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Estrutura Eletrnica dos tomos
Reaes Qumicas
Altera -se a distribuio dos e nos tomos
H a quebra e/ou a formao de ligaes qumicas
Estrutura Eletrnica dos tomos
Propriedades relacionadas
1
2
Origem dos elementos qumicos
O Universo est em expanso a 15 bilhes de anos
Big Bang (109 K)
Inicialmente H (89%) e He(11%) ... e praticamente isso no
mudou desde ento!
E os elementos mais pesados?
Reaes nucleares no interior de Estrelas.
Diferentes elementos so formados e ai... Nasce a qumica.
Buscar informaes no Qumica Inorgnica do Shrives
3
Reaes nucleares envolvem mais energia que reaes qumicas!
103 kJ/mol 10
9 kJ/mol
4
Tipos de emisses radioativas
5
Nuclear (Forte e Fraca): curto alcance, une os ncleons
Eletromagntica: interao entre cargas
Gravitacional: muito fraca atrao de massas
Istopos Istonos Isbaros
Foras
n atmico
n de massa
Massa atmica
A alta abundancia de Fe e Ni no
universo resultado da alta
estabilidade de seus ncleos (energia
de ligao entre os nucleons).
Tal energia pode ser calculada a
partir da equao de Einstein
E= mc2
m= mnucleons
- mncleos
Energia de ligao entre o ncleons
6
7
Nucleossntese dos elementos mais leves
Os elementos com at Z= 26 (Fe) foram formados no interior das estrelas,
Os elementos pesados so formados durante o colapso de uma estrela
atingindo d= 105
g/cm3 (d Au ~ 20 g/cm
3)
8
Exerccio:
Acredita -se que a sntese de elementos pesados ocorre por
reaes de captura de nutrons em estrelas Gigantes -
Vermelhas . Uma possvel reao a converso de em
por captura de nutrons, formando que sofre decaimento .
Escreva o balanceamento da equao nuclear desse processo.
Ver exerccios Cap. 1 Shriver Qumica Inorgnica.
1.1 at 1.7
Zn6830 Ga69
31
Zn6930
9
Em 600 a.C., Tales, filsofo grego,
props que toda a alterao
qumica era meramente uma
alterao de uma substncia
fundamental ou Elemento .
450 a.C., Empdocles, props a
existncia de quatro elementos :
terra , ar , fogo e gua .
350 a.C., Aristteles, baseado nas
ideias de Empdocles, considerava
que cada elemento resultava de
duas das quatro qualidades
fundamentais : quente , frio , mido e
seco.
Modelos Atmicos
FOGO
GUA
ARTERRA
quente
mido
seco
frio
10
Modelos atmicos
A origem da palavra tomo
A palavra tomo foi utilizada pela primeira vez na Grcia antiga, por
volta de 400 a.C. Leucipo e Demcrito acreditavam que todo tipo de
matria fosse formado por diminutas partculas que denominou tomos
(sem diviso) . Acreditava -se que tais partculas representavam a menor
poro de matria possvel, ou seja, eram indivisveis .
11
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/PictDisplay/Democritus.htmlModelo Atmico de Dalton
As ideias de Demcrito permaneceram inalteradas por
aproximadamente 2200 anos .
Em 1808 , Dalton retomou estas ideias sob uma nova
perspectiva : a experimentao .
Baseado em reaes qumicas, pesagens minuciosas e observaes , Dalton
chegou concluso de que os tomos realmente existiam e que possuam
algumas caractersticas :
12
Modelo Atmico de Dalton . Com base em estudos de outros cientistas, anteriores a ele, criou um modelo
de tomo onde pregava as seguintes ideias:
toda matria composta por tomos; os tomos so indivisveis; os tomos no se transformam uns nos outros; os tomos no podem ser criados nem destrudos; os elementos qumicos so formados por tomos simples; os tomos de determinado elemento so idnticos entre si em tamanho, forma, massa e demais propriedades; tomos de elementos diferentes so diferentes entre si; toda reao qumica consiste na unio ou separao de tomos; tomos iguais entre si se repelem e tomos diferentes se atraem; substncias compostas so formadas por tomos compostos (as atuais molculas); tomos compostos so formados a partir de elementos diferentes, em uma relao numrica simples. 13
Modelos Atmicos
A descoberta da primeira partcula subatmica : O ELTRON.
14
O tomo divisvel!
No final do sc. XIX, o ingls Willian Crookes (1832 - 1919) inventou uma ampola que permite realizar descargas eltricas (raios catdicos) atravs do ar a baixa presso em seu interior . Em outras palavras, observa-se uma luminosidade entre os polos (funcionando at mesmo como lmpada).
Com gs
Sem gs
O fsico britnico Joseph John Thomson descobriu em 1897 o eltron,
partcula elementar de carga negativa
Com uma ampola de vidro com vcuo, verificou que
os raios catdicos eram de fato partculas
negativamente carregadas (eltrons) desviando estes
atravs de campos eltricos e magnticos .
J. J. Thomson
(1856 -1940)
710855.1eltronv
8103c m/s
m/s
15 http://www.youtube.com/watch?v=_Pwrvn2Zl5U
http://www.youtube.com/watch?v=_Pwrvn2Zl5UModelos Atmicos
Sendo os raios catdicos um fluxo de eltrons,
podemos concluir finalmente que:
- os eltrons se propagam em linha reta,
- os eltrons possuem massa (so corpusculares)
e
- os eltrons possuem carga eltrica de natureza
negativa.
J. J. Thomson
(1856 -1940)
16
Obs: mais tarde (1910 ), Robert Millikan mede com
grande preciso a carga eltrica de eltrons individuais .
Modelos Atmicos
A descoberta da segunda partcula subatmica: o prton
Em 1886, o fsico alemo Eugen Goldstein, (1850-1930) descobriu um novo tipo de raio utilizando uma
ampola de Crookes, modificada. Goldstein adaptou ampola, que continha gs a baixa presso, um
ctodo perfurado e, ao provocar uma descarga eltrica no gs a baixa presso, observou um feixe de raios
coloridos surgir atrs do ctodo (raios canais), vindo da direo do nodo.
17
Raios canais
Modelo Atmico de Thomson
O modelo do de de Thomson tinha cargas positivas
espalhadas uniformemente numa esfera do tamanho do tomo com
eltrons imersos nesta matriz uniforme
Os prtons ainda no haviam sido descobertos, mas cargas positivas
deviam estar presentes para atingir a neutralidade de cargas
Obs: Thomson no conseguia explicar os espectros de
linhas dos tomos com este modelo
Os eltrons eram muito leves comparados com os tomos
18
Experimentos de Rutherford, Geiger and Marsden
Em 1911 Rutherford e seus estudantes Geiger e Marsden desenvolveram uma
nova tcnica para investigar a estrutura da matria fazendo incidir partculas
alfa nos tomos de ouro, e medindo o espalhamento destas partculas
Os resultados mostraram que muitas partculas alfa eram espalhadas para
trs pelas folhas de ouro muito finas em ngulos maiores que 90
Os resultados experimentais no eram consistentes com o modelo de
Thomson
19
Resultados previstos segundo o modelo de Thomson
Resultados obtidos
As partculas
deveriam atravessar as
folhas de ouro sem
sofrer grandes desvios
A maior parte das partculas
comportava -se como
esperado, mas um
significativo nmero delas
sofria desvios acentuados
Experincia de Rutherford
. . .
. .
. . .
20
Rutherford props ento que o tomo era uma estrutura praticamente
vazia, e no uma esfera macia, ou mesmo macia, e deveria ter um caroo
positivamente carregado (ncleo) cercado pelos eltrons negativos .
Ernest Rutherford
(1871 -1937)
O tomo seria um sistema semelhante ao sistema solar :
- Modelo Planetrio
Modelo Atmico de Rutherford
rbitas Eltrons
Ncleo
21
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Rutherford_atom.svgO Modelo Planetrio Condenado
Existem duas dificuldades bsicas com
o modelo estrutural planetrio de
Rutherford :
Segunda este modelo no consegue
explicar como o eltron se mantm
em torno do ncleo .
De acordo com a teoria eletromagntica,
uma carga eltrica acelerada irradia
energia (radiao eletromagntica), e
como o eltron tem acelerao centrpeta
perderia energia acabando por cair sobre
o ncleo, colapsando a estrutura atmica .
Primeira - este modelo no
consegue explicar as frequncias
caractersticas discretas de radiao
eletromagntica emitidas pelo
tomo
22
tomo de Bohr
1 Modelo Quntico
Para Bohr: As leis que governam o movimento e comportamento de
grandes corpos eram inadequadas para explicar o comportamento
de pequenas partculas.
Bohr sabia que eltrons mais distantes do ncleo deveriam ter mais
energia, uma vez que era necessria energia para vencer a fora de
atrao do ncleo.
Segundo Teoria Quntica: A matria emitindo ou absorvendo
radiao no faz de modo contnuo, mas sim em discretos
energia, chamados Quantum.
Essa teoria foi o ponto de partida para o desenvolvimento das ideias
de Bohr
23
Espectro Eletromagntico
c =
vel. da luz = 3,0 x 108 m/s = 300 000 km/s = 1 080 000 000 km/h
(m)
(s-1)
Para entender o Modelo Bohr temos que
entender um pouco sobre a natureza
ondulatria da LUZ
24
Ondas Eletromagnticas
25
Espectro Eletromagntico
Um espectro visvel pode ser
obtido passando um feixe de luz
branca atravs de um prisma
(cores do arco -ris). 26
Espectro contnuo e espectros atmicos de emisso
27
Espectro contnuo e espectros atmicos de emisso
28
Espectro contnuo e espectros atmicos de emisso
29
Planck: O Nascimento da Teoria Quntica (1900)
Aquecendo -se um corpo negro
vermelho branco
Fsica Clssica
qualquer corpo acima 0 C poderia emitir radiaes UV, raios -X e raios -
Primeira manifestao da teoria quntica: uma radiao de frequncia gerada
somente quando uma energia E estiver disponvel.
E = h = hc/
h = 6,63 x 10-34
J.s (const. de Planck)
30
https://www.youtube.com/watch?v=YEn -vX4duUc
Para Planck, a luz
absorvida e gerada num
corpo negro via pequenos
pacotes de energia
(quanta).
31
Modelo de Bohr para o tomo de H
Luz solar espectro contnuo
Luz emitida espectro de raias
por elementos
Ex: Na diversas raias as mais intensas
5,093 x 1014
Hz
5,088 x 1014
Hz
luz
amarela
A partir do espectro de raias
Bohr associou a teoria quntica com a estrutura atmica
3p
32
Espectro de Raias para o hidrognio temos:
Radiao eletromagntica emitida quando uma descarga
eltrica passa atravs do gs hidrognio.
33
Lyman (ultravioleta) n = 2, 3, 4, 5...
Balmer (visvel/ultravioleta) n = 3, 4, 5, 6...
Paschen (infravermelho) n = 4, 5, 6, 7...
Brackett (infravermelho) n = 5, 6, 7, 8...
Pfund (infravermelho) n = 6, 7, 8, 9...
22 n
1
1
1 R
1
22 n
1
2
1 R
1
22 n
1
3
1 R
1
22 n
1
4
1 R
1
22 n
1
5
1 R
1
Espectro de Raias para o hidrognio temos:
34
A partir da observao dos espectros de raias que Bohr
idealizou seu modelo atmico.
35
36
Somente certas mudanas de Energia so possveis
dentro de um tomo
Postulados de Bohr:
I) rbitas : o eltron gira em torno do ncleo em rbitas
circulares permitidas sem irradiar energia (estados
estacionrios ou nveis de energia).
onde:
Fe = fora de
Fc = fora centrpeta
e = carga eletrosttica fundamental (1,602 x 10 -19 C)
Z = nmero de cargas elementares
me = massa do eltron (9,1095 x 10 -25 kg)
v = velocidade do eltron (~10 7 m s -1)
0 = constante dieltrica (8,854 x 10 -12 C2 J-1 m -1)
Fe = F
c
r
vm
r
Ze e2
2
0
2
4
2
0
2
4 vm
Zer
e
(1)
37
II) Saltos Eletrnicos : quando em eltron passa de uma rbita
para outra absorve ou emite um nmero inteiro de quantum ou
fton de energia.
Ef E
i = E =
III) Momento Angular (L) : um eltron pode ocupar mais do que uma
rbita. No entanto s sero permitidos os estados estacionrios de
energia onde o momento angular seja proporcional a h/2 , ou seja,
o momento angular quantizado .
Postulados de Bohr
hchv
Ene
rgia
L = mvr h/2
onde n = 1, 2, 3... (n quntico principal)
E = energia do fton
nvrmerm
nv
e
(2)
2
h 38
Clculos Baseados no Modelo de Bohr
=rn2
Z0,54(A)
o
Estes clculos mostraram -se bastante coerentes para sistemas
hidrogenoides (1 eltron na eletrosfera ).
1) Raio das rbitas
Exerccio : Calcular as 1as
e a 2as
rbitas do nico eltron do
tomo de H e do on He+
( e nm ).
substituindo (2) em (1), temos:
2
2
0
2 4
emZ
nr
e
n
(3)
onde
a0 chamado de raio de Bohr. o dimetro do tomo
de Hidrognio (no seu estado de mais baixa energia, ou
estado fundamental)
0
2
aZ
nrn
2
2
00
4
ema
e
39
2) Energia Total do Eltron em cada rbita
E0: energia de Rydberg = 2,18 x 10
-18 J
02
2
En
ZEeltron
-E
hcEEEE ftoneltroneltron fi
02
2
02
2
En
ZE
n
ZE
fi
fton
22
02 111
fi nnhc
EZ
02
2
02
2
En
ZE
n
Zhc
fi
(4) hcRn
ZEeltron 2
2
40
Note:
Lembras?
22
02 111
fi nnhc
EZ
22
2 111
fi nnRZ
22
2 11
fi
ftonnn
hcRZE
hc
ER 0
R: const. de Rydberg = 1,097 x 107 m
-1
hcRE0
E0: energia de Rydberg = 2,18 x 10
-18 J ou 13,6 eV
(5) (6)
2
0
3
4
8 ch
emR e
2
0
2
4
08h
emE e
41
Energias do tomo de Hidrognio
Usando o resultado clssico para a energia:
ou
Obtemos as energias para os estados
estacionrios
2
2
0
2 4
emZ
nr
e
n
2
0
2
4
2
2
8h
em
n
ZE eeltron
2
2
0
2
em
h
Z
nr
e
n
n
eltronr
eZE
0
2
8
00
2
2
2
8 a
e
n
ZEeltron
42
H emisso de luz quando o tomo est
num estado excitado e decai para um
estado com energia mais baixa
lu EEh
Transies no tomo de Hidrognio
No equilbrio, todos os tomos de
hidrognio esto no estado n = 1, o estado
fundamental e
lu nn
O tomo permanece num estado excitado
por um perodo curto de tempo antes de
emitir um fton de energia
eV 6.131E
e retornar a um estado estacionrio
mais baixo
Espectro do hidrognio 43
1) Qual a diferena de energia entre o nvel 3 e o nvel 2 no
tomo de H?
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
n = 5
Origem das raias da srie de Balmer,
segundo o modelo de Bohr
2) Qual a frequncia e o comprimento de onda relacionados
com esse quantum de radiao?
Obs: O modelo proposto por Bohr, apesar de falho em muitos aspectos foi um
marco bastante importante no conhecimento do mundo atmico, tomando a
nova teoria quntica como ferramenta importante no entendimento da natureza . 44
Amarelo Na
Laranja Sr
Verde Ba
45
No conseguia explicar a ligao dos tomos para formar
molculas
Falhas do Modelo de Bohr
Funcionava somente para tomos com um eltron
(hidrogenoides)
No conseguia calcular a estrutura fina das linhas espectrais -
quando os tomos eram colocados em campos magnticos
O modelo de Bohr foi um grande passo na nova teoria quntica,
mas tinha as suas falhas:
46
Modelo Ondulatrio
eltrons associado
combinao de duas equaes: Einstein e de Planck .
Louis de Broglie (1924) Dualidade Onda -Partcula
Obs: Sua teoria foi comprovada experimentalmente em 1927 por Davisson e
Gerner que observaram a difrao de
eltrons. A difrao um fenmeno
tipicamente ondulatrio.
Dualidade Onda -Partcula
47
Einstein: efeito fotoeltrico (1905)
Eltrons so emitidos de uma superfcie metlica quando
da incidncia de uma radiao eletromagntica
fton Ei= h
Ei = E
le + E
ce
Na
Obs: a Ec do eltron em funo da E do fton
incidente e no da intensidade da radiao.
Obs: a ideia de fton est relacionada com o fato de que a radiao eletromagntica
ter caracterstica de partcula!
Dualidade Onda -Partcula
48
Einstein: efeito fotoeltrico (1905)
A energia cintica do eltron arrancado
depende da energia do fton!
Dualidade Onda -Partcula
49
Einstein: efeito fotoeltrico (1905)
A energia cintica do eltron arrancado
depende da energia do fton!
Fotoclula
Dualidade Onda -Partcula
50
Difrao de ondas Fenmeno tpico para ondas
Ser que partculas podem apresentar tal caracterstica?
Dualidade Onda -Partcula
51
Em processos de difrao, temos combinaes de ondas.
Estas podem ser combinaes construtivas ou destrutivas .
Difrao de ondas Fenmeno tpico para ondas
Dualidade Onda -Partcula
52
hc
E = mc2
E = hv = hc
mc=h
mc2 =ou
mv
h=
hc
E = mc2
E = hv =
hc mc=
h mc2 =ou
para o eltron
Einstein Planck
1) Supondo que um eltron se desloque a 4,0 x 104 m/s.
Qual o comprimento de onda associada a esse eltron?
(resp : 18 nm )
2) Qual o associado a uma pessoa que viaja a 80 km/h e pesa 66 kg?
(resp : 4,5 x 10-33
m)
Responda:
Dualidade Onda -Partcula
(1)
53
Modelo Ondulatrio
eltrons associado
combinao de duas equaes: Einstein e de Planck .
Louis de Broglie (1924) Dualidade Onda -Partcula
Obs: Sua teoria foi comprovada experimentalmente em 1927 por Davisson e
Gerner que observaram a difrao de
eltrons. A difrao um fenmeno
tipicamente ondulatrio.
Dualidade Onda -Partcula
54
Dualidade Onda -Partcula
Princpio da Incerteza de Heisenberg
4 .
hxp p = incerteza na quantidade de movimento = m.v
x = incerteza na posio da partcula
Como consequncia imediata da dualidade onda -partcula o fato
de que impossvel determinar, de modo exato e simultneo, a
energia de uma partcula e sua posio .
Para medir um objeto devemos perturb -lo. Uma
luz de pequeno deve ser usada para melhor
visualizar uma partcula pequena, mas
perturbaramos a mesma demasiadamente.
55
Consequncias do princpio da incerteza
e dualidade partcula onda :
A descrio do tomo deixou de ser determinstica para se tornar probabilstica
O desenvolvimento matemtico do modelo ondulatrio tem como maior referncia o trabalho de Schrdinger
56
Eq. de Schrdinger Tudo o que pode prever sobre o sistema est contido em seu estado quntico, ou seja, em sua funo de onda. Schrdinger introduziu o conceito de funo de onda ( ), como uma funo da posio da partcula . A funo descreve a amplitude de probabilidade de se obter valores para as grandezas associadas aos sistemas. As previses da mecnica quntica so expressas em termos de probabilidades
E ^
57
Equao de Onda de Schrdinger (1926)
Para uma onda estacionria (corda),
sua amplitude ao longo de x pode
ser descrita pela funo (x) como:
)(4)(
2
2
2
2
xfdx
xfd
Para o eltron movendo -se em
uma nica dimenso x, temos
como funo de onda : 2
2
2
2 4
dx
d
Para as trs dimenses
x, y e z temos: 2
2
2
2
2
2
2
2 4
zyx
possvel descrever qualquer movimento ondulatrio por um
tipo de equao conhecida como equao de onda .
04
2
2
2
2
2
2
2
2
zyxreescrevendo: (2)
58
substituindo da equao (2) por (1)
totalpotencial
e
EEzyxm
h2
2
2
2
2
2
2
2
8
temos a equao de onda do eltron preso ao ncleo do tomo:
So vrias as funes de onda , , aceitveis para essa equao de onda. Essas
so chamadas de orbitais , com determinados valores discretos de E.
A funo de onda , , contem todas as informaes possveis sobre o eltron
associado a ela.
Cada funo de onda , , (orbital) pode ser caracterizada por integrais
chamadas de nmeros qunticos .
Equao de Onda de Schrdinger
K + V = Etotal
e sabendo que (3)
(4)
vm
h
e
59
Cada nmero quntico est relacionado a uma propriedade fsica
do eltron:
energia n quntico principal (n) (1, 2, 3, 4 ... ou K, L, M, N etc.)
forma n quntico secundrio (l) (0, 1, 2, 3... ou s, p, d, f, g etc.)
orientao n quntico magntico (ml) (...-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 ...)
Que grupo de obitais definido por n= 4 e l= 1? Quantos
orbitais esto presentes nesse grupo?
60
Experimentalmente
N quntico principal ( n) raias espectrais
N quntico secundrio ( l) desdobramento de raias
(estruturas hiperfinas)
N quntico magntico ( ml) modificao dos desdobramen -
tos, em funo da presena de
um campo magntico
N quntico de spin ( ms) um feixe de tomos de Ag
desdobrado em um campo
magntico.
61
Spin
62
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