O átomo de Dalton O átomo de Thomson O átomo de Rutherford O átomo moderno Isótopos Abundância isotópica e determinação de massas atômicas O átomo de

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1 Estrutura atômica O átomo de Dalton O átomo de Thomson O átomo de Rutherford O átomo moderno Isótopos Abundância isotópica e determinação de massas atômicas O átomo de Bohr 2 1

2 Por que estudar os átomos??? Os átomos são os componentes fundamentais da matéria. Os átomos são o ponto central da química: quase todos os fenômenos químicos podem ser explicados em termos das propriedades dos átomos. Tudo começou há muito tempo atrás... Por volta de 400 ac: Os filósofos gregos acreditavam que a matéria era formada por pequenas partículas indivisíveis denominadas átomos... Átomo: indivisível *Do grego: a: não tomo: divisão. 3 A teoria atômica de Dalton (1803) Toda matéria é composta de partículas fundamentais, os átomos. Os átomos são esferas maciças e indivisíveis, não podem ser criados nem destruídos. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos em todos os aspectos. Durante uma reação química, os átomos não são criados e nem destruídos, sofrem um rearranjo. Substâncias químicas são formadas por átomos de dois ou mais elementos em uma razão fixa. John Dalton ( ) Fonte: Brown, T. L., et al. Química A ciência central. 9ª ed. Pearson Education Inc.,

3 Explicou com sucesso: Por que a massa é conservada nas reações químicas: uma vez que os átomos são rearranjados, permanecendo inalterados durante uma reação química, então a massa total dos átomos dos reagentes deve ser a mesma que a dos átomos dos produtos... A lei da composição definida: cada substância é caracterizada por proporções fixas entre os números de átomos dos seus elementos componentes. Porém... Propôs que o átomo era maciço e indivisível: veremos que é constituído de partículas subatômicas (prótons, nêutrons e elétrons). Todos os átomos de um dado elemento não são idênticos em 5 todos os aspectos: isótopos não possuem a mesma massa atômica... Experimentos em tubo de Crookes (tubos de descarga de gás) Meados do século XIX: Primeiros indícios de que o átomo era constituído de partículas menores... Tubo de vidro com dois eletrodos em suas extremidades parcialmente evacuado e Catodo (-) Anodo (+) Raios catódicos Vácuo Alta voltagem A aplicação de alta voltagem produzia radiação dentro do tubo Raios catódicos pois originavam-se no catodo e viajavam até o anodo. Mas os raios catódicos tratavam-se de radiação ou de matéria (jato de partículas)????? 6 3

4 Ao colocar um anteparo entre os dois eletrodos, observou-se uma sombra no formato do anteparo os raios catódicos se propagavam em linha reta. Vácuo Alta voltagem Quando os raios catódicos se chocavam com uma ventoinha mecânica posicionada no interior do tubo, ela se movimentava os raios catódicos eram compostos por partículas com massa, ou seja, eram matéria e não energia. O feixe de raios era atraído por um campo elétrico positivo os raios catódicos possuíam carga negativa: A descoberta do 7 elétron!!! (J. J. Thomson em 1887: Elétron: partícula carregada negativamente e com razão carga-massa igual a 1,76 x 10 8 C/g). O modelo atômico de Thomson (1898) Embora os elétrons tenham carga negativa, o átomo apresentava carga total igual a zero... Modelo Pudim de passas : Os átomos são esferas carregadas positivamente na qual os elétrons estão incrustados Elétrons (negativos) Carga positiva espalhada sobre a esfera J. J. Thomson ( ) Fonte: Atkins, P.; Jones, L. Princípios de Química. 3ª ed. Bookman,

5 Experimento de Rutherford e colaboradores (1910) Emitiram um feixe de partículas alfa (carga positiva) sobre folhas finas de ouro e observaram o espalhamento destas partículas... Poucas partículas foram desviadas Átomos da película de ouro Fonte de partículas α Feixe de partículas α Película fina de ouro A maioria das partículas (mais de 99%) não era desviada Partículas α Anteparo fluorescente 9 Núcleo O átomo com núcleo: o modelo de Rutherford (1911) A maior parte do volume total do átomo é um espaço vazio onde os elétrons estão distribuídos movendo - se em órbitas fixas ao redor do núcleo Toda a carga positiva do átomo e praticamente toda a sua massa estão em uma região muito pequena e densa NÚCLEO E. Rutherford ( ) Fonte: Wikipedia A maioria das partículas passava direto pela película de ouro porque não encontraram o minúsculo núcleo, atravessando direto pelo espaço vazio... Uma pequena parte das partículas que entra na vizinhança do núcleo (que é altamente 10 carregado positivamente) sofre repulsão forte o suficiente para desviar seu curso 5

6 Mas do que o núcleo é composto??? Em 1914: Rutherford descobriu os prótons partículas de massa muito maior do que o elétron e tem a carga igual em grandeza à de um elétron, mas de sinal oposto. Em 1923: James Chadwick descobriu os nêutrons partículas que tem aproximadamente a mesma massa de um próton, mas não são carregadas eletricamente. 11 O átomo moderno Está fundamentado no modelo de Rutherford, sendo constituído de partículas neutras (nêutrons), positivas (prótons) e negativas (elétrons). O átomo apresenta duas regiões: o Um núcleo minúsculo que compreende toda a carga positiva e praticamente toda a massa do átomo e onde estão localizados os prótons e os nêutrons, o Uma região extra-nuclear, que é um espaço vazio, onde estão distribuídos os elétrons. O átomo como um todo não tem carga pois o número de prótons é igual ao número de elétrons Partícula Carga Massa Próton +1 1,67 x g Nêutron 0 1,67 x g Elétron -1 9,1 x g 12 6

7 Número atômico e número de massa Um átomo individual é geralmente identificado especificando dois números inteiros: Número atômico (Z) Número de massa (A) É o número de prótons (P) no núcleo Z = P É a soma do número de prótons (P) e de nêutrons (N) A = P + N Número de nêutrons (N) = A - Z Z = P = E Por convenção: Um átomo específico (X) é identificado pelo símbolo do elemento com número atômico (Z) como um índice inferior e o número de massa (A) como um índice superior. A X Z 16 O 8 13 Isótopos Todos os átomos de um dado elemento têm o mesmo número atômico (Z), pois têm o mesmo número de prótons no núcleo... Átomos de um dado elemento podem ter diferentes números de massa (A), pois podem ter diferentes números de nêutrons em seu núcleo ISÓTOPOS (=Z e A) Átomo Prótons Nêutrons Elétrons H H H 16 8O 17 8O 18 8O Por apresentarem N, os isótopos têm diferentes massas

8 Massa atômica A massa do átomo em gramas é um número extremamente pequeno : 16 8 O = 2,6560 x g É conveniente usarmos uma unidade de massa que seja bem menor do que um grama unidade de massa atômica (u ou u.m.a). 1 u : equivale a 1/12 da massa do 12 6 C. Onde : o1 u = 1,66054 x g o1 g = 6,02214 x u 16 O 8 = 2,6560 x g 16 O 8 = 15,9949 u 15 Massa atômica e abundância isotópica A maioria dos elementos é encontrada como uma mistura de isótopos. Assim, a massa atômica de um elemento é calculada pela média ponderada das massas dos isótopos deste elemento, levando em conta a abundância relativa dos seus isótopos. Exemplo 1: O cobre ocorre na natureza como uma mistura isotópica de 69,09% de 63 Cu (massa = 62,93 u por átomo) e 30,91 % de 65 Cu (massa = 64,95u por átomo). Qual é a massa atômica do cobre? o Massa atômica do Cu = (69,09)(62,93) + (30,91)(64,95) 100 o Massa atômica do Cu = 63,55 u Exemplo 2: O enxofre é encontrado na terra com uma mistura isotópica de 95,02% de 32 S (massa = 31,972 u por átomo), 0,75% 33 S (massa = 32,972 u por átomo), 4,21% 34S (massa = 33, u por átomo) e 0,02% de 36 S (massa = 35,967 u por átomo). Qual é a massa atômica do enxofre? Resposta: 32,06 u 8

9 O dilema do átomo estável... Com o surgimento do modelo de Rutherford ficou a pergunta: Mas o que fazem os elétrons no átomo??? Estão parados? Estão em movimento? O elétron (negativo) seria atraído pelo núcleo (positivo), movendo-se em sua direção. O elétron perderia energia por radiação e cairia lentamente para o núcleo O átomo entraria em colapso!!! 17 A física clássica não foi adequada para descrever o que ocorre em escala atômica... A primeira tentativa importante para desenvolver um novo modelo atômico partiu de Niels Bohr. A elucidação da estrutura atômica seria encontrada na natureza da luz emitida pelas substâncias a temperaturas altas ou sob influência de uma descarga elétrica. Ele acreditava que esta luz era produzida quando elétrons nos átomos sofriam alterações de energia N. Bohr ( ) Fonte: Wikimedia commons Bohr e Einstein numa conferência em Bruxelas (1930) Fonte: Wikimedia commons 18 9

10 Vamos discutir algumas das características da luz e outras formas de energia radiante (radiação eletromagnética) A energia radiante ou radiação eletromagnética: Radiação eletromagnética: campos magnéticos e elétricos oscilantes, perpendicularmente orientados. Fonte: SKOOG et. al. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed., Inclui a luz visível, radiação IV e UV, ondas de rádio, microondas, raios x, dentre outras

11 A energia radiante apresenta propriedades ondulatórias: Comprimento de onda (λ): é a distância entre dois máximos vizinhos expresso em nanômetros (nm). Amplitude (A): é o comprimento do vetor campo elétrico em torno do máximo da onda altura da crista ou profundidade do vale Fonte: SKOOG et. al. Fundamentos de Química Analítica.8ª ed., Freqüência (υ): é o número de oscilações completas que a onda faz a cada segundo (ciclos por segundo), expressa em s -1 Relação entre υ eλ v = υ xλ v : Velocidade da onda OBS: Velocidade da 21 luz no vácuo: c : 3,00 x 10 8 m s -1 A energia radiante como uma partícula... Além de propriedades ondulatórias, a energia radiante também comporta-se como uma partícula chamada fóton Entenda um fóton como um pacote de energia Cada fóton transporta uma certa quantidade de energia que é proporcional à sua frequência A energia é quantizada... E = h xυ h é a constante de Planck (6,626 x J s) Comportamento dual da luz Onda Partícula c = υ xλ E = h xυ E é inversamente a λ Exemplo: A luz amarela emitida por uma lâmpada de vapor de sódio usada para iluminação pública tem um comprimento de onda de 589 nm. a) Calcule a frequência dessa radiação. (R: 5,09 x s -1 ) 22 b) Calcule a energia de um fóton neste comprimento de onda. (R: 3,37x10-19 J) 11

12 Espectro eletromagnético Espectro eletromagnético Distribuição dos vários tipos de radiação eletromagnética em ordem crescente de λ. Energia Radiações mais intensas apresentam menores λ... A cor da luz depende de sua frequência ou comprimento de onda Fonte: Brown, T. L., et al. Química A ciência central. 9ª ed. Pearson Education Inc., Espectro contínuo Radiação monocromática: composta por apenas um λ. Ex: laser. Radiação policromática: produz radiação contendo diferentes comprimentos de onda Ex: A maioria das radiações comuns, como lâmpadas incandescentes e estrelas. Quando uma radiação policromática é separada em seus diferentes comprimentos de onda obtém-se um espectro. Fonte: Brown, T. L., et al. Química A ciência central. 9ª ed. Pearson Education Inc., Espectro contínuo: uma faixa contínua de comprimentos de λ... 12

13 Espectro de linhas Mas nem toda fonte de radiação produz um espectro contínuo... Gases diferentes emitem luzes de cores características quando são excitados com uma descarga elétrica. Neônio Hidrogênio Quando essa luz passa por um prisma, observa-se no espectro apenas algumas linhas de poucos comprimentos de onda. 400nm 700nm Espectro de linhas: contém apenas radiações de λ específicos. Cada elemento químico produz um espectro característico 25 Os comprimentos de onda das linhas espectrais do hidrogênio podem ser obtidas pela equação de Rydberg: 1 λ 1 1 R 2 n1 n2 = 2 Onde: n = número inteiro, sendo que n 2 > n 1 R (constante de Rydberg)= 1,0974x10-2 nm -1. Série n 1 n 2 Região Lyman 1 2,3,4,5... UV Balmer 2 3,4,5,6... Visível Paschen 3 4,5,6,7... Infravermelho 26 13

14 Postulados de Bohr (1913) A observação de linhas espectrais discretas sugere que um elétron em um átomo só pode ter certas energias. Postulados de Bohr: Um átomo tem um conjunto de energias quantizadas disponível para seus elétrons níveis de energia (camadas eletrônicas) Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem emitirem nem absorverem energia. n n=5 n=4 n=3 n=2 Energia 27 n=1 Postulados de Bohr (1913) Quando um átomo absorve energia de uma chama ou descarga elétrica, alguns de seus elétrons ganham energia e são elevados a um nível de energia maior estado excitado. Ao retornar para o estado de menor energia, emitem radiação em forma de luz (fóton) com energia: E fóton = E 2 - E 1 = h x c λ Onde E fóton é a diferença de energia entre o nível de energia maior (E 2 ) para o o nível de energia menor (E 2 ) a transição é quantizada... Cada transição corresponde a uma linha espectral em λ específico

15 Os elétrons existem apenas em níveis de energia distintos, descritos pelos números quânticos. Os níveis de energia são quantizados Porém... Só explica o espectro de linhas para o hidrogênio. Propôs que cada nível de energia corresponde a uma órbita circular