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BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

Crédito: Sprace

ProfessorHugo B. Suffredini

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Site:www.suffredini.com.br

PARTÍCULAS ELEMENTARESe

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

PARTÍCULAS ELEMENTARES

© Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

BIK0102 – Estrutura da Matéria

Você deve conhecer, do ensino médio, o átomo de Rutherford.

Os elétrons, até onde conhecemos hoje, são partículas elementares.( elementar = indivisível )

O núcleo é composto por prótons e neutrons que, por sua vez, não são elementares.

prótonneutron

Prótons e neutrons contem partículas menores chamadas quarks. Os quarks são, até onde sabemos, elementares.

quark up

quark down


Partículas Elementares



A natureza elementar da matéria é estudada através de experimentos de colisões.

LHC, próximo a Genebra, na fronteira Suíça - França.

Túnel de 27Km de circunferência, com equipamentos resfriados a hélio líquidoa uma temperatura de −271.25° C





Pergunta: como as partículas elementares conseguem se organizar em estruturas de tamanhos tão diferentes, e tão complexas, como observamos na natureza?

Resposta: em última instância, graças às interações fundamentais (ou forças elementares) que são sentidas por estas partículas elementares.

Resumo: tudo que existe no universo é feito de átomos, que por sua vez são feitos por partículas menores, indivisíveis, chamadas de partículas elementares.


FORÇA

INTERAÇÃO

interação (s. f.)1. Influência recíproca de dois ou mais elementos.2. Psicol. Fenômeno que permite a certo número de indivíduos constituir-se em grupo, e que consiste no fato de que o comportamento de cada indivíduo se torna estímulo para outro.3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre duas partículas.

fonte: www.priberam.pt/DLPO

FORÇAS ELEMENTARES



Interações de contato: exigem um contato direto entre os corpos envolvidos.

FORÇAS ELEMENTARES

Interações de campo: agem mesmo que nãosem contato direto entre os corposenvolvidos.

Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra.


GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)

PUXÕES EMPURRÕES ATRITO ..... INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

interações de contato

interações de campo

FORÇASELÉTRICAS

FORÇASMAGNÉTICAS

FORÇAS ELEMENTARES


FORÇAS ELEMENTARES

Relembremos que o átomo é composto por partículas com carga negativa (elétrons) e positiva (prótons) em igual número, ou seja, tipicamente o átomo é eletricamente neutro.

Uma vez que os átomos são neutros, o que faz com que eles se unam formando moléculas estáveis?

Resposta: A força residual eletromagnética. As partes carregadas de um átomo podem interagir com as partes carregadas de outro átomo. Isso permite que diferentes átomos se juntem.



FORÇAS ELEMENTARES

Portanto, a força eletromagnética é responsável, em última instância, por todas as ligações químicas entre átomos.

Ou seja, toda a química existe porque existe a interação eletromagnéticas. Ela é responsável por todas as propriedades químicas dos diferentes elementos.

A vida depende necessariamente de um conjunto extremamente complexo de reações químicas. Por isto, a existência da interação eletromagnética é também, em última instância, o que propicia a existência da vida.



FORÇAS DE CONTATO não são mais que o produto das

interações eletromagnéticasentre os átomos da superfície

dos materiais

FORÇAS COMO PUXÕES EMPURRÕES ATRITO ....não são elementares, mas sim resultados de interações eletromagnéticas.

FORÇAS ELEMENTARES

Além disso, sempre que temos duas superfícies “em contato”, os átomos que compõem as duas superfícies estão tão próximos que podem exercer forças eletromagnéticas uns entre os outros...



LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

FORÇAS ELEMENTARES



próton neutron

“FORÇA” NUCLEAR FORTE

“FORÇA” NUCLEAR FRACA

FORÇAS ELEMENTARES

A lista de interações fundamentaisestá quase completa.Existem só mais duas interações, que foram descobertas mais recentemente, e que basicamente só “funcionam” dentro do núcleo atômico.



LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA INTERAÇÃO NUCLEAR FRACA INTERAÇÃO NUCLEAR FORTE

Esta é, até onde sabemos, uma lista completa de todas as interações elementares observadas no universo.

É uma lista surpreendentemente curta – representa uma grande síntese do conhecimento físico acerca do universo.

Mas a lista pode ser ainda menor!

FORÇAS ELEMENTARES



BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

HIPÓTESE ATÔMICA

Crédito: Sprace

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Estados da matéria

http://www.cave.com.br/cave2009/images/conteudo/quintoestado.gif

O conceito de átomo antecede a ciência moderna:

▪ Origem na antiga Grécia

▪ Discussão da divisibilidade de matéria

▪ A partir do século XVII – avanços da ciência na explicação de fenômenos naturais – metodologia científica

Hipótese Atômica

Hipótese na Antiquidade

No séc. V e III a.C., conjecturou-se que a matéria seria composta departículas minúsculas e indestrutíveis que caminham no vazio(vácuo).

O filósofo grego Demócrito no século VI a. c. propôs a hipótese deque a matéria é composta de átomos, partículas muito pequenas,indivisíveis, indistingüíveis e eternas. As diferentes propriedades damatéria viriam dos diferentes tipos de arranjos que essas partículasfariam para compor o objeto.

Demócrito Leucipo EpicuroOs átomos de

Várias formas

Conceito de elementos

Boyle define elementos como sendo certos corpos não formados por quaisquer outros corpos, ou seja, são ingredientes dos quais

todos os corpos são feitos.

▪ Evolução da química: estudos qualitativos ciência exata, estudos quantitativos.

Origens da Teoria Atômica e da Química

▪ Séc. XVIII: contribuição de Lavoisier para a sistematização e quantificação da química.

Lavoisier: um elemento químico é amenor porção de uma substância queainda apresenta as mesmas propri-edades químicas e não pode ser sub-dividido e outros elementos.

Bases Experimentais para a Teoria Atômica

1) Lei da conservação das massas

2) Lei das proporções definidas

3) Lei das proporções múltiplas

Lei da Conservação de Massas

A massa total é a mesma antes e após uma reação química.

“Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”.

A conservação de massas é compatível com a idéia deque a matéria é composta por unidades básicas (átomos),que não são criados e nem destruídos durante umatransformação química, e sim apenas rearranjados.

CH4 + 2 O2 —→ CO2 + 2 H2O

Modelo Atômico de Dalton (1808)

Toda substância é composta de pequenas

partículas indivisíveis chamadas átomos.

Modelo Atômico de Dalton (1808)

▪ Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam asmesmas propriedades. Átomos de diferentes elementos químicostêm propriedades químicas diferentes.

▪ Durante uma reação química, nenhum átomo de determinadoelemento desaparece ou se transforma em um átomo de outroelemento. Os átomos apenas se reagrupam (lei da conservação demassas).

▪ Formam-se substâncias compostas quando se combinam átomosdistintos de mais de um elemento. Num dado composto químico,os números relativos de átomos de cada elemento são definidos econstantes e podem expressar-se como inteiros ou frações simples(lei das proporções definidas e múltiplas).

Lei de Gay-Lussac: a pressão e temperaturaconstantes, os volumes de gases que secombinam quimicamente guardam entre siproporções simples.

Lei das Combinações Volumétricas

2m³ de gás hidrogênio +

1m³ de gás oxigênio= 2m³ de vapor de água

1m³ de gás nitrogênio +

3 m³ de gás hidrogênio= 2m³ de vapor de amônia

1m³ de gás hidrogênio +

1m³ de gás cloro= 2m³ de cloreto de hidrogênio

1 mol de átomos = 6,02 × 1023 átomos

Unidades Básicas do Sistema Internacional

Quantidade de Matéria e o Conceito de mol

constante de Avogadro (número de átomos presentes em 12 g de 12C)

1 mol de Átomos de Diversos Elementos

1 mol de átomos = 6,02 × 1023 átomos

Número de grãos de areia numa quadra de vôlei de praia: ~ 5 × 1011

C12 g

S32 g

Pb207 g

Hg201 g

Cu64 g

Relações de massa entre os componentes de uma reação química:

CONSERVAÇÃO DE MASSA

CH4 + 2 O2 —→ CO2 + 2 H2O

1 mol 2 mol 1 mol 2 mol

16 g 2 × 32 g 44 g 2 × 18 g

massa dos reagentes: 80 g massa dos produtos: 80 g

Estequiometria

Equações Químicas

H2 + O2 → H2O

1° passo: representação de átomos e moléculas envolvidos na reação

H + O → H2O

INCORRETO:

as substâncias hidrogênio e oxigênio não são formadas por átomos isolados, e sim por moléculas diatômicas

hidrogênio + oxigênio → água

✓CORRETO:

porém ainda incompleto (falta o balanceamento)

Equações Químicas

2° passo: balanceamento da equação (encontrar a proporção entre os componentes, de modo que nenhum átomo seja criado nem destruído durante a reação química)

hidrogênio + oxigênio → água

H2 + ½ O2 → H2O

2 H2 + O2 → 2 H2O H2 + O2 → H2O2

CORRETOS

✓INCORRETO:

H2O2 representa a substância peróxido de hidrogênio, e não água

H2O2

2 H2O

Exemplo: Produção de Ferro

? Fe2O3 + ? C —→ ? Fe + ? CO2

Qual a massa de ferro metálico que pode ser obtida de 1 t de minério?

Massas molares: Fe (56 g/mol), C (12 g/mol), O (16 g/mol)

Elemento Químico: Conceito Atual (IUPAC)

1. Espécie de átomos, todos os átomos com o mesmo número de prótons no núcleo.

2. A substância química pura constituída por átomos com o mesmo número de prótons no núcleo. Às vezes, este conceito é chamado de “substância elementar”, distinta do conceito de elemento químico tal como definido no ítem 1. Usualmente, o termo elemento químico é usado para ambos os conceitos.

Substância Química

Matéria de composição constante, caracterizada pelas entidades (moléculas, unidades de fórmula, átomos) de que é constituída. Propriedades físicas, como densidade, índice de refração, condutividade elétrica, ponto de fusão, etc caracterizam a substância química.

Substâncias simples: formadas por átomos do mesmo elemento.

Substâncias compostas: formadas por dois ou mais elementos

✓Formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo

denominada componente.

✓Como as misturas apresentam composição variável, têm

propriedades — como ponto de fusão, ponto de ebulição,

densidade — diferentes daquelas apresentadas pelas

substâncias quando estudadas separadamente.

Mistura

Composição do ar:

• gás nitrogênio (N2) = 78%;

• gás oxigênio (O2) = 21%;

• gás argônio (Ar) = 1%;

• gás carbônico (CO2) = 0,03%.

Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.

Mistura

Fase: cada uma das porções que apresenta aspecto visual

homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não,

mesmo quando observado ao microscópio comum.

Tipos de Misturas

Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase

➢ As misturas homogêneas são chamadas soluções.

➢ Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool

hidratado, pinga, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e

algumas ligas metálicas.

➢ Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são

sempre misturas homogêneas.

Tipos de Misturas

Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases

➢ Alguns exemplos: água e óleo, areia, granito, madeira,

sangue, leite, água com gás.

➢ As misturas formadas por n sólidos apresentam n fases,

desde que estes sólidos não formem uma liga ou um cristal

misto.

Tipos de Misturas

Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases

Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.

Tipos de Misturas

Soluções versus Colóides/Suspensões

açúcar + água: moléculas individuais dispersas no solvente

óleo + sabão + água: aglomerados de moléculas de óleo (pequenas gotas) dispersas em água

tamanho das partículas: ordem de 0,1 – 1 nm(moléculas pequenas)

tamanho das gotas: ordem de 1 nm – 1 m

COLÓIDES E

SUSPENSÕES

EfeitoTyndall

Efeito Tyndall

espalhamento de luz

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=XEAiLm2zuvc

Mais informações: https://infograph.venngage.com/p/89761/types-of-mixtures

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=XEAiLm2zuvc

PARA CASA:

A ferrugem é uma mistura de dois compostos de ferro. Em uma peçade ferrugem foram analisados esses dois compostos e verificaram-se dois arranjos possíveis de ferro, oxigênio e hidrogênio: (1) com 52.12% de ferro, 45.04% de oxigênio e 2.84% de hidrogênio; (2) com 62.20% de ferro, 35.73% de oxigênio e 2.25% de hidrogênio (porcentagens de massa!). Identifique os compostos químicos e diga como esses dados estão relacionados com a lei das proporções múltiplas

Massas molares em g/mol: Fe (56); O (16), H (1)

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