um ou mais elétrons. Isso ocorrendo com várias gotículas, cada uma delas adquiria a carga correspondente a um elétron ou mais de um. A medição da carga de uma gotícula foi feita através de dados obtidos de seu movimento dentro do campo elétrico, ao ser observado com o auxílio de um microscópio. Medindo-se a carga das várias gotículas, o máximo divisor comum dos resultados obtidos é a carga do elétron. *12. Para o átomo de hidrogênio um comprimento de onda da região do visível está associado a um fóton emitido em um salto eletrônico para o nível 2, partindo de um estado previamente excitado para o elétron. A) O extremo vermelho corresponde ao fóton de menor energia do espectro visível, ou seja, aquele que possui o maior comprimento de onda. Neste caso o elétron salta do nível 3 para o nível 2. Podemos aplicar a equação de Rydberg para encontrar o comprimento de onda do fóton emitido: 1 1 1 1 1 1 10 1 1 2 1 3 1 10 6552 2 2 7 1 2 2 2 9λ λ λ= − ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⇒ =−RZ n n m m nm nm f i , B) O extremo violeta corresponde ao fóton de maior energia do espectro visível, ou seja, aquele que possui o menor comprimento de onda. Neste caso o elétron salta do nível ∞ para o nível 2. Assim, temos: 1 1 1 1 1 1 10 1 1 2 0 1 10 3642 2 2 7 1 2 2 9λ λ λ= − ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⇒ =−RZ n n m m nm nm f i , *13. O átomo a ser considerado possui número atômico igual a 2, pois deriva de uma partícula α. A energia do fóton é dada pela soma da energia de ionização (E I ) com a energia cinética do elétron (E c ): E = E 1 + E c Admitindo o modelo de Bohr, a energia de ionização em um átomo monoeletrônico é dada por. E hc hc RZ n n hcRZ hcRZ I f i = = ⋅ ⋅ − = − = λ 2 2 2 2 21 1 1 0( ) Assim, temos: hc hcRZ mv f cRZ mv hλ = + ⇒ = +2 2 2 2 2 2 ⇒ f Hz f= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ = − − 3 0 10 1 1 10 2 9 1 10 1 32 10 2 6 6 10 8 7 2 31 6 2 34 , , , ( , ) , 11 44 1016, ⋅ Hz *14. De acordo com o princípio da conservação da energia, o fóton incidente possui energia igual ao somatório da energia de ionização com a energia cinética do elétron ejetado: E fóton = E ionização + E cinética ⇒ ⇒ = + ⇒ = + ⇒ = + hc E mv hc E mv hc E mvI I I λ λ λ 2 2 22 2 2 2 2 ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + − − − λ 2 6 6 10 3 0 10 2 760 10 6 0 10 34 8 1 3 1 23 1 , , , J s m s J mol mol 99 1 10 2 5 10 10 131 6 1 2 9 , ( , )⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ − −kg m s nm m λ = 48 2, nm *15. • Energia de ionização por elétron: E J mol mol J I = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ − 600 10 1 1 6 0 10 1 0 10 3 23 18 , , • Energia cinética por elétron: E mv kg m s J C = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ − − − 2 31 6 1 2 18 2 9 10 4 10 2 7 2 10 ( ) , • Conservação da energia (efeito fotoelétrico): E fóton = E I + E C ⇒ = + ⇒ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⇒ − − −hc E E J s m s J I Cλ λ 6 6 10 3 0 10 8 2 10 34 8 1 18, , , λ = 24 nm SUPERVISOR/DIRETOR: MARCELO PENA – AUTOR: SÉRGIO MATOS DIG.: VICENTINA/Cl@udi@ – REV.: Lícia
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