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Aula 1 Estrutura Atomica e Evolucao Modelos Atomicos

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ESTRUTURA ATMICAA EVOLUO DOS MODELOS ATMICOS

DEFININDO QUMICAQumica (do egpicio kme (chem), significando terra) a cincia que trata das substncias da natureza, dos elementos que a constituem, de suas caractersticas, propriedades combinatrias, processos de obteno, suas aplicaes e sua identificao. Estuda a maneira que os elementos se ligam e reagem entre si, bem como, a energia desprendida ou absorvida durante estas transformaes.

ESTUDO DA MATRIA

DEFININDO MATRIAMatria (vem do latim materia, substncia fsica) qualquer coisa que possui massa, ocupa espao (fsica) e est sujeita a inrcia. A matria aquilo que existe, aquilo que forma as coisas e que pode ser observado como tal; sempre constituda de partculas elementares com massa no-nula (como os tomos, e em escala menor, os prtons, nutrons e eltrons).

EVOLUO DOS MODELOS ATMICOSH 2.450 de anos atrs ( 450 anos a. C. ), o Homem j se preocupava com a constituio da matria.

Usavam apenas o pensamento filosfico para fundamentar seus modelos e no utilizavam mtodos experimentais para tentar expliclos.

EVOLUO DOS MODELOS ATMICOS

Modelo atmico que "est em vigor" o Modelo da Mecnica Quntica ou da Mecnica Ondulatria (Modelo Orbital)

EVOLUO DOS MODELOS ATMICOS

De Demcrito ( 450 a. C. ) a Dalton ( 1.808 d. C. )

EVOLUO DOS MODELOS ATMICOSPor volta do sculo V (a.C), na Grcia, acreditava-se que toda matria era formada por 4 elementos:

Quente e mido

Ar

gua Fogo

mido e frio

Seco e frio

Terra

Quente e seco

COMBINAO DOS 4 ELEMENTOS

Por volta de 400 a.C Leucipo e Demcrito Defenderam a idia de que a matria era descontnua e composta por pequenssimas partculas indivisveis.

tomo

Demcrito(470 380 A.C.)

Modelo baseado apenas na intuio e na lgica.

Modelo proposto por Demcrito:Toda a matria constituda por tomos e vazio (no era compacta) O tomo uma partcula pequenssima, que no pode ser dividida; invisvel, e

Os tomos encontram-se em constante movimento; Universo constitudo por um nmero infinito de tomos, indivisveis e eternos; Segundo Demcrito: "as nicas coisas que existem so os tomos e os espaos entre eles.

Final do Sculo XVIIILavoisier e Proust iniciaram experincias relacionando entre si as massas das substncias participantes das reaes qumicas. Surgiram ento as leis ponderais das reaes qumicas ( leis formuladas por Lavoisier, Proust, Dalton e Richter ).

1 Lei: LEI DA CONSERVAO DA MASSA (Lavoisier)

Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma

Final do Sculo XVIII1 Lei: LEI DA CONSERVAO DA MASSA (Lavoisier) Num sistema fechado, a massa total dos reagentes igual massa total dos produtos A + B =

X

+

Y

Massa reagentes

Massa produtos

Final do Sculo XVIII2 Lei: LEI DAS PROPORES CONSTANTES (Proust) Toda substncia apresenta uma proporo em massa constante em sua composio

Final do Sculo XVIII2 Lei: LEI DAS PROPORES CONSTANTES (Proust)

2 Carbono

+

6 hidrognio

1 etano

Experimento I

24 g

+

6g

30 g

Experimento II

48 g

+

12 g

60 g

Proporo

4

:

1

:

5

Sc. XIX Dalton ressuscita A Teoria Atmica.

Dalton (1808)

Na segunda metade do sc. XVIII, a Qumica sofreu uma grande evoluo. Certos fatos no podiam ser explicados pela teoria de Aristteles, como a Lei de Lavoisier: A massa dos reagentes igual massa dos produtos. Para explicar estes fatos Jonh Dalton props, em 1807, o primeiro modelo atmico cientfico.

John Dalton(1776 1844)

M odelo proposto por D alton:Foi criado com base em resultados experimentais, sendo portanto, um modelo cientfico.1)

Os tomos so partculas muito pequenas, macias, indestrutveis, impenetrveis e indivisveis (modelo da Bola de Bilhar)

M odelo proposto por D alton:2) Os tomos de um mesmo elemento so idnticos em massa e em todas as outras propriedadesEQUVOCO (istopos)

3) 4)

Diferentes elementos so constitudos de diferentes tipos de tomos, de massas diferentes. Os tomos so indestrutveis e as reaes qumicas no passam de reorganizaes desses tomos. Em uma combinao qumica, os tomos unem-se entre si em vrias propores, mas conservando suas respectivas massas.

5)

EVOLUO DOS MODELOS ATMICOSDe Dalton ( 1808 ) a Bohr ( 1913 )

Simultaneamente aos trabalhos de Dalton se desenvolvia o estudo sobre a natureza eltrica da matria (incio do sculo XIX). Em 1874, STONEY admitiu que a eletricidade estava associada aos tomos e em 1891 deu o nome de ELTRON para a unidade de carga eltrica negativa.

A descoberta da primeira partcula subatmica: o eltronThomson realizou uma srie de experincias utilizando um tubo de raios catdicos (tubo semelhante aos tubos existentes no interior dos televisores). J. J. Thomson(1856 - 1940)

Neste tubo, eram efetuadas descargas eltricas atravs de um gs rarefeito.

Tubo de raios catdicos (um feixe de partculas carregadas de carga eltrica negativa)

Em 1897 Thomson prope novo modelo:Ao estudar as descargas no interior deste aparelho, Thomson, descobriu o eltron.Ctodo (-) (nodo (+)

Observava-se uma fluorescncia esverdeada

A descarga emitida tinha carga eltrica negativa

devido existncia de partculas de carga negativa que saem dos tomos do ctodo.

Thomson provou que os eltrons eram corpsculos, dotados de carga eltrica e de massa, que fazem parte de toda a matria.

Novo Modelo para o tomo proposto por ThomsonEsfera com carga eltrica positiva

O tomo macia de positiva, eltrons esfera.

era uma esfera carga eltrica estando os dispersos na

Eltrons (partculas com carga eltrica negativa)

O nmero de eltrons seria tal que a carga total do tomo seria zero.

Modelo de Pudim de Passas (1897)

A descoberta da segunda partcula subatmica: o prtonRutherford, cientista neozelands, estudou com J.J. Thomson. Em 1908 realizou uma experincia que lhe permitiu propor um novo modelo atmico.

Ernest Rutherford(1871 - 1937)

O RACIOCNIO DE RUTHERFORD.....Imaginemos um CAIXOTE DE MADEIRA FECHADO cujo contedo no conhecemos e que iremos atirar nele com uma METRALHADORA;

1. Hiptese: Se as balas ricochetearam, no atravessando o caixote, conclumos que dentro dele deve haver algo como concreto ou ferro macio;

2 Hiptese: Se as balas o atravessarem, conclumos que ele deve estar vazio ou ento contm materiais leves (isopor, serragem, similares);

3 Hiptese: Porm, se parte das balas passar e parte ricochetear, conclumos que materiais dos dois tipos devem estar presentes dentro do caixote.

Experincia de Rutherford (experincia do espalhamento de partculas alfa)

Bombardeou uma fina folha de ouro com partculas POSITIVAS e PESADAS, chamadas , emitidas por um elemento radioativo chamado polnio.

Experincia de Rutherford Resultados previstos segundo o modelo de Thomson:As partculas deveriam atravessar as folhas de ouro sem sofrer desvios.

Resultados obtidos:

A maior parte das partculas comportava-se como esperado, mas um significativo nmero delas sofria desvios acentuados e poucas partculas no atravessavam a folha de ouro.

Resultados da experincia de RutherfordPartculas

Existe, no interior do tomo, uma regio central positiva o ncleo, que exerce fortes foras repulsivas sobre as partculas alfa.

A maior parte da massa do tomo se concentra em uma pequena reagio central denominada de Ncleo, dotado de carga positiva (desvio das partculas alfa), onde se concentra quase toda a massa do tomo (algumas partculas no atravessam o ncleo). Eltrons com carga negativa movendo-se em volta do ncleo.

O tomo uma estrutura praticamente vazia, e no uma esfera macia (DESCONTNUO);

Modelo proposto por Rutherford (1911):

O tomo seria um sistema semelhante ao sistema solar.

Modelo Planetrio

(Sol representava o ncleo, e os planetas simbolizavam os eltrons girando em torno do ncleo)

A descoberta da terceira partcula subatmica: o nutronPercebeu-se que no ncleo poderia ter mais do que uma carga positiva (prton); Comprometeria a estabilidade do ncleo (foras de repulso muito fortes entre os prtons); Rutherford admitiu que existia no ncleo partculas semelhantes aos prtons, porm sem cargas; Chadwick (1932) descobriu os nutrons; Os nutrons serviriam para diminuir a repulso entre os prtons (maior estabilidade no ncleo)

MODELO ATMICO CLSSICO

O modelo atmico planetrio: eltrons giram ao redor do ncleo, podendo ocupar qualquer rbita existente. Veldromo: o ciclista pode ocupar qualquer parte da pista.

MODELO ATMICO CLSSICONcleo Prtons (p) (+) Nutrons (n) (0)

Eletrosfera

Eltrons (e) (-)

O raio do NCLEO cerca de 10.000 vezes menos que o raio do tomo.

MODELO ATMICO CLSSICOCaractersticas fsicas das partculas atmicas fundamentais: Partcula Massa relativa (u) u = unidade de massa atmica 1/1836 ~ ZERO Carga relativa

Eltron

-1

Prton

1

+1

Nutron

1

0

As diferenas entre os tomos acontecem em funo das diferentes quantidades de partculas formadoras.

MODELO ATMICO CLSSICO NMERO ATMIZO (Z)Em 1913, MOSELEY percebeu que o comportamento de cada ELEMENTO QUMICO estava relacionado com a quantidade de cargas positivas existentes no ncleo. Assim, o nmero de prtons, caracteriza cada elemento, sendo denominado de NMERO ATMICO (Z).

NMERO ATMICO (Z) INDICA O NMERO DE PRTONS PRESENTES NO NCLEO DE CADA TOMO Z=p

MODELO ATMICO CLSSICOComo o TOMO um sistema ELETRICAMENTE NEUTRO, temos: prtons = eltrons

Exemplo: tomo de clcio contm em seu ncleo 20 prtons. Qual o seu nmero atmico? Qual o nmero de eltrons? Z = p Z = 20 Como p = e e = 20 eltrons

MODELO ATMICO CLSSICO ONSOs tomos podem PERDER ou ganhar ELTRONS, originando novos sistemas, carregados eletricamente: ONS. ons p e

tomo PERDE eltrons CTIONS tomo GANHA eltrons NIONS

MODELO ATMICO CLSSICO ONSCtion on com uma carga positiva Se um tomo neutro perder um ou + eltrons ele torna-se uma ction.

Na

11 prtons 11 eltrons

Na+

11 prtons 10 eltrons

nion on com uma carga negativa Se um tomo neutro ganhar um ou + eltrons ele torna-se um nion. it becomes an anion.

Cl

17 prtons 17 eltrons

Cl-

17 prtons 18 eltrons

MODELO ATMICO CLSSICO ELEMENTO QUMICO O CONJUNTO DE TOMOS E ONS DE MESMO NMERO ATMICO

NMERO ATMICO ELEMENTO QUMICOA cada elemento qumico atribui-se um NOME; a cada nome atribui-se um SMBOLO e, consequentemente, a cada smbolo corresponde um NMERO ATMICO.

Elemento Sdio Ferro Cloro

Smbolo Na Fe Cl

No atmico 11 26 17

ELEMENTO QUMICO

MODELO ATMICO CLSSICO NMERO DE MASSA (A) O NMERO DE PRTONS MAIS O NMERO DE NUTRONS A=p+n Exemplo: Cl p = 17 n = 18 e = 17 Z = 17 A = p + n = 17 + 18 = 35 A = 35 A

A

XZ

ou Z

X

MODELO ATMICO CLSSICO RELAES ATMICASISTOPOS: tomos que apresentam o mesmo nmero atmico (Z); logo pertencem ao mesmo elemento qumico; mas diferem nos seus nmeros de massa (A).

Hidrognio comum

Deutrio Deut

Trtio Tr

MODELO ATMICO CLSSICO RELAES ATMICASISBAROS: dois tomos so considerados isbaros entre si quando apresentam o mesmo nmero de massa (A) e diferentes nmeros atmicos (Z). ISTONOS: dois tomos so considerados istonos entre si quando apresentam o mesmo nmero de nutrons (n) e diferentes nmeros atmicos (Z) e de massa (A).

ISOELETRNICOS: tomos que apresentam o mesmo nmero de eltrons.

MODELO ATMICO CLSSICO DEFINIO DE MOLCULAS E COMPOSTOSMOLCULAS: um agregado de um ou mais tomos, que apresentam um arranjo definido, mantidos juntos por meio das ligaes qumicas. Exemplos:

H2

H2O

NH3

CH4

Uma molcula diatmica contm somente dois tomos: H2, N2, O2, Br2, HCl, CO

Uma molcula poliatmica contm mais do que dois tomos: O3, H2O, NH3, CH4

MODELO ATMICO CLSSICO DEFINIO DE MOLCULAS E COMPOSTOSCOMPOSTOS: Um composto formado quando tomos ou molculas

de diferentes elementos se combinam. Em um composto, os elementos esto quimicamente combinados em uma proporo fixa.

Exemplos: Hidrognio e oxignio so combinados na proporo fixa de 2:1 para formar o composto gua [H2O]. Carbono e oxignio so combinados na proporo fixa de 1:2 para formar o composto dixido de carbono [CO2].

Como os eltrons tm carga negativa e o ncleo tem carga positiva, existe atrao entre os eltrons e o ncleo, pois cargas eltricas opostas (negativa dos eltrons e positiva do ncleo) atraem-se. Como explicar o fato de os eltrons no carem sobre o ncleo?

Declnio da teoria de Rutherfod

Rutherford contornou essa dificuldade admitindo que os eltrons giravam em torno do ncleo em rbitas circulares, a altssima velocidade, de tal modo que a acelerao centrpeta desenvolvida nesse movimento equilibraria a atrao exercida pelo ncleo.

Declnio da teoria de RutherfodSurgiu, ento, outra dificuldade: uma carga eltrica negativa (eltrons) em movimento ao redor de outracarga eltrica positiva estacionrio (ncleo) emite radiao constantemente, perdendo energia. Se no fato citado os eltrons perdem energia por radiao ao entrar em movimento ao redor do ncleo, os eltrons vo gradativamente se aproximando do ncleo num movimento espiralado, acabando (logicamente) por colidir com ele.

Essa dificuldade s foi superada com o surgimento do Modelo Atmico de Bohr, em 1913.

Niels Bohr (1913)Niels Bohr trabalhou com Thomson, e posteriormente com Rutherford. Tendo continuado o trabalho destes dois fsicos, aperfeioou, em 1913, o modelo atmico de Rutherford.Niels Bohr (1885 - 1962)

modelo de Rutherford era incompatvel com algumas das teorias da Fsica ...

... uma partcula carregada movendo em uma trajetria circular deve perder energia

Modelo Atmico de Bohr1 Postulado: A eletrosfera do tomo est dividida em regies denominadas nveis ou camadas, onde os eltrons descrevem rbitas camadas circulares estacionrias, de modo a ter uma energia constante, ou seja, sem emitirem nem absorverem energia.

Modelo Atmico de Bohr2 Postulado: Cada um desses nveis possui um determinado valor de energia.

3 Postulado: No permitido a um eltron permanecer entre dois desses nveis.

4 Postulado: Fornecendo energia (trmica, eltrica,...) a um tomo, um ou mais eltrons a absorvem e saltam para nveis mais afastados do ncleo (mais energticos). Ao voltarem s suas rbitas originais, devolvem a energia absorvida em forma de luz ondas eletromagnticas (fton).

5 Postulado: Ao voltarem s suas rbitas originais, devolvem a energia absorvida em forma de luz ondas eletromagnticas (fton).

uma onda eletromagntica que se propaga no vcuo e possui perturbaes oscilantes dentro do campo visvel do olho humano. v = . fv: velocidade : comprimento de onda f: freqncia Exemplos: Ondas do mar, Som, Onda ssmica, Luz, Ondas de rdio, Luz Raio X.

LUZ

Se a luz de uma lmpada comum atravessa um prisma, ela ser decomposta em varias cores, obtemos assim o espectro da luz visvel:

Espectro da Luz

Espectro da Luz

APLICAES DO MODELO DE BOHR: FOGOS DE ARTIFCIO

Um fogo de artifcio composto basicamente por:

1) Plvora: mistura de enxofre, carvo e salitre nitrato de potssio.

2) E por um sal de um elemento determinado: o que ir determinar a cor da luz produzida na exploso.

A plvora, em fogos de artifcio, possui: nitrato de potssio (KNO3); perclorato de potssio (KClO4) ou clorato de potssio (KClO3). Estes compostos so denominados oxidantes e so altamente explosivos.

A luz produzida a partir da emisso de energia, por um eltron excitado, que volta para o nvel de energia menos energtico de um tomo. (modelo de Bohr)

As cores das chamas para alguns elementos : Figura | A B C D E F | | | | | Elemento Clcio Brio Sdio | | Amarela intensa Violeta Cor da Chama

Potssio Ltio

|

Cobre

|

| Amarela Esverdeada Verde Azulada Vermelha

|

| Amarela Avermelhada

|

APLICAES DO MODELO DE BOHR:

LUMINOSOS DE NEON

Os letreiros luminosos, muito usados em publicidade, utilizam principalmente gs nenio (Ne), por isso so conhecidos com luminoso de neon Os eltrons desse gs so excitados e, na sua volta orbita original, emitem luz

TONALIDADE DOS LUMINOSOS DE NEONNenio (Ne) puro luz vermelha Nenio (Ne) + Gs carbnico (CO2) luz violeta Nenio (Ne) + Mercrio (Hg) luz azul

ESTUDO DA ELETROSFERANVEIS E SUBNVEIS DE ENERGIA

MODELO DE RUTHERFORD-BOHR

Sommerfeld (1916)Os Nveis de Energia estariam divididos em regies ainda menores (Subnveis de Energia) Os subnveis so designados por letras minsculas: s (sharp = ntido), p (principal), d (diffuse = difuso), f (fundamental), g, h e i, sendo esses 3 ltimos ausentes no diagrama convencional.

Os subnveis suportam no mximo: s - 2 eltrons. p - 6 eltrons. d - 10 eltrons. f - 14 eltrons.

Cada camada da eletrosfera dividida em subnveis:A camada K (2) composta pelo subnvel s. A camada L (8) composta pelos subnveis s e p. A camada M (18) composta pelos subnveis s, p, d. A camada N (32) composta pelos subnveis s, p, d, f. A camada O (32) composta pelos subnveis s, p, d, f. A camada P (18) composta pelos subnveis s, p, d. A camada Q (8) composta pelos subnveis s, p

DIAGRAMA DE LINUS PAULING: DISTRIBUIO DOS ELTRONS EM ORDEM CRESCENTE DE ENERGIA

O MODELO DE SUBNVEIS DE ENERGIALinus C. Pauling quem apresentou a teoria at o momento mais aceita para a distribuio eletrnica. De acordo com a mecnica quntica o ELTRON de um tomo pode ser encontrado nas CAMADAS CONCNTRICAS que rodeiam o ncleo.

+ prxima do ncleo

Cada camada contm subcamadas conhecidas como SUBNVEL DE ENERGIA. Os ORBITAIS so agrupados nesses subnveis de energia.

Um ORBITAL nos indica a energia do eltron e a regio do espao em torno do ncleo onde o eltron mais provavelmente encontrado.

Subnvel s

Subnvel p

Subnvel d

Subnvel f

Uma caracterstica destas camadas que cada uma delas possui um nmero mximo de eltrons que podem comportar, conforme tabela que segue:Camada K L M N O P Q Nmero mximo de eltrons 2 8 18 32 32 18 8

Pauling apresentou esta distribuio dividida em nveis e subnveis de energia, em que os nveis so as camadas e os subnveis divises destes:Subnvel Camada K L M N O P Q Nvel 1 2 3 4 5 6 7 s2 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 3d 4d 5d 6d 4f 5f p6 d10 f14

Total de eltrons 2 8 18 32 32 18 2

Cada ORBITAL ATMICO tem forma e energia caractersticas e ocupa uma regio no espao. Quanto + perto o ORBITAL est do ncleo, menor a sua energia. O Princpio Aufbau um conjunto de regras e princpios que regulam o preenchimento dos orbitais atmicos: 1) Os orbitais devem ser preenchidos em ordem crescente de energia. Esta pode ser obtida seguindo as diagonais do Diagrama de Linus Pauling:

Distribuio de eltrons em um tomoA distribuio eletrnica de um tomo refere-se colocao dos eltrons nos diversos nveis de energia, subnveis e orbitais

Distribuio de eltrons em um tomoREGRAS PARA O TOMO FUNDAMENTAL

1) Em um tomo neutro o no de eltrons = ao nmero atmico (Z). 2) 0s eltrons vo sempre para o subnvel de menor energia. 3) Em um orbital pode haver no mximo 2 eltrons e eles sero de SPINS OPOSTOS.SPIN ANTI-HORRIO SPIN HORRIO

4) Dados vrios orbitais de mesma energia (mesmo subnvel), o eltron vai para o orbital que estiver vazio. 5) A ordem de preenchimento dos subnveis fornecido pelo DIAGRAMA DE PAULING

Distribuio de eltrons em um tomo Zircnio (Zr) Z = 40

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2

Note que o subnvel 4s2 aparece antes do 3d10, de acordo com a ordem crescente de energia. No entanto, a distribuio pode ser feita ordenando os subnveis existentes por nvel (camada) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p64d2 5s2

CUIDADO!!!!! O SUBNVEL MAIS EXTERNO NEM SEMPRE O MAIS ENERGTICO

Distribuio eletrnica de ons tomo de sdio (Na) Z = 11

1s2 2s2 2p6 3s1

Camada de valncia

Ction de Na+ perdeu um eltron 1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6

CTION

Distribuio eletrnica de ons tomo de oxignio (O) Z = 8

1s2 2s2 2p4

Camada de valncia

nion de O2- ganhou dois eltrons 1s2 2s2 2p4 1s2 2s2 2p6

NION