Os elétrons - Resumo

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13 de Junho de 2018
Os elétrons
● A mecânica quântica introduziu a teoria que considera a quantização da energia eletrônica,
maior contribuição de Bohr.
○ Ela extrapola a teoria de Bohr.
○ Fornece uma explicação legítima para quantização da energia eletrônica.
● A mecânica clássica é baseada nas leis do movimento.
○ Mas falha ao descrever o movimento de um elétron.
○ A partir daí surge a mecânica quântica.
● O Princípio da Incerteza de Heisenberg diz que é impossível conhecer de forma simultânea e
com certeza a posição e o momento de uma pequena partícula.
○ Nenhum instrumento pode “sentir” ou “ver” um elétron sem influenciar intensamente
o seu movimento.
● Se fosse feito um microscópio de altíssima precisão para vê um elétron seria preciso que
emitisse raios x ou Gama.
○ Mas a energia desses raios é tão alta que mudaria a velocidade da partícula.
● Qualquer retrato físico ou qualquer modelo mental da estrutura eletrônica do átomo não
descreveram de forma precisa e simultânea a localização do elétron nem descrever seu
movimento.
● Segundo a teoria de Bohr, a mecânica quântica descreve um conjunto de níveis de energia
eletrônica quantizadas.
○ Quantidades discretas e específicas de energia que um elétron pode possuir.
● Os orbitais correspondem aos estados individuais que podem ser ocupados por um elétron
em um átomo.
○ Cada orbital no átomo acomoda no máximo dois elétrons.
○ Quando dois elétrons ocupam o mesmo orbital diz-se que estão emparelhados.
● O spin é uma propriedade possuída pelos elétrons.
○ Elétrons se comportam como se pudessem apresentar spin em qualquer das
direções opostas.
■ Essa evidência foi alcançada pelos físicos Otto e Walther.
○ O experimento consistia na passagem de um feixe de átomos metálicos,
vaporizados, por um campo magnético não homogêneo.
■ As partículas sofrem um desvio devido ao spin dos elétrons.
■ Isso graças aos elétrons desemparelhados presentes em alguns átomos.
● Dois elétrons com spin em direções opostas são ditos spin antiparalelos.
○ Dois elétrons só serão paralelos se estiverem em orbitais distintos.
● Uma substância que contém um ou mais elétrons desemparelhados é fracamente atraída por
um campo magnético.
○ Isso é chamado de paramagnetismo.
○ Pelo uso de grandes ímãs podem ser feitas
medidas precisas.
● Os orbitais serão representados por pequenas linhas
horizontais, __. Ou também podem ser um quadrado ou
um círculo.
● Os orbitais em um átomo são agrupados em conjuntos
chamados de subcamadas.
○ Em seu estado fundamental, quatro tipos de
camadas são ocupadas pelos elétrons: s, p, d, f.
○ Essas subcamadas consistem em 1, 3, 5 e 7
orbitais.
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● Um agrupamento de subcamadas é denominado camadas.
○ Todos elétrons em uma dada camada estão a uma mesma distância do núcleo.
○ Métodos para designar uma camada:
■ O primeiro é o número quântico principal, representado por n.
■ A segunda forma é utilizando letras
○ O número de subcamadas é o mesmo valor do número quântico principal da camada
correspondente.
○ O número total de elétrons em camada depende do número total de orbitais e é dado
por 2n2.
● Diagrama de orbitais pode ser usado na previsão das configurações eletrônicas dos átomos
no estado fundamental.
○ Estado fundamental significa menor energia.
○ Os orbitais são preenchidos, elétron por elétron, da
camada menos energética para a mais energética.
○ Os elétrons desemparelhados nos diferentes orbitais têm
spins paralelos.
● A regra de Hund diz que os elétrons em uma subcamada tendem
a permanecer desemparelhados, em orbitais separados, com
spin paralelos.
● Uma representação mais simples mostra em cada orbital as
subcamadas ocupadas e introduz um índice para indicar o
número de elétrons.
○ É mais simples, mas não indica o número
número de elétrons em cada orbital individual.
● O método utilizado para determinação das
configurações eletrônicas no estado fundamental é
conhecida por procedimento de Aufbau.
○ Esse preenchimento são para átomos
gasosos, isolados e no estado fundamental.
● A sequência de preenchimento das subcamadas é
mostrada pela figura ao lado.
○ Esse diagrama é conhecido como diagrama
de Pauling.
● Planck e Einstein mostraram que a energia é
“acondicionada” em pequenos crepúsculos.
○ Eles são chamados de quanta (singular de
quantum).
● O nome fóton é dado a um quantum de qualquer espécie de energia radiante, sendo a luz
um exemplo.
● A energia radiante tem natureza dualística.
● A dualidade partícula-onda da energia eletromagnética é similar à dualidade dos elétrons.
● A relação entre energia total e massa é dada pela equação: E = mc2
● Igualando essa equação com a expressão de Planck chega-se a:
𝑚 = ℎυ𝑐²
● Como frequência é a razão entre a velocidade da luz no vácuo pelo comprimento de onda
tem-se:
λ = ℎ𝑚ν
○ A proposta de De Broglie foi relacionar os dois aspectos dualista da luz.
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■ Ele tentou associar a natureza dualística da luz ao comportamento do
elétron.
■ Mas diferente da luz, os elétrons se movimentam em diferentes velocidades.
■ Por isso a substituição do c pelo v.
○ Admitindo-se que um elétron tem propriedades ondulatórias, de acordo com esta
equação, seu comprimento de onda depende da sua velocidade.
● A hipótese de De Broglie foi por dois grupos de físicos em experimentos que mostravam a
que é possível chegar a difração do elétron.
● A difração pode ser explicado somente em termos do movimento da onda.
● Usando a relação de De Broglie e a previsão da distância entre as linhas de uma grade de
difração foi possível chegar ao comprimento de onda do elétron.
○ Como a difração somente pode ser explicado em termos do movimento de ondas, os
resultados dos experimentos são uma forte sustentação para a propriedade
obrigatória do elétron.
● Todas as partículas deveriam ter propriedades semelhantes às das ondas.
● A onda descrita anteriormente é chamada de onda corrente ou onda viajante.
● O comportamento de um elétron é semelhante ao
de uma onda estacionária tridimensional.
○ Uma onda produzida por uma corda de
violão é um exemplo de onda estacionária
unidimensional.
○ Uma corda esticada pode vibrar de várias
maneiras.
■ Tudo depende da quantidade de
nós e antinós.
● Ondas estacionárias também podem ser
produzidas em meio bidimensional.
● As ondas estacionárias tridimensionais são as
mais comuns, mas também são as mais difíceis de
visualizar.
○ Nessa os nós não são pontos ou linhas, são superfícies.
● Pode-se descrever qualquer movimento ondulatório por uma equação matemática conhecida
por equação de onda.
○ Conhecida por equação de Schrödinger.
○ Essa equação é do tipo diferencial.
○ Cada solução corresponde a um modo de vibração normal.
○ Algumas das informações encontradas pela equação:
■ Frequência, comprimento, energia e número de nós e antinós.
● Na mecânica quântica não é necessário admitir a quantização de níveis de energia.
● Cada solução da equação de Schrödinger é chamada de função de onda, representado pela
letra grega Ψ (psi).
○ Usa-se índices para representar um elétron em uma orbital da subcamada.
● Ψ2 é o valor mais importante.
○ Probabilidade de encontrar um elétron numa estreita região específica específica
espaço.
○ Não contradiz o princípio da incerteza.
○ Fornece uma probabilidade por unidade de volume, chamada densidade de
probabilidade.
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● Para o orbital 1s a probabilidade de encontrar um elétron é esfericamente simétrica.
● Uma outra maneira descrever a distribuição da densidade de probabilidade é construindo
uma superfície.
○ São chamadas superfícies-limites construídas encerrando uma grande porcentagem,
por exemplo 70%, de carga eletrônica.
○ A fatia bidimensional da superfície-limite é conhecida como diagrama de contorno.
○ Um nó é a extremidade de uma superfície onde a probabilidade de encontrar aquele
elétron é zero.
● A densidade de probabilidade total em qualquer ponto no espaço é duas vezes maior para
dois elétrons no mesmo orbital.
● Uma maneira de designar umelétron é usando os quatro números quânticos.
○ O primeiro é o número quântico principal, n.
■ Representa as camadas.
■ Distância média do elétron ao núcleo.
■ Representado por números inteiros.
○ O segundo é o número quântico azimutal, l.
■ Especifica a subcamada, a forma do orbital.
■ Vai de zero até n-1.
○ O terceiro é o número quântico magnético, ml.
■ O termo refere-se ao fato dos orbitais de certa camada possuem diferentes
energias quantizadas na presença de um campo magnético.
■ O seu valor vai de - l a + l.
○ O quarto número é o número quântico spin, ms.
■ Tem valor de + ½ e - ½.
● O Princípio de exclusão de Pauli diz que não existem dois elétrons num átomo com os
mesmos valores para todos os números quânticos.
● Os valores dos números quânticos principal e azimutal são relativos ao número de nós, ou à
distribuição da densidade de probabilidade da nuvem eletrônica.
○ n especifica o número total de nós na nuvem eletrônica.
○ O azimutal especifica o número de nós angulares.
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