CONSTITUIÇÃO DAS SUBSTÂNCIAS - midia.atp.usp.br · 5.3 Configurações eletrônicas 5.4 A tabela Periódica 5.5 Propriedades Periódicas dos Elementos ... • Saber como localizar

TPI

CO

Licenciatura em cincias USP/ Univesp

5.1 Introduo5.2 Modelo atmico de Bohr5.3 Configuraes eletrnicas5.4 A tabela Peridica5.5 Propriedades Peridicas dos Elementos

5.5.1 Tamanho dos tomos: raio atmico e raio inico5.5.2 Energia de ionizao5.5.3 Afinidade eletrnica5.5.4 Eletronegatividade

Qum

ica

Guilherme A. MarsonErick MontagnaLeila C. Reruya

Ana Cludia Kasseboehmer

COnsTITuIO dAs suBsTnCIAs: PARTCuLAs ATMICAs 5

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Qumica AMBIENTE NA TERRA

Licenciatura em Cincias usP/univesp

Objetivos Relembrar o modelo atmico de Bohr visto em Estrutura da Matria; Compreender a distribuio eletrnica dos tomos; Saber como localizar as informaes dos elementos qumicos na tabela peridica e

as principais propriedades peridicas desses elementos.

5.1 IntroduoVocs estudaram, na disciplina Estrutura da Matria, diferentes modelos para explicar a constitui-

o dos tomos, que foram sendo propostos na medida em que o modelo ento vigente se tornava

insuficiente para explicar determinados fenmenos da natureza. Atualmente, o modelo atmico

utilizado o proposto por . Neste tpico, partiremos desse modelo para introduzir

outros contedos importantes para a qumica, que so a distribuio eletrnica e a Tabela Peridica.

5.2 Modelo atmico de BohrDe acordo com o modelo atmico de Bohr, o tomo constitudo de um ncleo, onde se

encontram os prtons e os nutrons, e de uma eletrosfera, na qual possvel descrever, apenas

em termos de probabilidade, a localizao dos eltrons empregando-se os nmeros qunticos.

Esses nmeros qunticos designam os arranjos eletrnicos de todos os tomos e seus res-

pectivos eltrons nas suas configuraes, isto , permitem-nos diferenciar cada eltron da

eletrosfera, de acordo com sua energia, em relao regio do espao onde mais provvel

encontr-lo, ou seja, o seu orbital.

Na semana passada, voc elaborou individualmente um procedimento experi-mental para o problema de produo do biodiesel.Durante esta semana, interaja com seus colegas no frum de discusses para esta-belecerem um procedimento experimental para o grupo realizar na aula presen-cial e, depois, public-lo na wiki.Bom trabalho!

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TPICO 5 Constituio das substncias: partculas atmicas


Os nmeros qunticos so definidos a seguir:

1. Nmero quntico principal, n: um nmero inteiro positivo, que descreve o nvel de energia principal e est re-

lacionado distncia do ncleo, podendo assumir os valores

n = 1, 2, 3, 4...A Figura 5.1 ilustra os nveis de energia possveis da eletrosfera,

que caracterizam o nmero quntico principal e tm valores de

energia especficos.

2. Nmero quntico do momento angular, l: um nmero inteiro, cujo valor pode estar entre 0 at (n 1), e descreve a forma da regio no espao de maior probabilidade de encontrar o eltron numa dada distncia do ncleo. Dentro de um nvel (n), existem subnveis ou subcamadas diferentes, cada um com uma forma caracterstica indicada por l.

Convencionou-se que cada subnvel representado por uma letra correspondente.

l = 0,1,2, 3 ..., (n 1)s p d f

Para n = 1 (primeira camada), o valor mximo de l zero, h apenas um subnvel s e nenhum subnvel p.

Para n = 2 (segunda camada), l vai de 0 a 1; portanto, existem apenas subcamadas p e s. E assim por diante.

Figura 5.1: Nveis de energia na eletrosfera. / Fonte: modificado de Banco de Imagens LENAQ/UFSCar.

( )0,1,2, , 1l n=

Clique no cone e veja, na Animao 5.1, as representaes dos orbitais s, p, d indicados pelo nmero quntico secundrio. Os orbitais representam a regio de

maior probabilidade de encontrar os eltrons, que a extremidade de cada orbital.

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Existem ainda outros nmeros qunticos que nos permitem descrever o estado energtico

de cada eltron na eletrosfera de qualquer elemento qumico, que so o nmero quntico

magntico e o nmero quntico de spin.

5.3 Configuraes eletrnicas possvel determinar uma configurao eletrnica nica para cada elemento. Podemos usar um

diagrama como na Figura 5.2. A energia dos orbitais aumenta com o aumento do valor do nmero

quntico n. Para um dado valor de n, a energia aumenta com o crescente valor

de l. Assim, dentro de um nvel principal, o subnvel s o de mais baixa energia, o sub-nvel p o seguinte, depois d, f, e assim por diante. Para facilitar a representao dos

orbitais, duas regras gerais sobre as confi-

guraes eletrnicas devem ser aplicadas:

1 Os eltrons so distribudos em orbitais em ordem de valor cres-

cente de n.2 Em subcamadas com o mesmo

valor de (n + l ), os eltrons so distribudos primeiro no sub-

nvel com menor n.

Como viram anteriormente, os modelos so representaes criadas para dar suporte ao raciocnio cientfico. Por isso, quando utilizamos representaes de tomos para discutir um assunto, no h necessidade de representar o ncleo e a eletrosfera, podemos utilizar o modelo atmico de Dalton e representar os tomos como esferas macias. Isso facilita a visualizao do fato que queremos representar e permitido cientificamente. Por isso, a partir do Tpico 10, quando estuda-remos transformaes qumicas, ser o modelo de Dalton o principal modelo adotado para as representaes submicroscpicas.

Figura 5.2: Um diagrama simplificado de energia indicando a sequncia de preenchimento.

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Estas regras decorrem do fato de no existirem dois eltrons em um tomo com conjuntos

idnticos de quatro nmeros qunticos. Isso o chamado Princpio de Excluso de Pauli. Por

conveno, os orbitais atmicos so indicados como __ e mostram o eltron desemparelhado

como e eltrons emparelhados como . O eltron desemparelhado aquele que ocupa sozinho um orbital (Tabela 5.1).

Notao OrbitalNotao Simplificada

1s 2s 2p

3Li 1s22s1

ou

[He] 2s1

4Be 1s22s2 [He] 2s2

5B 1s22s22p1 [He] 2s2 2p1

6C 1s22s22p2 [He] 2s2 2p2

7N 1s22s22p3 [He] 2s2 2p3

8O 1s22s22p4 [He] 2s2 2p4

9F 1s22s22p5 [He] 2s2 2p5

10Ne 1s22s22p6 [He] 2s2 2p6

Tabela 5.1: Distribuio eletrnica para elementos da segunda linha da tabela peridica. Podemos representar as configuraes eletrnicas de forma simplificada, j que o nmero de eltrons igual ao nmero de prtons, e o nmero de prtons crescente na tabela peridica. Assim, no segundo perodo, todos os elementos tero a primeira camada completa, tal qual o elemento He. Logo, para evitar reescrever a mesma configurao diversas vezes, podemos escrever [He] e continuar a configurao a partir de n = 2.

Nota-se, na Tabela 5.1, que os tomos de B, C, N e O tm eltrons desemparelhados num

mesmo conjunto de orbitais no mesmo subnvel. Isso ilustra a Regra de Hund: eltrons ocupam

todos os orbitais de um subnvel individualmente antes de serem acomodados outros eltrons

no orbital, ou seja, antes do emparelhamento de outro eltron.

A tabela peridica moderna baseada na organizao dos elementos segundo o seu nmero

atmico. Ela organiza to bem os elementos em termos de suas propriedades fsicas e qumicas,

porque o nmero atmico indica o nmero de eltrons. A sistemtica desenvolvida a partir da

mecnica quntica permite-nos, ento, a partir do numero atmico, determinar a distribuio

energtica dos eltrons na eletrosfera. Com isto em mos, possvel responder a uma srie de

perguntas sobre como os tomos se ligam uns aos outros e, assim, explicar o comportamento

qumico dos elementos e seus compostos.

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5.4 A tabela PeridicaA tabela peridica foi originalmente proposta por Dmitri Mendeleiev.

5.5 Propriedades Peridicas dos Elementos

A periodicidade fundamental para a compreenso do comportamento qumico dos ele-

mentos e seus compostos, pois nos fornece meios para caracterizar e comparar as ligaes

entre tomos dos diferentes elementos. Alm disso, muitas propriedades fsicas, como densidade,

ponto de fuso, ponto de ebulio, mostram variaes peridicas. As variaes nessas proprie-

dades dependem das configuraes eletrnicas, especialmente das configuraes nas camadas

eletrnicas mais externas, e da distncia dessas camadas a partir do ncleo.

5.5.1 Tamanho dos tomos: raio atmico e raio inico

Com exceo dos gases nobres, na maioria dos casos, os tomos dos elementos no se

encontram isolados, estando ligados a tomos do mesmo elemento (substncias simples) ou a

tomos de outros elementos (substncias compostas). Levando-se em conta que o raio de um

tomo dado por sua eletrosfera, essas interaes entre eletrosferas nos compostos determinam

o tamanho efetivo do tomo. Experimentalmente, possvel determinar os raios atmicos pelas

distncias observadas entre os tomos num composto. Vejamos o caso do elemento bromo.

A distncia entre os ncleos na molcula de Br2 de 2,30 . Isto sugere que o raio de cada

tomo Br metade da distncia interatmica, ou 1,15 . Este chamado raio covalente, e

Na Animao 5.2 temos uma tabela peridica, da qual possvel extrair diversas informaes sobre os elementos qumicos conhecidos at hoje.

Clique no cone para acessar a animao e passe o cursor sobre a Tabela Peridica para obter mais informaes sobre os elementos qumicos.

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determinado a partir do tamanho da molcula. Mas o raio pode ser calculado por outros

mtodos, sendo o mais difundido o mtodo de van der Waals.

Um grfico dos valores de raios atmicos covalentes mostrado na Figura 5.3.

O grfico de raios atmicos ilustra perfeitamente a Lei Peridica. Note que a distribuio das

propriedades segue um perfil de dente de serra. O hidrognio (Z = 1) mostra-se claramente

parte da classificao. Cada dente corresponde a um perodo da tabela peridica e, portanto, a

um nmero quntico principal na distribuio eletrnica. Ao longo do pico, uma vez que cada

orbital atmico preenchido a propriedade peridica diminui de valor, atingindo um mnimo

no ltimo elemento do perodo, quando o ltimo orbital atmico preenchido. O elemento

seguinte inicia novo perodo, um nvel quntico principal acima e, portanto, novo pico. Note

que os picos tm uma tendncia ascendente e que, com algumas excees, a ordem em cada

Figura 5.3: Valores de raios atmicos.

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pico segue a ordem das famlias, isto , o primeiro elemento em cada pico um elemento

da famlia IA, o segundo da famlia IIA e assim por diante. Na medida em que atingimos os

elementos do bloco d a variao na propriedade peridica diminui, j que os orbitais admitem at 10 eltrons no mesmo subnvel de energia. Essa tendncia se acentua no caso dos elementos

do bloco f, que admitem at 14 eltrons.

Figura 5.4: Ilustrao da tabela peridica de acordo com o tamanho dos tomos. / Fonte: modificado de Banco de Imagens LENAQ/UFSCar.

O raio atmico aumenta de cima para baixo, dentro de uma famlia, porque eltrons esto

sendo adicionados a camadas mais distantes do ncleo, e diminui da esquerda para a direita,

dentro de um determinado perodo, devido ao aumento da carga nuclear efetiva. tomos de

Hidrognio so os menores e tomos de Csio so os maiores tomos que ocorrem natural-

mente. O raio atmico dos elementos representativos torna-se menor medida que se move da

esquerda para a direita em um perodo na tabela peridica, j que um prton adicionado ao

ncleo e um eltron adicionado a uma camada. Para os elementos de transio, as variaes

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no so to regulares porque os eltrons esto sendo adicionados a um orbital interior. Todos

os elementos de transio tm raios menores que os raios dos elementos dos Grupos IA e IIA

anteriores no mesmo perodo.

Foi visto, na disciplina de Estrutura da Matria, que os tomos podem perder ou ganhar

eltrons quando passam a ser denominados ons, sendo ction um on positivo (pela perda de

eltron) e nion um on negativo (pelo ganho de eltron). A seguir, vamos ver como a ionizao

interfere no tamanho dos tomos.

Figura 5.5: Ilustrao do raio atmico de tomos e os ons correspondentes. / Fonte: modificado de Banco de Imagens LENAQ/UFSCar.

Como pode ser observado na Figura 5.5, a comparao dos raios inicos para a tabela

peridica indica que:

os tamanhos dos ctions diminuem da esquerda para a direita em um perodo; os tamanhos dos nions diminuem da esquerda para a direita em um perodo; ctions e nions aumentam de tamanho ao descer um grupo.

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5.5.2 Energia de ionizao

Ao produzir um ction, um ou mais eltrons so perdidos. A energia necessria para remover

um eltron de um tomo denominada energia de ionizao ou potencial de ionizao.

Carga nuclear efetiva e blindagem

Alm da evoluo das propriedades em funo do nmero atmico que determina a distribuio eletrnica, outros dois conceitos so fundamentais para compreender as propriedades peridicas: carga nuclear efetiva e blindagem eletrnica. medida que avanamos os perodos numa famlia (descemos uma coluna da tabela peridica), aumenta o tamanho do tomo e aumenta o nmero de eltrons entre os eltrons da ltima camada e o ncleo. Esses fatores operam coope-rativamente e resultam na diminuio da fora de atrao destes eltrons perifricos pelo ncleo, porque a fora eltrica cai com o quadrado da distncia. Adicionalmente, os eltrons de camadas intermedirias entre os eltrons perifricos e o ncleo exercem repulso eltrica sobre os eltrons das camadas perifricas. Logo, a fora de atrao eltrica resultante sobre esses eltrons perifricos necessariamente menor do que seria se a repulso no ocorresse. Em outras palavras, a carga nuclear efetiva dos eltrons de camadas mais perifricas menor devido ao efeito de blindagem dos eltrons de camadas internas.O efeito da distncia do ncleo e da blindagem fica claro ao examinarmos as cargas nucleares efetivas para os eltrons do primeiro orbital e para o ltimo orbital atmico preenchido para os gases nobres at o 5o perodo:

Elemento ZCarga efetiva para eltrons 1s

Carga efetiva para eltrons do ltimo orbital ocupado (np)

Diferena entre as cargas efetivas tomada sobre a carga nuclear total (Z), %

He 2 1,7 1,7 (1s) 0Ne 10 9,4 5,8 (2p) -36Ar 18 17,5 6,7 (3p) -60Kr 36 35,2 9,3 (4p) -71Xe 54 52,9 12,4 (5p) -75

Tabela 5.2: Carga nuclear efetiva para alguns elementos qumicos / Fonte: Lide, 2008.

Observe que, para o Hlio, que tem apenas um orbital preenchido, no h diferenas. Na medida em que aumenta a eletrosfera, as diferenas tornam-se muito significativas. Isto ir influenciar todas as propriedades peridicas dos elementos. Note que o efeito da blindagem aumenta muito de perodo em perodo at o quarto perodo. Do quarto perodo em diante, quando comea o preenchimento de orbitais d.

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Energias de ionizao indicam a facilidade de se formar um ction a partir de um tomo

neutro ou de aumentar a carga de um ction existente pela remoo de mais eltrons. Eltrons

podem ser arrancados um a um a partir das camadas mais exteriores, associando a cada retirada

um valor de energia de ionizao. A primeira energia de ionizao (EI1) a quantidade mnima

de energia necessria para remover o eltron mais fracamente ligado em um tomo isolado

gasoso para formar um on com uma carga de 1+. Por exemplo, a energia de ionizao para

ionizar 1 mol de tomos de clcio formando ons Mg+ 738 kJ:

A segunda energia de ionizao (EI2) a quantidade de energia necessria para remover o

segundo eltron. Para o clcio, 1.145 kJ/mol e a representao a seguinte:

A Tabela 5.3 apresenta valores de energia de ionizao de elementos do terceiro perodo:

Elemento e ZIonizaes

1 2 3 4 5Na (11) 496 4.560Mg (12) 738 1.450 7.730Al (13) 577 1.816 2.881 11.600Si (14) 786 1.577 3.228 4.354 16.100P (15) 1.060 1.890 2.905 4.950 6.270S (16) 999.6 2.260 3.375 4.565 6.950Cl (17) 1.256 2.295 3.850 5.160 6.560Ar (18) 1.520 2.665 3.945 5.770 7.230

Tabela 5.3: Energias de ionizao em kJ/mol. / Fonte: Lide, 2008.

A Figura 5.6 mostra um grfico da

primeira energia de ionizao versus

nmero atmico para vrios elementos.

Os gases nobres tm a maior primeira

energia de ionizao, o que explica parcial-

mente a baixa reatividade dos gases nobres.

O Hlio o elemento de maior energia

de ionizao.

(g) (g)Mg 738 kJ Mg e+ + +

2(g) (g)Mg 1,450 kJ Mg e+ + + +

Figura 5.6: Primeiras energias de ionizao para 105 versus nmero atmico.

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Os metais do Grupo IA tm sua primeira energia de ionizao muito baixa, o que se deve

a dois fatores:

so os maiores tomos em seus perodos; logo, no perodo, tm os primeiros eltrons ionizveis mais distantes do ncleo;

possuem apenas um eltron na sua camada de valncia (ns1); portanto, a perda deste eltron os torna isoeletrnicos aos gases nobres, conferindo estabilidade.

Numa famlia, as primeiras energias de ionizao diminuem devido diminuio progres-

siva da carga nuclear efetiva e ao aumento do raio atmico. Ao longo do perodo, o aumento

progressivo da carga nuclear efetiva leva ao aumento da energia de ionizao. Diferentemente

dos elementos do boco s, os elementos do bloco p no se tornam isoeletrnicos a um gs nobre

ao perder eltrons. Portanto, as primeiras energias de ionizao aumentam da esquerda para a

direita e de baixo para cima na tabela peridica.

A anlise comparativa das energias de ionizao permite explicar por que um elemento

ocorre mais frequentemente como parte de compostos inicos ou moleculares: a baixa energia

de ionizao favorece a formao de ctions e as energias de ionizao intermedirias favore-

cem compostos moleculares onde os tomos se ligam por compartilhamento de eltrons.

5.5.3 Afinidade eletrnica

Define-se a afinidade eletrnica (AE) de um elemento como a energia liberada na incorpo-

rao de um eltron na eletrosfera de um tomo neutro:

O sinal negativo indica que a incorporao de um eltron a um tomo neutro libera energia.

Isto ocorre porque a aproximao de um eltron (carga negativa) do ncleo um processo

que diminui sua energia potencial, liberando energia. Devemos atentar ao fato de que, como a

ionizao no o inverso da afinidade eletrnica, os valores de afinidade eletrnica diferem dos

valores de energia de ionizao. A afinidade eletrnica no o reverso da energia de ionizao.

1 1(g) (g)

1 1(g) (g)

F e F e 349 kJ AE 329 kJ/mol

Na e Na e 349 kJ AE 53 kJ/mol

+ + + =

+ + + =

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A Figura 5.7 apresenta alguns valores de afinidade eletrnica.

A evoluo dos valores de afinidade eletrnica indica que os eltrons so mais facilmente

incorporados ao longo do perodo, j que AE aumenta nos perodos. Assim, os elementos

com maior afinidade eletrnica so os elementos da famlia VIIA, os quais, como veremos

no prximo tpico, so tambm os mais eletronegativos. Tais elementos formam nions mais

facilmente. Novamente, podemos explicar parcialmente esta tendncia levando-se em conta

que os elementos do bloco p, ao ganharem eltrons, se tornam isoeletrnicos aos gases nobres. No caso da famlia VIIA, basta um eltron. No por acaso, na natureza, esses elementos ocorrem

sempre na forma de seus respectivos nions: F, Cl, Br e I.

No caso do segundo eltron adicionado, o cenrio muda consideravelmente. A adio de

uma carga negativa a um nion requer energia para superar a repulso eletrosttica, resultando

em valores positivos de afinidade eletrnica para o segundo eltron incorporado.

5.5.4 Eletronegatividade

A anlise dos valores de afinidade eletrnica e de energia de ionizao fornece-nos parme-

tros para explicar a formao de compostos inicos. Devemos esperar, por exemplo, que a com-

binao de elementos com baixo potencial de ionizao na famlia IA e IIA com elementos de

alta afinidade eletrnica das famlias VIA e VIIA origine compostos inicos, o que de fato ocorre.

Devemos considerar, portanto, os casos em que no haja perda e ganho de eltrons, mas as situ-

aes em que os tomos se combinam partilhando eltrons, como ocorre nos compostos ditos

moleculares. Para esses casos, a propriedade peridica mais interessante a eletronegatividade.

Figura 5.7: Afinidade eletrnica de elementos representativos. Valores expressos em kJ/mol.

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A eletronegatividade (EN) de um elemento indica a facilidade relativa com que seus tomos

atraem eltrons quando ligados a outro tomo, isto , quando participam de uma ligao qumi-

ca. Note que esta definio tambm se presta a explicar a formao de ons, mas tem particular

utilidade para compreender os compostos moleculares. A eletronegatividade dos elementos

expressa numa escala relativa estabelecida por Linus Pauling, que chamada escala de Pauling.

Figura 5.8: Afinidade eletrnica de elementos representativos. Os valores de eletronegatividade esto abaixo dos smbolos atmicos.

Aps ler este texto e assistir videoaula, responda ao questionrio para verificar o seu aprendizado.Bom trabalho!

Caso haja dvidas acessar: Frum de dvidas.

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Referncias para a elaborao do tpicoAtkins, P.W. & Jones, L. Princpios de qumica: questionando a vida moderna e o meio

ambiente. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.

BrAdy, J.e.; russeL, J.W. & HoLum, J.r. Qumica: a matria e suas transformaes. 3. ed.

Rio de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos, 2002.

BroWn, t.L.; LemAy, H.e.; Bursten, B.e. & Burdge, J.r. Qumica: a cincia central. 9. ed.

So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

Lide, dAvid r. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of

chemical and physical data. 89. ed. London, 2008.

kotz, J.C.; treiCHeL, P.m. & WeAver, g.C. Qumica geral e reaes qumicas. 6. ed.

So Paulo: Cengage Learning, 2010.

mAHAn, B.m. & myers, J.r. Qumica: um curso universitrio. So Paulo: Edgard Blcher, 1995.

sHriver, d.F. & Atkins, P.W. Qumica inorgnica. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2008.

WHitten, k.W.; dAvis, r.e. & PeCk, m.L. General Chemistry. 5. ed. New York: Heartcourt

College Pub., 1997.

GlossrioNiels Bohr: Autor da descoberta da estrutura do tomo e da posio de eltrons dentro dos tomos.

Bohr: Bohr_QD: Bohr_X:

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