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5 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 1. PANORÂMICA SOBRE A ESTRUTURA DO ÁTOMO, NEUTRALIDADE DO ÁTOMO Introdução (matéria) Número atómico Massa atómica Número de Avogradro. Mole Fenómenos químicos: isótopo, isobaria e isotonia. 1.1.INTRODUÇÃO Química (do egípcio kēme (chem), significando "terra") é a ciência que trata das substâncias da natureza, dos elementos que a constituem, de suas características, propriedades combinatórias, processos de obtenção, suas aplicações e sua identificação. Estuda a maneira que os elementos se ligam e reagem entre si, bem como a energia desprendida ou absorvida durante estas transformações. E a ciência que estuda a natureza, as propriedades e as transformações da matéria. A química não tem por objetivo o estudo do corpo, mas sim, o estudo da natureza da matéria de que ele é constituído, isto é, da substância. Por esse motivo não devemos dizer que o hidrogênio é um corpo simples ou que a água é um corpo composto e, sim, substâncias simples ou substâncias composta. A química para efeitos didáticos pode ser dividida em : química pura e química aplicada. QUÍMICA PURA corresponde ao estudo científico sem a preocupação de conclusões de ordem prática. A química pura pode ser dividida em : química geral, química descritiva e química analítica. QUÍMICA APLICADA corresponde a aplicação dos conhecimentos científicos, isto é, a aplicação desses conhecimentos nas ciências e nas artes. QUÍMICA GERAL é a parte da química que se preocupa em estudar os conceitos básicos, isto é, leis, princípios e teorias que permitem caracterizar os fenômenos químicos que ocorrem com as substâncias. http://pt.wikipedia.org/wiki/Ci%C3%AAncia http://pt.wikipedia.org/wiki/Subst%C3%A2ncia http://pt.wikipedia.org/wiki/Natureza http://pt.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmico http://pt.wikipedia.org/wiki/Elemento http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%ADmica http://pt.wikipedia.org/wiki/Reac%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%ADmica http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia http://en.wikipedia.org/wiki/Spanish_prepositions http://en.wikipedia.org/wiki/Cadena_SER http://en.wikipedia.org/wiki/Pura%2C_Switzerland http://en.wikipedia.org/wiki/Se_%28text_editor%29 6 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata QUÍMICA DESCRITIVA é a parte da química que se preocupa em descrever as substâncias, isto é, sua natureza e propriedades. A química descritiva pode ser dividida em : química inorgânica e química orgânica. QUÍMICA INORGÂNICA é a parte da química que se preocupa em estudar os elementos químicos e seus compostos, descreve as substâncias do reino mineral. QUÍMICA ORGÂNICA é a parte da química que se preocupa em estudar os compostos hidrogenados do carbono, descreve as substâncias do reino animal e vegetal. QUÍMICA ANALÍTICA é a parte da química que estuda os métodos Através dos quais é possível determinar quais os elementos e quanto de cada elemento existe numa substância. A química analítica pode ser dividida em : química analítica qualitativa e química analítica quantitativa. QUÍMICA ANALÍTICA QUALITATIVA preocupa-se em conhecer os elementos que existem numa substância. QUÍMICA ANALÍTICA QUANTITATIVA preocupa-se em conhecer as quantidades dos elementos que existem numa substância. QUÍMICA NUCLEAR é a parte da química que estuda as reações entre os núcleos e as propriedades das espécies nucleares resultantes. QUÍMICA TECNOLÓGICA é a parte da química que preocupa-se com a fabricação e aplicação dos produtos químicos em alta escala. A química tecnológica pode ser dividida em : química tecnológica inorgânica, orgânica e nuclear. TECNOLOGIA INORGÂNICA preocupa-se com a fabricação e aplicação de produtos inorgânicos. TECNOLOGIA ORGÂNICA preocupa-se com a fabricação e aplicação de produtos orgânicos. http://artists.universal-music.de/ozone/ 7 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata TECNOLOGIA NUCLEAR preocupa-se com a fabricação e aplicação de produtos radioativos. QUÍMICA AGRÍCOLA preocupa-se com a fabricação e aplicação de produtos destinados a agricultura. QUÍMICA BROMATOLÓGICA preocupa-se com a fabricação, aplicação e conservação de produtos alimentícios. QUÍMICA TOXICOLÓGICA preocupa-se com a fabricação e aplicação de produtos tóxicos. BIOQUÍMICA preocupa-se em estudar as reações químicas que ocorrem no organismo humano. RADIOQUÍMICA é a parte da química que estuda as origens, propriedades e aplicações das emissões naturais emitidas pelos núcleos dos átomos. FÍSICO QUÍMICA é a parte da química que estuda os fenômenos simultâneos, físicos e químicos e suas relações 1.2 DEFINIÇÃO DE TERMOS E CONCEITOS EM QUÍMICA - Química: é uma ciência que estuda a matéria e suas transformações. -Matéria: é tudo que tem massa e ocupa lugar no espaço. -Massa: é a quantidade de matéria que forma um corpo. -Corpo: porção limitada da matéria. -Objeto: é um corpo produzido para ser utilizado pelo homem. -Volume: é o tamanho da extensão de espaço ocupado por um corpo. -Temperatura: é a medida comparativa de quanto está “quente” ou “fria” a matéria e que depende da vibração dos átomos. -Pressão: é a razão matemática entre força perpendicular a uma superfície, e a área dessa superfície. 8 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata -Átomo: é a menor partícula organizada da matéria, de tamanho extremamente pequeno com os quais são formados todos os matérias do universo. -Energia: Quimicamente é um “ente” que provoca transformações na matéria. -Estrutura da matéria: Toda matéria é formada por átomos, que por sua vez é constituída de outras partículas menores sendo as principais: prótons, nêutrons e elétrons. Obs.: Além das três partículas subatômicas, são conhecidas hoje em dia muitas outras como: neutrino, méson, múon, etc. -Núcleo: região central onde estão os prótons e nêutrons. -Eletrosfera: região do átomo onde são encontrados os elétrons. -Prótons(p): são partículas internas do átomo com massa relativa 1 e carga elétrica positiva. -Nêutrons(n): são partículas internas do átomo com massa relativa 1 e carga neutra(nula). -Elétrons(e): são partículas distribuídas na eletrosfera com massa muito pequena 1/1840 e carga elétrica negativa. -Número atômico(z): é a quantidade de cargas positivas existente em cada átomo(quantidade de prótons). (z = p). -Número de massa-(A): é a quantidade de partículas existente no núcleo de um átomo. Substância: é o tipo de especie de materia da qual o corpo é formado, ou seja, é formada geralmente pela união de dois ou mais átomos. As subastancias quanto a sua composição podem ser substâncias pura que podem ser classificadas por S. Simples ou S. Pura Simples (formadas por um ou mais átomos do mesmo elemento quimico, ex: Gás Ozônio (O3), Hidrogênio (H2) e Hélio (He). e S. Compostas ou S. Pura Compostas (formadas por dois ou mais elementos quimicos, ex: (H20), Gás cianídrico (HCN), Gás carbônico (CO2), Amônia (NH3)). Mistura: é formada por mais de uma substância, as quais não podem ser representadas por uma única fórmula. As misturas são classificadas em função de seunumero de fases em, Misturas Homogenea ou soluções ( apresentam uma 9 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata fase, ex: mistura de alcool e água) e mistura heterogenia ( apresentam pelo menos duas fases, ex: mistura de pedra e água). Misturas Azeotrópicas: são misturas em que o ponto de ebulição não se altera, em temperatura constante, comportando-se como um composto químico ou um elemento. Esse tipo de mistura é muito comum entre líquidos. Ex.: O álcool de cozinha é uma mistura azeotrópica, isso se deve porque esse álcool está misturado à água em uma proporção onde é impossível separar pela ebulição, já que a temperatura se mantém constante. Misturas Eutéticas: são misturas em que o ponto de fusão dos elementos que a compõem são muito parecido. Isso é muito comum em misturas entre metais. Ex.: o bronze é uma mistura de cobre com o estanho, impossível separar por fusão. Sistema: podem ser sistemas homogeneo aqueles que apresentam uma fase ( ex: substancia pura- um componente, mistura homogenea- mais de um componente). e sistemas heterogeneo aqueles que apresentam mais de uma fase (ex: substancia pura- um componente em diferente estados fisicos, mistura heterogenia- mais de um componente). quanto a possibilidade de troca de matéria e energia, em: -Sistema aberto- troca matéria e energia com o meio(ex. copo com água); -Sistema fechado - troca somente energia com o meio(ex. garrafa de refrigerante); -Sistema isolado- não troca nem matéria nem energia com o meio(ex. teoricamente a garrafa térmica). 1.3 ESTADOS DA MATÉRIA Fases ou estados da matéria são conjuntos de configurações que objectos macroscópicos podem apresentar. São três os estados ou fases considerados: sólido, líquido e gasoso. Outros tipos de fases da matéria, como o estado pastoso ou o plasma são estudados em níveis mais avançados de física. No estado sólido considera-se que a matéria do corpo mantém a forma macroscópica e a posição relativa de suas partículas ou seja as forças de interação entre as particulas é muito intensa, e por esse motivo o espaço entre é minimo. É particularmente estudado nas áreas da estática e da dinâmica. No estado líquido, o corpo mantém a quantidade de matéria e aproximadamente o volume; a forma e posição relativa da partículas não se mantém ou seja as forças de http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81lcool http://pt.wikipedia.org/wiki/Cobre http://pt.wikipedia.org/wiki/Estanho http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido http://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido http://pt.wikipedia.org/wiki/Gasoso http://pt.wikipedia.org/wiki/Estado_pastoso http://pt.wikipedia.org/wiki/Plasma http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica 10 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata interação entre as particulas são menos intensa, por isso o espaço entre elas é maior. É particularmente estudado nas áreas da hidrostática e da hidrodinâmica. No estado gasoso, o corpo mantém apenas a quantidade de matéria, podendo variar amplamente a forma e o volume ou seja as forças de interação entre as particulas são muito pequenas, por isso elas estão relactivamente afastadas umas das outras. É particularmente estudado nas áreas da aerostática e da aerodinâmica. 1.4. TRANSFORMAÇÕES DA MATERIA- FENOMENOS FISICOS E QUIMICOS: Fenomeno: qualquer mudança que ocorre com a materia, alterando seu estado fisico ou transformando sua estrutura interna (composição quimica). Fenomeno Fisico: ocorre sem que haja transformação na composição da materia. Ex: agua em gelo. solido→ fusão → liquido → vaporização → gasoso ↑↓ ↔ sublimação ↔ ↑↓ solido←solidificação ←liquido ←liquefação ou condensação ←gasoso Fenomeno quimico: é a transformação que altera a composiçao ou estrutura quimica da materia. Tambem chamados de reações quimicas. Ex: queima de uma folha de papel. 1.5 PROPRIEDADES DA MATERIAS As propriedades fundamentais da materia são divididas em três grupos: Propriedades gerais: extensão, massa, impenetrabilidade, indestrutibilidade (divisibilidade), porosidade (descontinuidade) e compressibilidade (expansibilidade). Propriedades especificas: são subdivididas em fisicas,organolepticas e quimicas. Propriedades funcionais: refere-se as caracteristicas quimicas das substancias, isto é, a forma como como reagem ou se comportam. As substancias inorganicas por http://pt.wikipedia.org/wiki/Quantidade_de_mat%C3%A9ria http://pt.wikipedia.org/wiki/Volume http://pt.wikipedia.org/wiki/Aerost%C3%A1tica http://pt.wikipedia.org/wiki/Aerodin%C3%A2mica 11 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata exemplo, são agrupadas em quatro funções quimicas principais:ácidos, bases ou hidroxidos, sal e oxidos. 12 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 1.6 PROCESSO DE SEPARAÇÃO DE MISTURAS -SEPARAÇÃO DE MISTURAS HETEROGÊNEAS: sólido - sólido Catação: processo utilizado para separar misturas sólidas onde os integrantes tem formas bem distintas. Ex. feijão + pedrinhas; Peneiração (no laboratório = tamisação): separa sólidos de sólidos de granulações diferentes. Ex. areia + pedras, areia grossa + areia fina; Imantação ( ou separação magnética): separa metais ferrosos de outros sólidos pela atração por imãs. Ex. limalha de ferro + areia; Ventilação: separa sólidos de sólidos com densidades diferentes utilizando correntes de ar. Ex. beneficiamento de cereais; Levigação: separa sólidos de sólidos com diferentes densidades, utilizando correntes de água para arrastar os menos densos. Ex. Ouro + cascalho nos garimpos de mineração; Flotação: Consiste em banhar a mistura de densidades diferentes com outra de densidade intermediária. Ex.: certos minerais + impurezas; Dissolução fracionada: empregado na separação de misturas sólidas quando um dos integrantes é solúvel em um líquido que após dissolvido é separado por filtração para em um segundo momento o outro componente ser separado pela evaporação. Ex. areia + sal; Sublimação: utilizado quando um dos componentes sofre sublimação. Ex. areia + iodo; Sólido – líquido Filtração: separação utilizando um filtro(superfície porosa) que retém o sólido ( em laboratório utiliza-se trompa de vácuo para acelerar o processo de filtragem) Ex. água + terra, café + borra; Decantação: processo lento onde a mistura, estando em repouso, sofre a ação da gravidade separando o sólido. Ex. água + barro; Centrifugação: processo onde se utiliza uma centrifugadora para acelerar o processo de sedimentação usando a força centrífuga. Ex. talco + água; 13 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Sólido – gás Filtração: processo de filtração forçada onde o sólido é retido quando da passagem do componente gasoso. Ex.: ar + pó (aspirador de pó); Câmara de ar: Processo industrial onde a mistura é obrigada a passar por obstáculos e o componente sólido perde velocidadeficando depositado. Ex.: ar + poeira (filtro industrial). Decantação: consiste em deixar em repouso até que o componente sólido se deposite. Ex. ar + pó (poeira domiciliar); Liquido – líquido Funil de decantação: (funil de bromo): funil dotado de torneira que separa o mais denso retendo o menos denso. Ex. água + óleo. Sifonação: utilizado para separar líquidos imiscíveis através da ação da gravidade. Ex. azeite + água Liquido – gás Pressão: diminuindo a pressão sobre a mistura (agitar ou aquecer) o gás escapa do líquido. Ex. refrigerante( água + gás carbônico) ao abrirmos; -SEPARAÇÃO DE MISTURAS HOMOGÊNEAS: Sólido - sólido Fusão fracionada: utilizada no processo de separação de sólidos com pontos de fusão bem distintos. Ex. cloreto de sódio + naftalina (a naftalina funde em temperatura mais baixa que o sal); Sólido - liquido 14 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Evaporação: quando favorecemos a evaporação do líquido pelo contato com o ar atmosférico em ambiente aberto. Ex. água e sal nas salinas; Destilação simples: baseia-se na separação pelo ponto de ebulição do líquido (da mistura sólido- líquido) que ao passar para o estado gasoso é forçado a passar por um refrigerador até a condensação, sendo recolhido separadamente, restando o sólido no primeiro recipiente; Ex. água + sal; Liquido- liquido Destilação fracionada: parecido com a destilação simples só que é adaptado um termômetro que informa as temperaturas permitindo assim separar de acordo com os pontos de ebulição dos líquidos. Ex. petróleo (refinarias), alambiques (cachaça), água + éter; Solidificação ou congelamento: consiste em resfriar lentamente a mistura até que um dos líquidos atinja o ponto de solidificação. Água + álcool; Gás – gás Liquefação (condensação fracionada): separação que explora a mudança do estado físico gasoso para o líquido dos integrantes da mistura gasosa homogênea. Ex. oxigênio + nitrogênio do ar. 1.7 CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA Actualmente não há dúvidas de que toda matéria seja formada por minúsculas partículas, denominadas átomos. A primeira idéia do átomo surgiu cerca de 400 anos (a.C.), através dos pensamentos filosóficos dos gregos, que Segundo a história, Leucipo foi o primeiro a conceber a idéia de pequenas partículas, cada vez menores, constituindo a matéria. Demócrito de Abdera, outro filósofo grego, discípulo de Leucipo, afirmava que o mundo material estava constituído de pequenas partículas o qual denominou átomo que significa: não tem partes (a = não; tomo = parte). Em 1808, baseado em factos experimentais, o cientista britânico John Dalton (1766-1844) formula uma teoria atómica para explicar a constituição da matéria. A ESTRUTURA DO ATOMO A descoberta do átomo: após John Dalton ter apresentado sua teoria atómica, em 1808, na qual sugeria que os átomos eram indivisíveis, maciços (rígidos) e esféricos, 15 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata ou seja, Essa teoria possibilitaria, posteriormente, a criação do primeiro modelo do átomo, a qual expressa, em termos gerais, o seguinte: A matéria é constituída de pequenas partículas esféricas maciças e indivisíveis denominadas átomos. Um conjunto de átomos com as mesmas massas e tamanhos apresenta as mesmas propriedades e constitui um elemento químico. Elementos químicos diferentes apresentam átomos com massas, tamanhos e propriedades diferentes. A combinação de átomos de elementos diferentes, numa proporção de números inteiros, origina substâncias diferentes. Os átomos não são criados nem destruídos: são simplesmente rearranjados, originando novas substâncias. Pequeno pedaço átomos de ferro de ferro Modelo atômico de Dalton “esferas metálicas” vários cientistas realizaram diversos experimentos que demonstraram que os átomos são constituídos por partículas ainda menores, subatomicas. 1.8 A DESCOBERTA DAS PARTÍCULAS SUBATÔMICAS O electrão (e) em 1897, Joseph John Thomson (1856-1940) conseguiu demontrar que o átomo não é indivisíveis, utilizando uma aparelhagem denominada tubo de raios catódicos. Dentro do tubo de vidro havia, alem de uma pequena quantidade de gás, dois eléctrodos ligados a uma fonte eléctrica externa. Quando o circuito era ligado, aparecia um feixe de raios proveniente do cátodo (eléctrodo negativo), que se dirigia para o ânodo (eléctrodo positivo). Esses raios eram desviados na direcção do pólo positivo de um campo eléctrico. Com base nesse experimento, Thomson concluiu que: a) Os raios eram partículas (corpúsculos) menores que os átomos. b) Os raios apresentam carga eléctrica negativa. Essas partículas foram denominadas electrões (e) 16 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Thomson propôs então um novo modelo, denominado Pudim de passas: “ o átomo é maciço e constituído por um fluido com carga eléctrica positiva, no qual estão dispersos os electrões”. Como um todo, o átomo seria electricamente neutro. O Protões (p) Em 1886, o físico Alemão Eugen Goldstein, usando uma aparelhagem semelhante à de Thomson, observou o aparecimento de um feixe luminoso no sentido oposto ao dos electrões. Concluiu que os componentes desse feixe deveriam apresentar carga eléctrica positiva. Posteriormente, em 1904, Ernest Rutherford, ao realizar o mesmo experimento com o gás hidrogénio, detectou a presença de partículas com carga eléctrica positiva ainda menores, as quais ele denominou protões (p). A massa de um protão é aproximadamente 1 836 vezes maior que a de um electrão. A experiencia de rutherford Para verificar se os átomos eram maciços, Rutherford bombardeou uma finíssima lâmina de ouro (de aproximadamente 0,0001 cm) com pequenas partículas de carga eléctrica positiva, denominado partículas alfas (α), emitidas por um material radioactivo. As observações feitas durante o experimento levaram Rutherford a tirar uma série de conclusões: Observação Conclusão a) A maior parte das partículas α atravessava a lâmina em sofrer desvios. A maior parte do átomo deve ser vazio. Nesse espaço (electrosfera) devem estar localizados os electrões. b) Poucas partículas α (1 em 20 000) não atravessavam a lâmina e voltavam. Deve existir no átomo uma pequena região onde esta concentrada sua massa (núcleo) c) Algumas partículas α sofriam desvios de trajectória ao atravessar a lâmina. O núcleo do átomo deve ser positivo, o que provoca uma repulsão nas partículas α (positivas). A comparação do numero de partículas α que atravessavam a lamina com numero de partículas α que voltavam levou Rutherford a concluir que o raio do átomo é 10 mil vezes maior que o raio do núcleo. A partir dessas conclusões, Rutherford propôs um novo modelo atómico, semelhante ao sistema solar 17 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Neutrões (n) essa partículas foram descobertas em 1932 por Chadwicd, durante experiencias com material radioactiva. Ele as denominou neutrões. Os neutros estão localizadosno núcleo e apresentam massa muito próxima à dos protões, mas não tem carga eléctrica. O modelo atómico mais utilizado até hoje é o de Rutherford, com a inclusão dos neutrões no núcleo. Já as representações do átomo podem variar bastante, conforme o modelo representado, desde o desenho clássico do modelo Rutherford-Bohr às representações mais sofisticadas que mostram os electrões circulando em orbitais elípticos. Das partículas indivisíveis de Leucipo e Demócrito à mecânica quântica e ao princípio da incerteza de Heisenberg, nosso conhecimento sobre os átomos percorreu um longo caminho.· Pode ser que conceitos como dualidade partícula-onda atribuída ao electrão pareçam um tanto incompreensíveis à maioria, mas tudo começou com homens curiosos, que, com seus recursos simples, observavam a natureza e tentavam entendê-la. Em Suma: John Dalton (1803- 1808) propôs a Teoria Atómica. De acordo com Dalton, a matéria é constituída de partículas minúsculas chamadas átomos. O átomo é a menor partícula de um elemento que participa em uma reacção química. Átomos são indivisíveis e não podem ser criados ou destruídos. Além disso, átomos de um mesmo elemento são idênticos em todos os aspectos. Joseph John Thomson (1897) descobriu os electrões em experimentos do Raio Cátodo. Para Thomson, os átomos são divisíveis. Átomo contém minúsculas partículas com carga negativa chamadas electrões. E. Goldstein (1900) descobriu os protões em experimentos do Raio Anodo. De acordo com Goldstein, os átomos contém minúsculas partículas com carga positiva chamadas protões. Como os átomos contém partículas negativas, eles devem conter partículas positivas para que sejam electricamente neutros. http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1686u47.jhtm http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u53.jhtm http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u53.jhtm 18 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata E. Rutherford (1911) descobriu o núcleo e propôs a base para a estrutura atómica moderna através de seu experimento do desvio da partícula alfa. Para Rutherford, os átomos são compostos de duas partes: o núcleo e a parte extra-nuclear. Seus experimentos provaram que o átomo é amplamente vazio e que possui um corpo altamente carregado positivamente em seu centro chamado núcleo. O núcleo central é carregado positivamente e os electrões, com carga negativa, revolvem ao redor do núcleo. James Chadwick (1932) descobriu os neutrões. Para Chadwick, os átomos contêm partículas neutras chamadas neutrões em seus núcleos juntamente com as partículas subatômicas (electrões e protões). N. Bohr (1940) propôs o conceito moderno do modelo atómico. Para Bohr, o átomo é feito de um núcleo central contendo protões (com carga positiva) e neutrões (sem carga). Os electrões (com carga negativa) revolvem ao redor do núcleo em diferentes trajectórias imaginárias chamadas órbitas. 1.9. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO ÁTOMO. Numero Atómico (Z) em 1913, ao realizar experiencias de bombardeamento de vários elementos químicos com raios X, Moseley percebeu que o comportamento de cada elemento químico estava relacionado com a quantidade de carga positivas existentes no núcleo. Assim, a carga do núcleo, ou seu numero de protões, é a grandeza que caracteriza cada elemento, sendo este numero denominado numero atómico. Partículas fundamentais do átomo Carga eléctrica (uec) Massa (u) Protões (p) +1 1 Neutrões (n) 0 1 Electrões (e) -1 1 1840 Número atómico (Z): o número que indica a quantidade de protões existentes no núcleo de um átomo. Exemplo: Z= n° de protões. Como os átomos são sistemas electricamente neutros, o número de protões é igual ao de electrões. Exemplos: cloro (Cl) Z = 17 → protões 17, electrões 17. Sódio (Na) Z= 11 → protões 11, electrões 11. 19 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Número de massa (A): a soma de número de protões (p) com o número de neutrões (n) presentes no núcleo de um átomo. Exemplo: A= p+n Como tanto o número de protões (p) quando o de neutrões (n) é inteiros, o número de massa (A) sempre será um número inteiro. O número de massa é, na verdade, o que determina a massa de um átomo, pois os electrões são partículas com massa desprezível, não tendo influencia significativa na massa dos átomos. Exemplo: Ca: Z= 20→ p= 20 A = p+n A= 40 40 = 20 + n n= 20 Cl: Z= 17 → p = 17 A = p + n A = 35 35 = 17 + n n= 18 Elemento químico: é o conjunto formado por átomos de mesmo número atómico (Z). Actualmente, conhecemos um total de 115 elementos químicos, entre naturais e artificiais, com números atómicos variado de 1 a 118. A cada elemento corresponde um número atómico (Z) que o identifica. De acordo com a IUPC (sigla em inglês da União Internacional de Química Pura e Aplicada), ao representar um elemento químico, devem-se indicar, junto ao seu símbolo, seu número atómico e seu número de massa. Uma forma de representação esquemática: Z XA. Exemplo: A= 23 Na {p= 11; n= A – Z ; n= 1 Z= 11 Iões os átomos apresentam a capacidade de ganhar ou perder electrões, formando novos sistemas, electricamente carregados, denominados iões. Iões: a espécie química que apresenta o numero de protões diferente do numero de electrões. Os átomos, ao ganharem ou perderem electrões, originam dois tipos de iões: Iões positivos = Catões; Iões negativos = aniões. 20 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata RESUMO: 1.10 SEMELHANÇAS QUÍMICOS: ISÓTOPO, ISOBARIA, ISOTONIA E ISOELETRÔNICOS Semelhanças atómicas Isótopos: são átomos que apresentam o mesmo número atómico (Z), por pertencerem ao mesmo elemento químico, mas diferentes números de massa (A). A maioria dos elementos químicos é constituída por uma mistura de isótopos, os quais podem ser encontrados, na natureza, em proporção praticamente constante. Elementos Carbono Oxigénio Potássio Representação 12C 6 13C 6 14C 6 16O 8 17O 8 18O 8 18K 19 40K 19 41K 19 Abundância (%) 98.89 1.11 Traços 99.7 0.04 0.2 93,30 0.01 6,70 O único elemento químico cujos isótopos apresentam nome próprio é o hidrogénio (H), que é formado pelos seguintes isótopos naturais: Representação Nomes Abundância (%) 1H 1 Hidrogénio leve, hidrogénio comum; protios 99,985 2H 1 Deutério 0,011 3H 1 Tritio; tricério; tritério 10-7 Isobaros: são átomos que apresentam diferentes números atómicos (Z), mas mesmo número de massa (A). pertencem, portanto, a elementos químicos diferentes. Exemplos: 40 Ca 20 p 40Ar 18 p 20 20 e 18 18 e 20 n 22 n Número atómico (Z) Z = p Número de massa (A) A = p + n Iões Positivos (catiões) Negativos (aniões) P > e P < e Átomo p = e 21 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Isótonos:são átomos que apresentam o mesmo número de neutrões (n), mas diferentes números atómicos (Z) e de massa (A). pertencem, portanto, a elementos químicos diferentes. Isoeletrônicos: átomos e iões que apresentam a mesma quantidade de electrões. Exemplos: 23 NA+ 11 p 16 O-2 8 p 20 Ne 10 p 11 10 e 8 10 e 10 10 e 12 n 8 n 10 n Isótopos radioactivos: alguns isótopos emitem determinados tipos de radiação e, são conhecidos por radioisótopos. Os mesmos podem ser usados na medicina no estudo de certas doenças e distúrbios fisiológicos. Administração ao paciente, tem a propriedade de se concentrar em determinados órgãos ou tipos específicos de células e permitem, pela sua detecção, determinar a existência de possíveis alterações. Estudo das hemacias, tiróide, mapeamento do coração, cérebro, fígado, rins, e ósseos. RESUMO: Z A P N E Isótopos = ≠ = ≠ = Isobaros ≠ = ≠ ≠ ≠ Isótonos ≠ ≠ ≠ = ≠ Isoeletronicos Átomos ou iões com o mesmo número de electrões. 1.11 NÚMERO DE AVOGRADRO. MOLE Massas dos átomos É muito importante, tanto nas actividades em laboratórios como nas indústrias, saber antecipadamente as quantidades de reagentes que devemos usar para obter a quantidade desejada de produtos. A previsão das quantidades só é possível através de cálculos das massas e dos volumes das substâncias envolvidas nas reacções químicas. No entanto, muitas vezes é necessários determinar também o número de átomo ou de moléculas das substancia que reagem ou são produzidas. Para isso um primeiro passo é conhecer a massa dos átomos. Como átomos ou moléculas são entidades muito pequenas para serem “ pesadas” isoladamente, foi estabelecido um padrão para comparar suas massas. 22 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Unidade da massa atómica Actualmente, a nossa escala de massa atómica esta baseada no isótopo mais comum do carbono com o numero de massa igual a 12 (12C), ao qual foi atribuída exactamente a massa de 12 unidades de massa atómica (u). Obs: A unidade de massa atómica (u) é a massa de 1⁄12 do átomo de carbono com número de massa igual a 12 (12C). Massa atómica de um átomo (MA) A massa atómica de um átomo é sua massa determinada em u, ou seja, é a massa comparada com 1⁄12 da massa do 12C. As massas atómicas dos diferentes átomos podem ser determinadas experimentalmente com grande precisão, usando um aparelho denominado espectrómetro de massa. Massa atómica de um elemento É a média ponderada das massas atómicas dos seus isótopos. Vejamos como se calcula a massa atómica do elemento neônio, que é constituído de três isótopos. Isótopos Massa atómica Constituição 20 Ne 20,00 u 90,92% 21Ne 21,00 u 0,26% 22Ne 22,00 u 8,82% Massa molecular: é a soma das massas atómicas dos átomos que constituem as moléculas. Exemplos: (massas atómicas: H= 1 u O= 16 u C= 12 u) H2O 2. 1= 2 C5H10 5. 12= 60 1.16= 16 H2O= 18 u 1.10= 10 C5H10= 70 u Amedeo Avogradro (1776-1856) foi o primeiro cientista a conhecer a ideia de que uma amostra de um elemento, com massa em gramas numericamente igual à sua 23 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata massa atómica (MA), apresenta sempre o mesmo número de átomos (N). Avogradro não conseguiu determinar o valor de N. Ao longo do século XX, muitos experimentos bastantes engenhosos foram feitos para determinar esse número N, denominado posteriormente Número de Avogradro (Constante de Avogradro), em homenagem ao cientista. Esse número (N) tem como valor aceite actualmente: 6.022.1023 ou 6.02.1023 ou 6.0.1023 Obs: em uma massa em gramas numericamente igual à massa atómica, para qualquer elemento, existem 6.02.1023 átomos. Em uma massa em gramas numericamente iguais à massa molecular (MM), para qualquer substância molecular, existem 6.02. 1023 moléculas. Mol: a unidade de quantidade de substâncias Em química, como trabalhamos com átomos e moléculas, que são extremamente pequenos, vamos tomar, como unidade, os conjuntos formados por 6.02.1023 partículas ( átomos, moléculas, iões etc.) essa unidade recebe o nome de mol. Actualmente por resolução de IUPAC Mol é a quantidade de substancias que contem tantas entidades elementares quanto são os átomos de 12C contidos em 0,012Kg (12g) de 12C. Como em 12g de 12C existem 6,02.1023 entidades. Massa Molar (M) é a massa que contém 6.02.1023 ,entidades. Sua unidade é grama mol-1 (g/mol). O conceito de mol está intimamente ligado à constante de Avogadro (NA) (antigamente chamada de número de Avogadro), onde 1 mol tem aproximadamente 6,022 × 1023 entidades. Este é um número extremamente grande, pois se trata de uma medida da ordem de sextilhões. Exemplos: 1 mol de moléculas de um gás possui aproximadamente 6,022 × 1023 moléculas deste gás, ou seja, seiscentos e dois sextilhões de moléculas. 1 mol de íons equivale a aproximadamente 6,022 × 1023 íons, ou seja, seiscentos e dois sextilhões de íons. 1 mol de grãos de areia equivale a aproximadamente 6,022 × 1023 grãos de areia, ou seja, seiscentos e dois sextilhões de grãos de areia. Mol e massa molar A massa molar é a massa em grama de 1 mol de entidades elementares. A massa atômica e a massa molar de uma mesma substância são numericamente iguais. Por exemplo: Massa atômica do sódio = 22,99 u http://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Avogadro http://pt.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culas http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dons http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Don http://pt.wikipedia.org/wiki/Areia http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_molar http://pt.wikipedia.org/wiki/Grama http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_at%C3%B4mica http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_at%C3%B4mica http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_molar http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_at%C3%B4mica http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3dio http://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_de_massa_at%C3%B4mica 24 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Massa molar do sódio = 22,99 g/mol Massa atômica do cálcio = 40,078 u Massa molar do cálcio = 40,078 g/mol Deve-se ainda saber que 1 mol de diferentes substâncias, possui sempre o mesmo número de partículas. No entanto, a massa contida em 1 mol varia consideravelmente entre as substâncias. Mol e volume molar Volume molar é a razão entre o volume e a quantidade de matéria. Equivale ao volume ocupado por 1 mol de entidades elementares, podendo estar no estado gasoso ou sólido. Nas CNTP e nas CPTP o volume molar de um gás ideal é de aproximadamente 22,4 e 22,7 litros, respectivamente[3]. Para o silício sólido, o volume molar é de aproximadamente 12,06 litros[4]. Em um dos experimentos realizados por Avogadro, foi observado que o volume de um gás é diretamente proporcional ao número de suas partículas. Isto significa que, quanto maior a quantidade de moléculas de um gás, maior será o volume ocupado. http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_molar http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_at%C3%B4mica http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lciohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_de_massa_at%C3%B4mica http://pt.wikipedia.org/wiki/Massa_molar http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lcio http://pt.wikipedia.org/wiki/Volume_molar http://pt.wikipedia.org/wiki/Volume http://pt.wikipedia.org/wiki/Quantidade_de_mat%C3%A9ria http://pt.wikipedia.org/wiki/G%C3%A1s http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido http://pt.wikipedia.org/wiki/Condi%C3%A7%C3%B5es_Normais_de_Temperatura_e_Press%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/Condi%C3%A7%C3%B5es_Padr%C3%A3o_de_Temperatura_e_Press%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/G%C3%A1s_ideal http://pt.wikipedia.org/wiki/Litro http://pt.wikipedia.org/wiki/Mol#cite_note-2#cite_note-2 http://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio http://pt.wikipedia.org/wiki/Litro http://pt.wikipedia.org/wiki/Litro http://pt.wikipedia.org/wiki/Avogadro 25 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 2. DISTRIBUIÇÃO ELECTRONICA E OS NOVOS MODELOS ATOMICOS Modelo Atômico de Böhr (1913) Este físico dinamarquês propôs um aperfeiçoamento do modelo de Rutherford, baseado nos conhecimentos e conceitos da Teoria Quântica e com sustentação experimental em eletroscopia, ele postulou que: Os elétrons descrevem órbitas circulares(camadas) bem definidas, ao redor do núcleo, tendo cada órbita uma energia constante e sendo maior, quanto mais afastado do núcleo for a camada; Os elétrons quando absorvem energia “pulam” para uma camada superior(afastada do núcleo) e quando voltam para o seu nível de energia original liberam a energia recebida, na forma de onda eletromagnética(luz). Estas camadas orbitais constituem a eletrosfera e são denominadas K,L,M,N,O,P e Q. A eletrosfera é uma região do átomo que chega a ser 100 mil vezes maior que o núcleo. Níveis de energia são regiões do átomo onde o elétron pode se movimentar sem ganhar ou perder energia. O n.º máximo de elétron p/ cada nível será: Nível(n) 1 2 3 4 5 6 7 Camada K L M N O P Q N.º de elétrons 2 8 18 32 32 18 2 26 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Modelo de Sommerfield (1916) O modelo de Böhr, porem, não explicava o comportamento de átomos com vários elétrons. A partir do modelo de Böhr, o cientista alemão Arnold J. W. Sommerfield propôs que os níveis de energia(camadas) estariam subdivididos em regiões menores denominadas subníveis de energia. Os subníveis foram chamados de: ( s, p, d, f ) a partir dos nomes técnicos da espectografia –Sharp, Principal, Difuse e Fundamental. Estudos mais apurados, demonstraram a existência de uma ordem crescente de energia e que elétrons de um mesmo subnível possuem a mesma quantidade de energia. Modelo Atômico Actual Schrodinger, em 1926, lançou as bases da Mecânica Quântica Ondulatória, apresentando um novo modelo atômico que é valido ate hoje. No modelo os elétrons passam a ser partículas-onda. Neste novo modelo estão alguns princípios que muda complemente a idéia de que os elétrons são “bolinhas” em movimento rápido, girando em torno do núcleo. Princípio da dualidade: Proposto por De Broglie em 1924, fala que o elétron em movimento está associado a uma onda característica (partícula-onda); Princípio da incerteza: Proposto por Heisenberg em 1926, fala que é impossível calcular a posição e a velocidade de um elétron, num mesmo instante; Princípio do orbital: Estabelecido por Schodinger em 1926, fala que existe uma região do espaço atômico onde haveria maior probabilidade de encontrar o elétron, denominado de orbital. Princípio da exclusão: Estabelecido por Wolfang Pauli em 1925, fala que em um átomo, dois elétrons não podem apresentar o mesmo conjunto de números quânticos. Princípio da máxima multiplicidade: 27 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Estabelecido por Hund, fala que durante a caracterização dos elétrons de um átomo, o preenchimento de um mesmo subnível deve ser feito de modo que tenhamos o maior número possível de elétrons isolados, ou seja, desemparelhados. Em 1932, Chadwick provou que, no núcleo não existiam somente cargas elétricas positivas, mas também, partículas com carga neutra que de certa forma isolam os prótons, evitando repulsões, e por isso foram denominados de nêutrons. 2.1 OS NÚMEROS QUÃNTICOS Dentro do modelo atômico atual, seguindo princípios da Mecânica Quântica, podemos caracterizar cada elétron de um átomo por um conjunto de 4 números quânticos. I - Principal ( n ) II - Secundário ou azimutal ( ) III - Magnético (m ou m ) IV- Spin (S ou ms) I - Número quântico principal ( n ) Estabelece o nível de energia ou camada do elétron que aumenta quanto mais afastado estiver do núcleo. energia crescente Nível(n) 1 2 3 4 5 6 7 Camada K L M N O P Q II - Número quântico secundário ou azimutal ( ) Consiste em um subnível ou seja uma subdivisão dos níveis de energia ou camadas. A Mecânica Quântica estabeleceu valores a variação algébrica de = ( n - 1). Sendo esta variação válida, teoricamente, para cada nível. 28 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Os subníveis foram designados por letras minúsculas s, p, d, f, g. h, i..... , sendo que os quatro primeiros designados a partir dos nomes técnicos da espectografia – Sharp, Principal, Difuse e Fundamental. Nível N Valores matem. = ( n -- 1). Quant. Teórica Subníveis Reais Quant. real subníveis n =1 0 1 S 1 n =2 0, 1 2 s, p 2 n =3 0, 1, 2 3 s, p, d 3 n =4 0, 1, 2, 3 4 s, p, d, f 4 n =5 0, 1, 2, 3, 4 5 s, p, d, f 4 n =6 0, 1, 2, 3, 4, 5 6 s, p, d 3 n =7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 7 S 1 Obs.:Até o momento só são conhecidos os subníveis s, p, d, f. O número quântico secundário permite o cálculo do total de elétrons em cada subnível. Subnível Valor de No subnível N. máximo de elétrons = (2 + 1) S 0 2( 2 x 0 + 1 ) = 2 P 1 2( 2 x 1 + 1 ) = 6 D 2 2( 2 x 2 + 1 ) = 10 29 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata F 3 2( 2 x 3 + 1 ) = 14 Sabendo o total de elétrons que comporta cada subnível podemos calcular também o total de elétrons em cada nível. Camadas Nível (n) Subníveis reais N máximo de elétrons no nível K n =1 S 2 L n =2 s, p 2 + 6 = 8 M n =3 s, p, d 2 + 6 + 10 = 18 N n =4 s, p, d, f 2 + 6 + 10 + 14 = 32 O n =5 s, p, d, f 2 + 6 + 10 + 14 = 32 P n =6 s, p, d 2 + 6 + 10 = 18 Q n =7 S 2 III - Número quântico magnético (m ou m ) O número quântico magnético depende da quantidade de orbitais existentes em cada subnível, sendo identificado por valores positivos, negativos ou zero. A representação didática de um orbital é feita por um quadrado ou círculo: Subnível s ( = 0 m = 0 ) possui um único orbital sou m = 0 m = 0 30 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Subnível p ( = 1 m = -1, 0, 1) ) possui 3 orbitais p ou m = -1 0 1 m = -1 0 1 Subnível d ( = 2 m = -2, -1, 0, 1, 2) ) possui 5 orbitais d ou m = -2 -1 0 1 2 m = -2 -1 0 1 2 Subnível f ( = 3 m =-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3) ) possui 7 orbitais f m = -3 -2 -1 0 1 2 3 m = -3 -2 -1 0 1 2 3 2.2 MAS O QUE É AFINAL UM ORBITAL? Orbital é uma forma deduzida por cálculos matemáticos a partir do princípio que o elétron é uma partícula-onda, não podendo portanto precisar a sua posição exata mas, apenas a probabilidade de onde se encontra no átomo. Vamos imaginar que pudéssemos viajar até o interior de um átomo, e estando lá tirássemos milhares de fotos do elétron enquanto se movimenta, passando depois 31 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata todas as posições para um único diagrama (sobreposição das fotos) teríamos então uma figura imaginária da região denominada orbital. Importante frisar que, os elétrons não estão fazendo orbitas em torno do núcleo atômico, na forma dos orbitais, mas apenas dentro deste provável espaço. Formas matemáticas dos orbitais s e p Observação: O estudo das formas dos orbitais d e f, pela complexidade, não estão no programa do ensino médio. IV- Número quântico Spin (S ou ms) O modelo atômico atual relaciona didaticamente este número quântico ao possível movimento, de rotação (em torno de si mesmo), feito pelo elétron quando age como partícula. Pelo princípio de exclusão de Pauli: um orbital comporta no máximo dois elétrons, com spins contrário, assumindo valores – ½ e + ½ . A representação de um elétron nos orbitais é feita por uma seta para cima quando o spin for positivo e para baixo quando o spin for negativo: Por convenção: Spin positivo + ½ Spin negativo – ½ 32 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 2.3 DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA O cientista Linus Carl Pauling (1904 – 1995) criou um dispositivo prático que dá a ordem crescente de energia dos subníveis. Diagrama de Linus Pauling A ordem que deve ser usada é: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10. Devemos notar que em muitos átomos a ordem crescente de energia difere da ordem de distância ou geométrica, portanto o subnível mais energético nem sempre é o mais afastado do núcleo. Regras para distribuição dos elétrons nos orbitais a)Determina-se o número de elétrons que um átomo tem, a partir do número atômico. b)Distribuímos os elétrons seguindo a ordem do diagrama de Linus Pauling. c)Preenchemos um subnível somente depois que os anteriores estiverem completos. Exemplos: Be = Berílio z = e = 4 1s² 2s² 33 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata C = Carbono z = e = 6 1s² 2s² 2p² ÍONS Um átomo possui o mesmo n.º de prótons e de elétrons, portanto é eletricamente neutro (p = e). Caso o n.º de elétrons, por algum motivo, fique diferente do n.º de prótons, haverá uma carga elétrica resultante e a conseqüente formação de um íon. Quando um átomo ganha elétrons, ele fica com excesso de carga negativa, ou seja, se torna um íon negativo ou ânion. Ex: S-2 Quando um átomo perde elétrons, ele fica com falta de carga negativa e se torna um íon positivo ou Cátion. Ex: Na+1 ou Na+ CAMADA DE VALÊNCIA: é o nível mais afastado do núcleo e que corresponde sempre ao maior valor de n, encontrado na distribuição eletrônica de um átomo ou de um íon. Obs.: O número de elétrons existente na camada de valência dos átomos indicará o comportamento do elemento numa ligação química como também a localização na tabela periódica. 34 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 3. TABELA PERIÓDICA CLASSIFICAÇÃO PERIÓDICA DOS ELEMENTOS ORGANIZAÇÃO DOS ELEMENTOS E PROPRIEDADES PERIÓDICAS HISTÓRICO: Ao longo do tempo vários cientistas tentaram organizar os elementos conhecidos e até mesmo prever a existência de outros. J. W. Döbereiner (1817): Este cientista alemão lançou uma idéia conhecida como lei das tríades por agrupar os elementos de três em três com base em certas semelhanças. Alexander Chancourtois (1862): Este cientista francês lançou a idéia conhecida como parafuso telúrico que constituía em uma superfície cilíndrica com linhas inclinadas em 45º e distribuiu ao longo das linhas os elementos por ordem crescente de massas atômicas. John Newlands (1864): Químico inglês que lançou uma idéia conhecida por lei das oitavas que distribuía por ordem crescente das massas atômicas, observando as propriedades químicas entre os sete primeiros e que como na escala musical se repetiam nas sete seguintes. Dimitri Ivanovitch Mendeleev (1869): Químico russo que estabeleceu uma idéia conhecida por lei periódica dos elementos, que sendo a base da classificação moderna., organizava os elementos em ordem crescente de massas atômicas formando 8-colunas deno-minadas grupos e 12-fileiras horizontais denominadas séries. Hennry Moseley (1913): Este cientista inglês estabeleceu o conceito de carga nuclear (número atômico) como sendo a verdadeira identidade de um elemento químico. Com este novo conceito aconteceram arranjos na tabela periódica ficando mais parecida com a atual tabela periódica dos elementos químicos. 35 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 3.1 ORGANIZAÇÃO E LEI PERIÓDICA: As propriedades dos elementos são funções períódicas de seus números atômicos Com base nessa constatação, foi proposta a tabela periódica atual, na qual os elementos químicos: Estão dispostos em ordem crescente de número atômico (Z); Originam os períodos na horizontal (em linhas); Originam as famílias ou os grupos na vertical (em colunas). 36 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata FAMÍLIAS OU GRUPOS A tabela atual é constituída por 18 famílias. Cada uma delas agrupa elementos com propriedades químicas semelhantes, devido ao fato de apresentarem a mesma configuração eletrônica na camada de valência. Existem,atualmente, duas maneiras de identificar as famílias ou grupos. A mais comum é indicar cada família por um algarismo romano, seguido de letras A e B, por exemplo, IA, IIA, VB. Essas letras A e B indicam a posição do elétron mais energético nos subníveis. No final da década passada, a IUPAC propôs outra maneira: as famílias seriam indicadas por algarismos arábicos de 1 a 18, eliminando-se as letras A e B. FAMÍLIAS A E ZERO Os elementos que constituem essas famílias são denominados elementos representativos, e seus elétrons mais energéticos estão situados em subníveis s ou p. Família (ou grupo) 1º período (ou série) 37 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Nas famílias A, o número da família indica a quantidade de elétrons na camada de valência . Elas recebem ainda nomes característicos. Exemplo: Família IV A Si (Z = 14): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Se ( Z = 34): ???? Resposta: Família VI A FAMÍLIA NOME CONFIGURAÇÃO DA ÚLTIMA CAMADA COMPONENTES 1 A METAIS ALCALINOS Ns Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 2 A METAIS ALCALINOS- TERROSOS ns² Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 3 A FAMÍLIA DO BORO ns² np B, Al, Ga, In, Tl 4 A FAMÍLIA DO CARBONO ns² np² C, Si, Ge, Sn, Pb 5 A FAMÍLIA DO NITROGÊNIO ns² np³ N, P, As, Sb, Bi 6 A CALCOGÊNIOS ns² np O, S, Se, Te, Po 7 A HALOGÊNIOS ns² np F, Cl, Br, I, At 8 A GASES NOBRES ns² np He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn FAMÍLIAS B Os elementos dessas famílias são denominados genericamente elementos de transição. Uma parte deles ocupa o bloco central da tabela periódica, de IIIB até IIB (10 colunas), e apresenta seu elétron mais energético em subníveis d. IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 38 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Exemplo: Fe (Z = 26): 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 4s² 3d6 Família: VIIIB A outra parte deles está deslocada do corpo central, constituindo as séries dos lantanídeos e dos actinídeos. Essas séries apresentam 14 colunas. O elétron mais energético está contido em subnível f (f1 a f14). PERÍODOS Na tabela atual existem sete períodos, e o número do período corresponde à quantidade de níveis (camadas) eletrônicos que os elementos químicos apresentam. RESUMINDO: Período corresponde ao número de camadas do átomo Exemplo: Sódio (Na) – Z = 11======== 1s² 2s² 2p6 3s¹ Período: 3º, Família: IA – Metais Alcalinos OBSERVAÇÕES • O hidrogênio (H), embora apareça na coluna IA, não é um metal alcalino e algumas classificações preferem colocá-lo fora da Tabela. • Todos os elementos situados após o urânio (Z=92) não existem na natureza, devendo, pois, ser preparado artificialmente. São denominados elementos transurânicos (além desses, são também artificiais os elementos tecnécio-43, promécio-61 e astato-85). 3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS ELEMENTOS Hidrogênio Metais Ametais ou não-metais Semi-metais 39 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Gases nobres METAIS Apresentam brilho quando polidos; Sob temperatura ambiente, apresentam-se no estado sólido, a única exceção é o mercúrio, um metal líquido; São bons condutores de calor e eletricidade; São resistentes, maleáveis e dúcteis AMETAIS OU NÃO-METAIS Existem nos estados sólidos (iodo, enxofre, fósforo, carbono) e gasoso (nitrogênio, oxigênio, flúor); a exceção é o bromo, um não-metal líquido; não apresentam brilho, são exceções o iodo e o carbono sob a forma de diamante; não conduzem bem o calor a eletricidade, com exceção do carbono sob a forma de grafite; 40 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata METAIS NÃO-METAIS Geralmente sólidos à temperatura ambiente. Podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. Brilho característico. Não apresentam brilho característico. Bons condutores de calor e eletricidade. Maus condutores de calor e eletricidade. Maleáveis e dúcteis. Não são maleáveis e nem dúcteis. Formam geralmente cátions. Formam geralmente ânions. Maleabilidade → capacidade de ser transformado em lâminas. Ductibilidade → capacidade de ser estirado em fios. Alguns elementos apresentam propriedades intermediárias entre os metais e os não- metais, recebendo o nome de semi-metais ou metalóides. GASES NOBRES Elementos químicos que dificilmente se combinam com outros elementos – hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio. Possuem a última camada eletrônica completa, ou seja, 8 elétrons. A única exceção é o hélio, que possui uma única camada, a camada K, que está completa com 2 elétrons. Artificiais: são os 27 elementos produzidos(sintetizados) artificialmente em laboratório por meio de fusão e fissão nuclear. Estes são classificados em: Cisurânicos: são os que apresentam número atômico inferior a 92. Situados portanto na tabela periódica antes do elemento químico urânio. São eles: tecnécio( Tc = 43), promécio( Pm = 61), astato( At = 85) e frâncio( Fr = 87). Transurânicos: são todos os outros elementos artificiais com número atômico superior a 92. 41 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Quanto a radioatividade: -Radioativos: são todos os elementos de número atômico igual ou superior a 84(polônio). Quanto as propr. físicas e químicas: -Metais: Constituem cerca de 76% dos elementos da tabela, sendo sólidos em condições ambientes( exceção o mercúrio), bons condutores e maleáveis( transformáveis em lâminas). -Ametais ou não metais: São 11 elementos de grande abundância na natureza(exceto o astato – artificial e radioativo) sem brilho e não condutores. Nas condições ambientes quatro são gases (N, O, F, e Cl) um líquido(Br) e os outros sólidos. -Simimetais: São 7 elementos( B, Si, Ge, As, Sb, Te e Po) intermediários entre metais e ametais, sólidos, com brilho metálico, pequena condutibilidade e de fragmentação fácil. Sendo o polônio o único artificial. -Gases nobres: Encontrados na natureza na forma de substâncias simples de moléculas monoatômicas, sendo gases, em condições ambientes e quimicamente inertes(não reagem facilmente). -Hidrogênio:É um elemento atípico, possuindo a propriedade de se combinar com metais, ametais e semimetais, sendo, nas condições ambientes, muito inflamável. 3.3 PROPRIEDADES PERIÓDICAS E APERIÓDICAS Propriedades periódicas São aquelas que, a medida que o numero atomico aumenta, assumem valores crescentes ou decrescentes em cada periodo, ou seja repetem-se periodicamente. Por EX: o numero de electrões na camada de valencia. A) Raio atomico: o tamanho do atomo É uma caracteristica dificil de ser determinada, pois a electrosferade um atomo não tem fronteira. De maneira geral, para comparar o tamanho dos atomos, devemos levar em conta dois factores: a) Numero de nível (Camada): quanto maior o numero de nível, maior será o tamanho do átomo. b) Numero de Protons: o átomo que apresenta maior numero de protons exerce uma maior atracção sobre seus electrons, o que ocasiona uma redução no seu tamanho. 42 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Generalidade Raio atómico numa mesma família: o raio atómico ( tamanho do átomo) aumentade cima para baixo na tabela periódica, devido ao aumento do numero de níveis. Raio atómico num mesmo período: o tamanho do átomo aumenta da direita para a esquerda na tabela priodica, devido a diminuição do numero de protons nesse sentido, o que diminui a força de atracção sobre os electrões. B) Energia de ionização: É a energia necessaria para remover um ou mais eletroes de um atomo isolado no estado gasoso. Generalidade Quanto maior o tamanho do atomo, menor será a energia de ionização. Energia de ionização numa mesma familia: a energia de ionização aumenta de baixo para cima. Energia de ionização num mesmo periodo: a E.I aumenta da esquerda para a direita. C) Afinidade electrónica ou electroafinidade: É a energia liberada quando um atomo isolado, no estado gasoso, “captura” um electron. Generalidade Uma familia ou num periodo, quanto menor o raio, maior afinidade electronica. A variação da afinidade electronica na tabela priodica aumenta de baixo para cima e da esquerda para a direita. D) Electronegatividade É a força de atração exercida sobre os electrões de uma ligação. Quanto a variação a electronegatividade na tabela periodica cresce de baixo para cima e da esquerda para a direita. A electronegatividade relaciona-se com o raio atomico: de maneira geral quanto menor o tamanho do atomo, maior será a força de atracção sobre os electroes. 43 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata E) Densidade Experimento verifica-se: a) Entre os elementos das famílias IA e VIIA, a densidade aumenta, de maneira geral, de acordo com o aumento das massas atómicas, ou seja, de cima para baixo. b) Num mesmo período, de maneira geral, a densidade aumenta das extremidades para o centro da tabela. Assim os elementos de maior densidade estão situados na parte central e inferior da tabela periodica, sendo o Osmio (Os) o elemento mais denso 22,5g/cm³. RESUMO Definição: propriedades dos elementos, são as propriedades que variam em função dos números atômicos dos elementos. Podem ser de dois tipos: Aperiódicas: são as propriedades cujos valores aumentam ou diminuem continuamente com o aumento do número atômico. 44 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Periódicas: são as propriedades que oscilam em valores mínimos e máximos, repetidos regularmente com o aumento do número atômico. 3º período (ou série) 4º período (ou série) 5 º p e rí o d o ( o u s é ri e ) 45 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 7º período (ou série) Série dos Lantanídeos Série dos Actinídeos n° atômico Valor numéricoMassa Atômica n° atômico Valor numérico Calor Específico 46 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata F Fr F Fr R. Atômico / Eletrop. / Reat. M. 47 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 4-LIGAÇÕES QUÍMICAS Conceitos Tipos Ligações iónicas Ligações covalentes Polaridade das ligações Reações químicas DEFINIÇÃO: Ligações químicas são uniões estabelecidas entre átomos para formarem as moléculas, que constituem a estrutura básica de uma substância ou composto. Na Natureza existem aproximadamente uma centena de elementos químicos. Os átomos destes elementos químicos ao se unirem formam a grande diversidade de substâncias químicas. O estudo das interações atômicas nos ajuda a compreender a formação das substâncias e por conseguinte a real estrutura da matéria. O átomo em seu estado natural esta eletricamente equilibrado ou seja cargas positivas em igualdade com as negativas (n.º de prótons = n.º de elétrons ), mas os elétrons localizados nas últimas camadas, quando estão desemparelhados em seus orbitais ou camadas incompletas criam uma certa instabilidade na região daeletrosfera. Todos os átomos (exceto os gases nobres) buscam a união com outros átomos pra conseguirem estabilidade em suas eletrosferas. O conhecimento deste processo de busca pela estabilidade (tipos de ligações) permitem aos cientístas prever o comportamento dos átomos e até mesmo criem novas substâncias. 48 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 4.1-TEORIA DO OCTETO Os cientistas Kossel (alemão), Lewis (americano) e Langmuir (americano), no início do século 20, ao estudarem e observarem o comportamento dos gases nobres e compararem com os outros elementos, notaram que, principalmente os elementos denominados representativos, ao se unirem com outros elementos estavam na verdade buscando uma estabilidade em suas distribuições eletrônicas. Em 1919 então, Langmuir enunciou a teoria do octeto: “ os átomos se ligam para obter uma configuração estável, assim como à dos gases nobres.” O nome octeto vem do fato de que, exceto o hélio, todos os gases nobres possuem oito elétrons em sua ultima camada. Embora existam muitas exceções para esta teoria ela serve para explicar a formação da maioria das substância na natureza. Valência: Valentia, poder de combinação ou valência de um átomo é o numero de ligações que ele deve fazer para alcançar a estabilidade, ou seja, completar o octeto. Como este poder de combinação esta relacionado com a camada eletrônica mais externa, ela passa a ser chamada de camada de valência ou nível de valência. Esquema de Lewis : É a forma de representar um elemento químico com suas camadas de valência, por sinais em torno do símbolo do elemento. Ex.:Observando a tabela periódica dedu-zimos o seguinte quadro: Famílias Valências I A VII A 1 II A VI A 2 III A V A 3 IV A 4 C gostaria de ganhar 4 electrões N gostaria de ganhar 3 electrões O gostaria de ganhar 2 electrões 49 PREPARATÓRIO CEEF MANUALDE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata 4.2 LIGAÇÃO IÔNICA IÔNICA: : caracterizada pela transferência de elétrons. Quando ocorrem ligações entre íons positivos (cátions) e negativos (ânions) denominamos de Ligações Iônicas. Essa ligação é a única em que a transferência de elétrons é definitiva. Uma ligação iônica envolve forças eletrostáticas que atraem íons de cargas opostas. Íons são átomos em desequilíbrio elétrico e apresentam carga positiva ou negativa. Ocorre entre: METAL e AMETAL METAL e HIDROGÊNIO Esse tipo de ligação geralmente ocorre entre um átomo ou agrupamento de átomos que tem tendência a ceder elétrons e um átomo ou agrupamento de átomos que tem tendência a receber elétrons. Os átomos que apresentam facilidade em perder elétrons, são em geral os metais das famílias IA, IIA e IIIA, e os que recebem elétrons são os ametais das famílias VA, VIA e VIIA. Os compostos iônicos, em geral, apresentam altos pontos de fusão e ebulição, são sólidos, duros e quebradiços e solubilizam-se facilmente em solventes polares. Formação do composto iónico. Arranjos entre compostos iônicos formam substâncias iônicas. Tudo começa quando os íons unem-se devido às forças de atração eletrostática. Se observarmos por um 50 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata microscópico, perceberemos a formação de retículos cristalinos, que são aglomerados de íons de forma geométrica bem definida. Os sais e outros grupos de minerais possuem íons que formam compostos iônicos e, conseqüentemente, substâncias iônicas. O cloreto de sódio (o sal de cozinha) é um exemplo de substância iônica, formada de inúmeros aglomerados iônicos. O arranjo entre os cátions sódio (Na+) e os ânions cloreto (Cl -), que se atraem fortemente por terem cargas contrárias, forma a substância cloreto de sódio. Estrutura Eletrônica de Lewis Ex de ligação iônica: Cloreto de sódio Propriedades dos compostos iônicos: São sólidos nas condições ambiente Apresentam altos pontos de fusão e ebulição São condutores de eletricidade quando no estado liquido (fundidos) ou quando dissolvidos em água. A maioria dos compostos são solúveis em água. 51 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata DETERMINAÇÃO DA FÓRMULA DE UM COMPOSTO IÔNICO ALGUNS CÁTIONS: Grupo 1 Grupo 2 Grupo 13 H+ Mg2+ Al3+ Li+ Ca2+ Na+ Sr2+ K+ Ba2+ 4.3 LIGAÇÃO COVALENTE Ligação covalente: formação de pares eletrônicos A ligação covalente é caracterizada pelo compartilhamento de um ou mais pares de Elétrons entre átomos, causando uma atração mútua entre eles, que mantêm a molécula resultante unida. Átomos tendem a compartilhar elétrons de modo que suas camadas eletrónicas externas sejam preenchidas e eles adquiram uma distribuição eletrónica mais estável. A força dessas ligações é maior que a das interações intermoleculares e comparável à da ligação iônica. Ligações covalentes normalmente ocorrem entre átomos com eletronegatividades similares e altas (geralmente entre dois não-metais), dos quais remover completamente um elétron requer muita energia. http://pt.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo http://pt.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Camada_eletr%C3%B3nica&action=edit&redlink=1 http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Distribui%C3%A7%C3%A3o_eletr%C3%B3nica&action=edit&redlink=1 http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Distribui%C3%A7%C3%A3o_eletr%C3%B3nica&action=edit&redlink=1 http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga%C3%A7%C3%A3o_i%C3%B4nica http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletronegatividade 52 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata Esse tipo de ligação tende a ser mais forte que outros tipos de ligações, como a iônica. Ao contrário das ligações iônicas, nas quais os íons são mantidos unidos por atração coulômbica não direcional, ligações covalentes são altamente direcionais. Como resultado, Moléculas covalentemente ligadas tendem a formar-se em um número relativamente pequeno de formas características, exibindo ângulos de ligação específicos. Ocorre entre: AMETAL e AMETAL AMETAL e HIDROGÊNIO PROPRIEDADES DOS COMPOSTOS MOLECULARES: São sólidos, líquidos ou gasosos nas condições ambiente Forte atração interatômica; Não garante forte atração entre moléculas (geralmente fraca). Ex: diamante (elevada dureza), Metano (condensação a - 161 oC) Apresentam baixos pontos de fusão e ebulição (comparados aos iônicos) São maus condutores de eletricidade, alguns podem conduzir quando em meio aquoso (ionização). A maioria dos compostos são solúveis em solventes orgânicos. http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Don 53 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata LIGAÇÕES COVALENTE COORDENADA (DATIVA): Ligação Covalente Coordenada: Também recebe o nome de Ligação Covalente Dativa, ela é representada por um pequeno vetor (seta). Essa ligação obedece a Teoria do Octeto: Os átomos se unem tentando adquirir oito elétrons na camada de valência, ou seja, a configuração eletrônica dos gases nobres. Sendo assim, um átomo que já atingiu a estabilidade eletrônica se une a outro que necessite de elétrons para completar a camada de valência. Um exemplo dessa ligação é quando um átomo de enxofre (S) se liga a dois de oxigênio (O) para formar o dióxido de enxofre (SO2). O = S→ O. Exemplo de ligação covalente dativa N2O (Oxido nitroso) Um dos nitrogénios faz uma ligação dativa com o oxigénio. É importante lembrar que só acontece uma ligação dativa se não for mais possível realizar ligação covalente molecular. A ligação covalente dativa é representada por uma flecha (-->) Polaridade das ligações: a) Ligações Polares: entre átomos diferentes. b) Ligação Apolar: entre átomos iguais. A ligação covalente se forma quando os átomos que estão envolvidos em uma reação tendem a receber elétrons. Ligação Covalente Molecular: nessa ligação os pares eletrônicos são unidos devido ao compartilhar de seus elétrons, uma vez que é impossível todos os átomos 54 PREPARATÓRIO CEEF MANUAL DE QUÍMICA 2019/2020 Autor: José Funata receberem elétrons sem cedê-los. Cada par eletrônico é formado por um elétron de cada átomo e pertence simultaneamente aos dois átomos. As moléculas são estruturas eletricamente neutras, porque não ocorre nem ganho nem perda de elétrons. Por essa razão, essa ligação também é designada molecular. A água (H2O) é um composto molecular determinado pela ligação de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. H − O − H ORDEM DE LIGAÇÃO Ordem de ligação é um termo científico usado para descrever o número de pares eletrônicos compartilhados entre os átomos que formam a ligação covalente. O tipo mais comum
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