Quimica_geral_aula4_26.09.2012

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27/09/2012
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Universidade Federal de Minas Gerais
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Química
Estrutura Atômica da Matéria
Profa. Dayse Carvalho da Silva Martins
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Estrutura Atômica da Matéria
� O que são átomos?
� Para os pensadores gregos Leucipo (séc. V a.C.) e
Demócrito (460-370 a.C.), cada uma das partículas minúsculas,
eternas e indivisíveis, que se combinam e desagregam movidas
por forças mecânicas da natureza, determinando desta maneira
as características de cada objeto.
� Século XVII: estudo dos gases impulsiona o ressurgimento
da ideia de átomo.
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� Lei da Conservação da Massa (Lavoisier): em reações
químicas não ocorrem perdas ou ganhos mensuráveis de
massa. A massa é conservada.
� Lei das Proporções Definidas (Proust): os elementos, em
um dado composto, estão sempre combinados na mesma
proporção de massa.
� John Dalton (1766 – 1844): de maneira empírica,
estabeleceu sua teoria atômica por meio de alguns postulados.
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� Teoria: é um princípio unificador que explica um conjunto de
fatos e/ou as leis que neles se baseiam.
� Postulado: o que se considera como fato reconhecido e
ponto de partida, implícito ou explícito, de uma argumentação;
afirmação ou fato admitido sem necessidade de demonstração.
(Houaiss)
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1. A matéria é constituída por partículas
extremamente pequenas denominadas átomos.
2. Os átomos são indestrutíveis. Em reações químicas, os átomos mudam
suas posições relativas, mas permanecem inalterados.
3. As massas e outras propriedades dos átomos de um dado elemento
(substância) são todas iguais. As massas e outras propriedades dos
átomos de elementos diferentes são diferentes.
4. Quando átomos de elementos diferentes combinam-se para formar
compostos, são formadas novas partículas mais complexas. Em um
dado composto, no entanto, os átomos constituintes estão sempre
presentes em quantidades com a mesma razão numérica.
Modelo Atômico de J. Dalton (1766 – 1844) 
1807
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Desde então, o conceito de ÁTOMO torna-se um conceito
estruturante e unificador da Química.
No mesmo ano em Dalton expõe sua teoria:
-a pilha de Volta chega aos laboratórios
químicos
Com a revelação da natureza elétrica da matéria, o modelo evoluiu para
acomodar as cargas � modelo atômico de Thomsom
Modelo Atômico de J. Dalton (1766 – 1844) – 1807
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Modelo Atômico de J. J. Thomson (1856 – 1940) – 1897
� Raios Catódicos
� Diferentes metais foram usados na construção do cátodo e
ânodo, e os resultados sempre eram os mesmos.
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� J. J. Thomson atribuiu que os raios catódicos eram constituídos por
partículas carregadas negativamente e que possuíam massa.
� Experimento de J. J. Thomson
ELÉTRONS (divisibilidade do átomo)
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�Determinou a relação carga/massa para o elétron: 1,76 × 108 C/g.
Deflexão eletrostática = Deflexão magnética
e = E x θE
m B2 x l
� Experimento de J. J. Thomson
e = carga do elétron
m = massa do elétron
E = campo elétrico
θE = ângulo de deflexão
B = campo magnético
l = distância percorrida pelos raios catódicos
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� Experimento de R. A. Millikan (Gota de Óleo)
� R. A. Millikan (1868 - 1953) determinou a carga associada ao
elétron, realizando o “experimento da gota de óleo”.
Medida da massa do e-
(1923 Prêmio Nobel de Física)
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� Experimento de R. A. Millikan (Gota de Óleo)
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� Representação do Modelo de J. J. Thomson
Carga do e- = 1,60 × 10-19 C
Massa do e- = 9,11 × 10-31 kg
� Prêmio Nobel de Física - 1906 “em reconhecimento dos grandes méritos de suas investigações
teóricas e experimentais sobre a condução de eletricidade por gases”
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�Modelo de J. J. Thomson
O átomo deixou de ser indivisível, mas por hábito, tradição
ou pela ausência de um vocabulário adequado, o nome
(ÁTOMO) permanece até hoje.
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Modelo Atômico de E. Rutherford (1871 – 1937) – 1908
� Radioatividade
� H. Becquerel (1896) descobriu que o urânio
(blenda resinosa) emitia radiação espontaneamente.
� Marie Curie (estudante de Becquerel) conduziu estudos
sobre essa radiação.
�Foram identificados três tipos de radiação: α (alfa), β (beta) e γ
(gama) que diferem quanto ao comportamento em um campo
elétrico.
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� Experimento de E. Rutherford (H. Geiger & E. Marsden)
�“Foi tão inacreditável
como se tivéssemos
disparado uma bala de
15 polegadas (cerca de
38 cm) contra uma folha
de papel de seda e ela
voltasse e nos atingisse.”
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� Em 1911, baseado nos resultados do experimento, Rutherford
postulou que o átomo possuía um núcleo, que continha carga
positiva e era altamente denso.
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� A composição do núcleo foi descoberta por Rutherford (prótons) e
Chadwik (nêutrons).
Partícula Símbolo Carga* Massa (kg)
Elétron e- -1 9,109 × 10-31
Próton p +1 1,673 × 10-27
Nêutron n 0 1,675 × 10-27
Quadro 1. Propriedades das partículas subatômicas.
*As cargas são dadas como múltiplos da carga de um próton, que vale nas
unidades do SI 1,602 × 10-19 C.
Prêmio Nobel – 1908: “Por suas
investigações sobre desintegração de
elementos, e a química de substâncias
radioativas"
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� Um pouco mais sobre a estrutura do núcleo (...
� As partículas constitutivas dos núcleos atômicos são chamadas de núcleons, que
podem ser prótons ou nêutrons.
� Prótons e nêutrons são partículas da classe dos bárions, constituídas de outras
partículas subatômicas menores, denominadas quarks.
� O próton é constituído de dois quarks up e um quark down, mantidos unidos pela
força nuclear forte, mediada por partículas denominadas glúons.
� O nêutron é constituído de um quark up e dois quarks down. Um nêutron pode se
converter em um próton por meio do decaimento beta, o qual envolve a mudança de
sabor de um quark (força nuclear fraca).
Próton Nêutron
)
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Descrição Clássica do Átomo
+
núcleo 
r
-
elétron
� Força de Atração Eletrostática
Força de Coulomb - força de atração entre um
elétron e um núcleo.
Lei da Força de Coulomb
F(r) = (-e)(e)
4piε0r
2
(-e)2
4piε0r
2=
r = distância entre duas cargas
e = valor absoluto da carga de um elétron
ε0 = constante permissividade do vácuo (8,854 x 10-12 C2J-1m-1 )
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20
2ª Lei de Newton
F = m.a
+
núcleo 
r
-
elétronForça = massa x aceleração 
F = m.(dv/dt) = m(d2r/dt2)
Substituindo pela 
força Coulômbica
rinicial = 10 Å (10-10 m)
r = 0 em 10-10 s
Elétron deveria atingir o núcleo em 0.1 ns
O QUE HÁ DE ERRADO ENTÃO ??
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Leis da mecânica clássica
Não são adequadas para a descrição dos
átomos (mundo microscópico).
����Mecânica Quântica
� O entendimento da estrutura eletrônica
dos átomos veio da análise da luz emitida
ou absorvida pelas substâncias
����Natureza Ondulatória da Luz
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Natureza Ondulatória da Luz
� Radiação Eletromagnética (é o produto de campos
magnéticos e elétricos oscilantes).
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� Conceitos Importantes sobre Ondas
0
amplitude 
positiva
amplitude 
negativa
-a
+a
λλλλ
� Amplitude: desvio do nível médio.
� Comprimento de onda (λ): distância entre dois máximos sucessivos.
� Frequência (ν) : número de ciclos por unidade de tempo
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Fenômenos não explicados pelo comportamento 
ondulatório da luz
� Emissão de luz por objetos quentes - Radiação de Corpo
Negro
� Emissão de elétrons a partir de uma superfície metálica onde
a luz incide - Efeito Fotoelétrico
� Emissão de luz a partir de átomos de gás excitados
eletronicamente – Espectros de Emissão
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�Radiação de Corpo Negro (Max Planck)
� Quando um objeto é aquecido, ele brilha com maior intensidade
(incandescência), e a cor da luz emitida passa sucessivamente do
vermelho ao laranja e ao amarelo, até chegar ao branco.
↑↑↑↑ T →→→→ ↓λ↓λ↓λ↓λ
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�Radiação de Corpo Negro (Max Planck)
� Usando a mecânica clássica (Rayleigh-Jeans):
I = (8pikT)
λ4
E = h νννν
Prêmio Nobel - 1918 “em
reconhecimento aos serviços
prestados para o avanço da
física e a descoberta dos
quanta de energia"
h = 6,6260693 x 10-34 J.s
�Absurdo: para λ na região doultravioleta
teríamos uma intensidade tendendo ao
infinito, o que viola a lei da conservação da
energia.
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Questão 01. Bolhas de sabão são coloridas porque elas refletem luz com
comprimentos de onda iguais às espessuras das paredes da bolha.
Determine a energia da radiação que é refletida por uma bolha de sabão
de 6 nm de espessura.
Questão 02. Experimentalmente encontrou-se que quando é feita a ligação
entre átomos de hidrogênio para gerar a molécula H2, são liberados 436,4
kJ de energia por mol de H2 formado. Determine o comprimento de onda
da radiação para romper a ligação química entre os átomos de uma
molécula de hidrogênio.
Questão 03. A análise espectral cuidadosa mostra que a luz amarela das
lâmpadas de sódio é composta de fótons de λ igual a 589,0 nm. Qual é a
energia (em joules) dos fótons que possuem esse comprimento de onda?
� Exercitando seus conhecimentos...
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� Efeito Fotoelétrico (Einstein)
1. Nenhum elétron é ejetado até que a radiação
tenha frequência acima de um determinado
valor (limiar fotoelétrico), característico do
metal.
2. Os elétrons são ejetados imediatamente, por
menor que seja a intensidade da radiação.
3. A energia cinética dos elétrons ejetados
aumenta linearmente com a frequência da
radiação incidente.
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� Efeito Fotoelétrico (Einstein)
Luz � propriedade de partícula
Essas “partículas sem massa” � FÓTONS
(pacotes de energia)
Prêmio Nobel - 1921 “pelos seus serviços a
Física Teórica e especialmente por sua
descoberta da lei do efeito fotoelétrico"
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� Espectro Contínuo
� Quando a luz branca atravessa um prisma, obtém-se um espectro
contínuo de luz.
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Espectro de linhas de emissão do hidrogênio
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OBS: coloquei uma marcações em preto para indicar onde estão as linhas
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� Espectro de Linhas
� Cada linha espectral vem de uma transição específica. A análise do
espectro permite construir um diagrama de níveis de energia para o átomo.






−= 2
2
2
1
111
nn
RHλ
� Primeiros passos: Balmer e Rydberg
�A Equação de Rydberg:
para n2 > n1
RH = 2,18 x 10-18 J
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Baseando-se nas descobertas de Rutheford e nas ideias de Plack, Eintein e
nos achados sobre o espectro de linhas....
� O elétron em um átomo de hidrogênio se desloca ao redor do núcleo do
átomo em uma órbita circular.
� A energia do elétron em uma determinada órbita é proporcional à sua
distância até o núcleo.
� São permitidas somente órbitas com determinadas energias (a energia do
elétron em um átomo é quantizada).
� Postulados para o Modelo de N. Bohr (1885 – 1962)
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� O modelo de Bohr explica o padrão simples de linhas vistas no espectro
do hidrogênio.






−= 2
1
n
RE H
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Série de Lyman (n1 = 1) região UV
Série de Balmer (n1 = 2) região de visível e UV
Série de Paschen (n1 = 3) região do IV próximo
Série de Brackett (n1 = 4) região do IV
� O modelo de Bohr explica o padrão simples de linhas vistas no espectro
do hidrogênio.
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Efóton = ∆E = E1 – E2
E1 = -RH ( )1n21
E2 = -RH ( )1n22
2 1
∆E = RH ( )1n2
1
n2
n1 n2
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Efóton => 2.18 x 10-18 J x (1/9 - 1/25)
Efóton => ∆E = -1.55 x 10-19 J
λ = 6.63 x 10-34 (J•s) x 3.00 x 108 (m/s)/1.55 x 10-19J
λ = 1280 nm
Calcule o comprimento de onda (em nm) de 
um fóton emitido por um átomo de H quando 
seu elétron migra do estado n = 5 para o 
estado n = 3.
Efóton = h x c / λ
λ = h x c / Efóton
2 1
∆E = RH( )1n2 1n2Efóton =>
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Lembrar que:
n1 = 5 e n2 = 3
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fóton emitido
fóton emitido
fóton absorvido
fóton absorvido
� Absorção e Emissão de Fótons
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� Bohr introduziu o conceito de quantização de energia na descrição da
estrutura eletrônica.
� Modelo teórico é válido porque tem concordância com dados
experimentais.
�LIMITAÇÃO: a teoria de Bohr se aplica apenas ao átomo de hidrogênio
e/ou átomos hidrogenóides (átomos que contem apenas 1 elétron, como o
He+) .
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1. A luz de frequência 7,100 × 1014 Hz está na região violeta do espectro
visível. Calcule o comprimento de onda (em nm) e a energia referente a
1 mol de fótons dessa radiação.
2. Quais das seguintes substâncias, Ta (4,200) ou Ba (2,500) (função
trabalho, em eV), podem ser usadas para confeccionar uma fotocélula
para ser usada com luz visível? Dado: 1eV = 1,6022 x 10-19 J.
3. Considerando o átomo de hidrogênio, calcule a variação de energia
quando um elétron decai da 5ª órbita de Bohr para o estado
fundamental. Indique em qual região do espectro eletromagnético está
localizada essa radiação.
4. Considerando o íon hidrogenóide Na10+, calcule a variação de energia
quando um elétron decai da 5ª órbita de Bohr para o estado
fundamental.
� Revisando Conceitos...
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Sugestão de leituras:
-Kotz – volume 1
- Brown – volume único