Átomos: estrutura eletrÔnica. o que fazem os elétrons? como eles se mantém em órbita? as leis...

ÁTOMOS:

ESTRUTURA ELETRÔNICA

O que fazem os elétrons?

Como eles se mantém em órbita?

As leis da física eram insatisfatórias para descrever movimento de partículas tão pequenas quanto os átomos.

Bohr propôs a elucidação da estrutura atômica pelo estudoda natureza da luz emitida pelas substâncias a temperatura alta ou sob influência de descarga elétrica

Melhor maneira de investigar a estrutura atômica - estudoda interação dos átomos com a radiação eletromagnética

•Todas as ondas têm um comprimento de onda característico, , e uma amplitude, A.

•A frequência, , de uma onda é o número de ciclos que passam por um ponto em um segundo.

•A velocidade de uma onda, v, é dada por sua frequência multiplicada pelo seu comprimento de onda.

•Para a velocidade da luz = c = 2,99x108 m.s-1.

Propriedades das Ondas

λ é geralmente expresso em metros (m) ou nm (visível)ν é expressa em s-1 (hertz – Hz)

Natureza Ondulatória

•A radiação eletromagnética se movimenta através do vácuo com uma velocidade de 2,99 x 108 m/s.

•As ondas eletromagnéticas têm características ondulatórias semelhantes às ondas que se movem na água.

Natureza Ondulatória

Natureza Ondulatória

• Planck: a energia só pode ser liberada (ou absorvida) por átomos em pacotes, chamados quantum (mais tarde denomidos fótons).

• A relação entre a energia de um fóton e a frequência é

onde h é a constante de Planck (6,626 10-34 J s).

• O efeito fotoelétrico fornece evidências para a natureza de partícula da luz - “quantização”.

Para entender a quantização, considere a subida em uma rampa versus a subida em uma escada:

Para a rampa, há uma alteração constante na altura, enquanto na escada há uma alteração gradual e quantizada na altura.

hE

Energia e Fótons

Einstein supôs que a luz trafega em pacotes de energia denominados fótons.

A energia de um fóton:

hc

hE

Energia Quantizada e Fótons

À medida que frequência aumenta , energia aumenta

À medida que comprimento de onda aumenta, energia diminui

PROBLEMAS NUMÉRICO

1-Os aparelhos de CD (compact disc) operam com lasers que emitem luz vermelha com o de 685 nm. Qual é a energia de um fóton desta luz? h = 6,63x10-34 J.s

(nm) ( m)

2- A luz violeta tem =410nm. Qual a sua frequência? Qual é a energia de um fóton de luz violeta? Qual a energia de 1,0 mol de fótons violeta? Compare a energia do fóton de luz violeta com a energia de um fóton de luz vermelha. Qual tem mais energia? Por qual fator?

Modelo de BohrModelo de Bohr

Bohr propôs alguns postulados:

• O elétron se move em torno de um núcleo em uma órbita fixa.

• As órbitas do elétron são restritas, isto é, nem todas órbitas são permitidas em qualquer situação

• Os elétrons em órbita NÃO emitem energia eletromagnética. Emissão de energia (ou absorção) ocorre somente na passagem de níveis.

• Cada órbita tem uma energia associada, e a diferença de energia entre dois níveis é igual à energia emitida/absorvida na mudança.

12 EEh

• Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória.

• Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie propôs que todo tipo de matéria apresenta propriedades ondulatórias:

O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquanto λ é uma propriedade ondulatória.

• De Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas, com efeitos notáveis se os objetos são pequenos.

O comportamento O comportamento ondulatório da matériaondulatório da matéria

mvh

• Considere uma bola (0,150 Kg) se movendo a 41,6 m/s

• Um elétron na mesma velocidade:

mxsmKg

ssKgmx

sKgmJ

smKg

sJx

342234

22

34

1006,1)/6,41)(150,0(

/10626,6

)/6,41)(150,0(

/10626,6

mxsmKgx

ssKgmx

sKgmJ

smKgx

sJx

531

2234

22

31

34

1075,1)/6,41)(10109,9(

/10626,6

)/6,41)(10109,9(

/10626,6

Fora do espectro eletromagnético

Região IV

O princípio da incerteza de Heisenberg: na escala de massa de partículas atômicas, não podemos determinar exatamente a

posição, a direção do movimento e a velocidade simultaneamente.

•Para os elétrons: não podemos determinar seu momento e sua posição simultaneamente.

Nova abordagem da estrutura atômica leva em conta natureza ondulatória do elétron, seu comportamento é descrito em termos apropriados para ondas.Modelo descreve precisamente a energia do elétron e define sua localização em termos de probabilidades.

O princípio da incerteza

• Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula.

• A resolução da equação leva às funções de onda (ψ).

• A função de onda fornece o contorno do orbital eletrônico.

• O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo.

Mecânica quântica e Mecânica quântica e orbitais atômicosorbitais atômicos

Mecânica quântica e Mecânica quântica e orbitais atômicosorbitais atômicos

Mecânica quântica e orbitais atômicos

Orbitais e números quânticos• Se resolvermos a equação de Schrödinger, teremos as funções de

onda e as energias para as funções de onda.

• Chamamos as funções de onda de orbitais.

• A equação de Schrödinger necessita de três números quânticos:

1. Número quântico principal, n. Informa a respeito da energia do orbital. À medida que n aumenta, o orbital torna-se maior e o elétron passa mais tempo mais distante do núcleo. n pode ser qualquer número inteiro de 1 a

Mecânica quântica e orbitais atômicos

Orbitais e números quânticos

• Os orbitais podem ser classificados em termos de energia para produzir um diagrama de Aufbau.

• Observe que o seguinte diagrama de Aufbau é para um sistema de um só elétron.

• À medida que n aumenta, o espaçamento entre os níveis de energia torna-se menor.

Mecânica quântica e orbitais atômicos

Orbitais e números quânticos

Mecânica quântica e orbitais atômicos

Representações dos orbitais

Orbitais s• Todos os orbitais s são esféricos.

• À medida que n aumenta, os orbitais s ficam maiores.

Orbitais p

• Existem três orbitais p, px, py, e pz.

• Os três orbitais p localizam-se ao longo dos eixos x-, y- e z- de um sistema cartesiano.

• As letras correspondem aos valores permitidos de ml, -1, 0, e +1.

• Os orbitais têm a forma de halteres.

• À medida que n aumenta, os orbitais p ficam maiores.

• Todos os orbitais p têm um nó no núcleo.

Representações dos orbitais

Representações dos orbitais

Orbitais p

Orbitais d e f

• Existem cinco orbitais d e sete orbitais f.

• Três dos orbitais d encontram-se em um plano bissecante aos eixos x-, y- e z.

• Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x-, y- e z.

• Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada.

• Um orbital d tem dois lóbulos e um anel.

Representações dos orbitais

Representações dos orbitais

• Elétron comporta-se como se tivesse uma rotação, como a Terra.

• A descrição completa de um elétron em um átomo requer quatro números quânticos: n, l, ml

, ms

Representações dos orbitais

Atribuição dos elétrons

• Para formar um cátion a partir de um átomo neutro, um ou mais elétrons de valência são removidos:

Na: 1s2 2s2 2p6 3s1

Na+: [1s2 2s2 2p6 ]+ e-

Átomos e íons com elétrons desemparelhados são paramagnéticos (podem ser atraídos por um campo magnético). Do contrário são ditos diamagnéticos.

Configuração eletrônica dos íons

• Exercícios

1- Dê a configuração eletrônica do enxofre, usando as notações spdf, do gás nobre e de orbitais em caixas. Z=16

2- Dê a configuração eletrônica do cobre, e dos seus íons +1 e +2. Algum desses é paramagnético? Quantos elétrons desemparelhados há em cada um deles? Z=29

3- Utilizando a configuração eletrônica condensada para elétrons mais internos e de quadrículas para elétrons de valência, determine o número de elétrons desemparelhados nos seguintes átomos:

Ti - (Z=22)Ga - (Z=31)Rh - (Z=45)I - (Z=53)

4- Dê a configuração de orbitais em caixas para K+ e Cl-.