aula 03 - estrutura dos átomos e moléculas

Química Geral

Aplicada a

Engenheira

1º. Sem./2011

Engenharias

Nesta Aula Veremos ...

• Aula 3 – Estrutura dos Átomos e Moléculas

• Estrutura Atômico

• Tabela Periódica

• Propriedades Periódicas

• Introdução a Práticas em Laboratório

Usando um microscópio de tunelamento, pesquisadores da IBM conseguiram

arranjar átomos de ferro (cones azuis) depositados sobre uma superfície de

cobre (em vermelho), formando uma espécie de curral atômico. (Imagem: IBM)

Estrutura Atômica

Nanotecnologia

Estrutura Atômica

Linha do Tempo

625 a.C.

Gregos

Dalton

1º Modelo

Atômico

Experimental

Thomson

Introduziu

Cargas

Elétricas

no Modelo

Atômico

Rutherford

Modelo

Atômico

Nuclear

Camadas

Eletrônicas

Circulares

Modelo Quântico

(atual)

Estrutura Atômica

Partículas Sub-atômicas

próton

elétron nêutron

partícula

prótons

neutros

elétrons

Carga elétrica

1/1840

Estrutura Atômica

No. Atômico e No. de Massa

A = Z + N

Z NÚMERO ATÔMICO: é o número de prótons que um átomo possui.

A NÚMERO DE MASSA: representa a massa aproximada de um átomo.

N NÚMERO DE NÉUTRONS: é o número de néutrons que o átomo possui.

Z = e-

“átomo neutro”

Estrutura Atômica

Partículas Sub-atômicas

Estrutura Atômica

Decomposição da Luz

Estrutura Atômica

Espectro eletromagnético

Estrutura Atômica

Natureza Ondulatória da Luz

c = l x n

Velocidade de

propagação.

Comprimento

de onda.

Freqüência

Estrutura Atômica

Natureza Ondulatória da Luz

Estrutura Atômica

Modelo de Bohr

No início do século XX...

Max Planck Albert Einstein

... foi demonstrado que a energia

é “quantizada”, sendo enviada em

“pacotes” de ondas carregadas

pelos fótons.

A energia de um fóton é

calculada pela expressão:

Em que “h” é a constante de Planck = 6,63 x 10 -34 J x s.

n = frequência da onda (1/ n = comprimento de onda = l) E = h . n

Em 1913, o cientista dinamarquês Niels Bohr, aprimorou o

modelo atômico de Rutherfford, utilizando a Teoria de Max Planck

Estrutura Atômica

Modelo de Bohr

Já sabemos que: e:

Então: Efóton = h x c

“A energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu

comprimento de onda (“c” e “h” são constantes).

Haveria alguma relação entre a energia de um elétron e

o comprimento de onda da luz emitida por um átomo?

c = l x n E = h x n

n = c / l

Estrutura Atômica

Modelo de Bohr

Elétron excitado

• Recebendo energia (térmica, elétrica ou luminosa) do exterior, o e- salta de uma órbita mais interna p/ outra mais externa e a quantidade de energia recebida é bem definida um “quantum”

Elétron retornando

• Ao “voltar” de uma órbita mais externa p/ outra mais interna, o e- emite um “quantum” de energia, na forma de luz de cor bem definida ou outra radiação eletromagnética como: ultravioleta e Raio X

Estrutura Atômica

Teste de Chama

• O modelo de Bohr é fundamentado na teoria dos “QUANTA” de Max

Planck (Passagem de uma partícula de um nível energético para outro

através de um “PACOTE DE ENERGIA” ).

• Segundo a Teoria de Planck, a energia não é contínua.

A freqüência só depende do l . Portanto, se um átomo superaquecido

emite luzes de determinadas cores, isto significa que ele só emite

determinadas energias.

• A energia do fóton (da emissão de radiação eletromagnética)

poderá ser calculada considerando a seguinte expressão:

fóton ν

metros em dado fóton) do onda de to(comprimen λ

Hz) Hertz,(ou s em dado fóton) do a(freqüênci ν

m/s 3,00x10 luz) da e(velocidad c

J.s/fóton 6,63x10 Planck) de (constanteh

Estrutura Atômica

Energia do Fóton

Estrutura Atômica

Tecnologia Química

Fontes de Luz

1 – lâmpadas incandescentes;

2 – lâmpadas fluorescentes;

3 – lâmpadas de halogênios;

4 – LEDs (diodos emissores de luz) e OLEDs

(diodos de emissão de luz orgânicos)

Estrutura Atômica

Exercício

1. O laser em uma impressora a laser padrão emite luz

com comprimento de onda de 780,0 nm. Qual é a energia

de um fóton dessa luz ?

• Dicas: considerar o efeito onda-partícula E=h.c/ l

• h (constante de Plank) = 6,626x10-34 J.s/fóton

• c (velocidade da luz no vácuo) = 3,0x108 m/s

• Atenção com unidades conversão de nm para metros

• Resp.: 2,547x10-19 J

2. Um laser infravermelho para uso em uma rede de

comunicações de fibra ótica emite um comprimento de

onda de 1,2 µm. Qual é a energia de um fóton dessa

radiação?

Estrutura Atômica

Modelo Atual

De Broglie

Heisenberg

Schröndinger

Schrödinger propôs uma equação que contém os

termos onda e partícula.

• A resolução da equação leva às funções de onda.

• 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.

Estrutura Atômica

Modelo Atômico Atual

A equação diferencial contém uma série de

soluções que são chamadas de função de onda

Movimento

do elétron em

3 dimensões

Estrutura Atômica

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. Este é o mesmo n de Bohr.

Tem valores n=1, 2, 3, 4, …

Representa fisicamente o nível (camada) principal em que o

elétron se encontra.

Estrutura Atômica

Orbitais e números quânticos

2. O número quântico azimutal, l.

Podem assumir os valores: l = 0, 1, 2, 3, (n-1)

Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d, f )

Representam fisicamente o sub-nível do elétron e sua forma

geométrica no espaço.

3. O número quântico magnético, m.

Tem os valores: m = -l , 0 , +l

Representa fisicamente a orientação espacial do orbital do elétron, a

quantidade de valores possíveis para l determina o número de orbitais

existentes em um sub-nível l.

Estrutura Atômica

Números Quânticos

1 – Número quântico

principal (n)

n = 1,2,3,4 .... Caracteriza

uma camada eletrônica, isto é, um conjunto

de elétrons num certo

intervalo de distância até o

núcleo.

2- Número quântico

secundário (l):

l = valores de 0 a té n-1.

Caracteriza o formato da região do

espaço onde é mais provável

encontrar o elétron

associado a ele.”nuvem eletrônica”

terciário (ml)

Valores: -l a +l. Indica a

orientação no espaço da figura que

representa a região de

maior probabilidade de encontrar o

elétron

quaternário (ms)

Valores +1/2 -1/2.

É chamado de spin, que

significa rotação.

Estrutura Atômica

Números Quânticos

K(1) L(2) M(3) N(4) O(5) P(6) Q(7)

2e- 8e- 18e- 32e- 2e- 32e- 18e-

Energia

Número quântico principal (n) = energia orbital

Estrutura Atômica

Números Quânticos

Número quântico secundário (l) = forma orbital

= 2 e-

= 6 e-

= 10 e-

= 14 e-

Estrutura Atômica

Números Quânticos

K = 2e-

1s 2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

Orbitais s

Estrutura Atômica

Núm. quântico secundário

Orbitais p

Estrutura Atômica

Orbitais d

Estrutura Atômica

Aos subníveis

foram dados

nomes:

Esses nomes são relativos aos orbitais

correspondentes

Nome Valor de

“l”

Capacidade

2 (2 l + 1)

“s” (sharp) 0 2

“p” (principal) 1 6

“d” (diffuse) 2 10

“f” (fundamental) 3 14

Estrutura Atômica

Modelo Quântico Atual

Estrutura Atômica

Números Quânticos

Número quântico terciário (ml) = localiza o e- de

diferenciação no subnível (m)

= 6 e-

= 10 e-

= 14 e-

-1 0 +1

-2 -1 0 +1 +2

-3 -2 -1 0 +1 +2 +3

ml = - l ... 0 ... +l

Estrutura Atômica

Números Quânticos

Spin eletrônico e o princípio da exclusão de Pauli

+ 1/2 - 1/2

Cada elétron num átomo é “identificado” por um conjunto de nos. quânticos:

“Não existem dois elétrons num átomo com o mesmo conjunto de

números quânticos (Princípio da Exclusão de Pauli)”.

Nome Símbolo Característica

especificada

Informação

fornecida

Valores

possíveis

Principal n Nível Distância em

relação ao

núcleo

1, 2, 3, 4, 5, 6,

7, ...

Secundário

(azimutal)

l Subnível Forma do

orbital

0, 1, 2, 3, ...

Terciário

(magnético)

ml Orbital Orientação

do orbital

- l, ..., 0, ..., +l

Quaternário

(Spin)

ms Spin Spin + 1/2, - 1/2

Estrutura Atômica

Modelo Quântico Atual

“Se adicionarmos 1 elétron a um átomo com número atômico Z,

teremos a configuração do elemento com número atômico (Z + 1).”

Subníveis

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6s 6p 6d

Linus C. Pauling

(1901 – 1994)

NÍVEIS

Estrutura Atômica

Distribuição Eletrônica

Subníveis

2s2 2p6

3s2 3p6 3d10

4s2 4p6 4d10 4f14

5s2 5p6 5d10 5f14

6s2 6p6 6d10

NÍVEIS

Estrutura Atômica

Ordem crescente de

Energia:

11Na: 1s2 2s2 2p6 3s1

27Ni: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7

Temos, então, um “panorama” da eletrosfera de um átomo:

... que são

formados por

subníveis...

Existem os níveis...

3s 3p 3d

4p 4d 4f

... e esses

pelos orbitais...

...que comportam

no máximo dois

elétrons cada um.

Estrutura Atômica

Configurações eletrônica condensadas

• O neônio tem o subnível 2p completo (10Ne).

• O sódio marca o início de um novo período (11Na).

• Logo, escrevemos a configuração eletrônica condensada para o

sódio como

• Na: 1s2 2s2 2p6 3s1

Na: [Ne] 3s1

• [Ne] representa a configuração eletrônica do neônio.

• Elétrons mais internos: os elétrons no [Gás Nobre].

• Elétrons de valência: os elétrons fora do [Gás Nobre].

Dado: Z= 39, responda as questões abaixo:

1) Qual o elemento químico ?

2) Faça a distribuição eletrônica em camadas.

3) Faça a distribuição em ordem energética.

4) Faça a configuração eletrônica condensada

5) Qual o subnível mais energético ?

6) Qual a camada de valência ?

7) Qual o número de elétrons por camada ?

8) Quantos elétrons existem no último nível energético?

9) Quais os números quânticos, para o elétron do subnível mais energético ?

Estrutura Atômica

Exercício

• A tabela periódica pode ser utilizada como um guia para as

configurações eletrônicas.

• O número do periodo é o valor de n.

• Os grupos 1A e 2A têm o orbital s preenchido.

• Os grupos 3A -8A têm o orbital p preenchido.

• Os grupos 3B -2B têm o orbital d preenchido.

• Os lantanídeos e os actinídeos têm o orbital f preenchido.

Tabela Periódica

Configuração Eletrônica

Metais de transição

• Depois de Ar, os orbitais d começam a ser preenchidos.

• Depois que os orbitais 3d estiverem preenchidos, os orbitais 4p

começam a ser preenchidos.

• Metais de transição: são os elementos nos quais os elétrons d são

os elétrons de valência.

Tabela Periódica

Lantanídeos e actinídeos

• Do Ce em diante, os orbitais 4f começam a ser preenchidos.

• Observe: La: [Kr]6s25d14f1

• Os elementos Ce -Lu têm os orbitais 4f preenchidos e são chamados lantanídeos ou elementos terras raras.

• Os elementos Th -Lr têm os orbitais 5f preenchidos e são chamados actinídeos.

• A maior parte dos actinídeos não é encontrada na natureza.

Tabela Periódica

Linha do Tempo

Tabela Periódica

O Pai - Mendeleiev

Tabela Periódica

A Tabela Atual

Henry Moseley

Eu descobri que o

número de prótons no

núcleo de um

determinado átomo é

sempre o mesmo

Tabela Periódica

Periodicidade Química

Tabela Periódica

Tabela Periódica - Revisão

vídeo 1 – Introdução;

vídeo 2 – Período;

vídeo 3 – Grupos ou Famílias;

Vídeo 4 – Classificação.

Introdução

O que é uma

propriedade

periódica ?

“As propriedades dos elementos químicos são funções

periódicas do número atômico”.

De acordo com essa lei, os elementos químicos estão dispostos

na tabela periódica em ordem crescente de número atômico,

tabela essa organizada de modo a deixar clara a relação entre

as propriedades dos elementos e suas distribuições eletrônicas.

Propriedades Periódicas

Porque estudar este assunto ?

“A formação de muitas substâncias envolve

a transferência de elétrons de um átomo

para outro. As propriedades têm um papel

fundamental no modo como elas interagem

na formação das ligações química”.

Tendências Periódicas

1. Dentro do período (horizontal);

2. Dentro do grupo (vertical);

Principais

1 – Tamanho do átomo (raio atômico);

2 – Energia de Ionização;

3 – Afinidade Eletrônica;

Raio Atômico

• O que é raio atômico ?

• É a distância do núcleo ao nível mais externo do átomo.

• Como podemos determinar ?

• Pode-se obter este valor através da medida da distância

internuclear de dois átomos iguais vizinhos e toma-se a

metade desta distância.

• Por que estudar primeiro o raio atômico ?

• Apatir do seu estudo é possível prever outras propriedades

dos átomos e das substâncias dos elementos.

Raio Atômico

Considere uma molécula

diatômica simples.

• A distância entre os dois

núcleos é denominada distância

de ligação.

• Se os dois átomos que formam

a molécula são os mesmos,

metade da distância de ligação é

denominada raio covalente do

átomo.

• A carga nuclear efetiva é a carga “sentida” por

um elétron em um átomo polieletrônico.

• A carga nuclear efetiva não é igual à carga no

núcleo devido ao efeito dos elétrons internos.

• Uma boa aproximação para o cálculo da Carga

Nuclear Efetiva pode ser: Z efe = Z – S, com S

sendo o número de elétrons internos, ou da

camada de blindagem.

Carga Nuclear Efetiva

Para o 12Mg, temos que:

• Z efe = Z – S,

• Z efe = 12 – 10 = 2+

Para o 11Na, temos que:

• Z efe = Z – S,

• Z efe = 11 – 10 = 1+

Para o 17Cl, temos que:

• Z efe = Z – S,

• Z efe = 17 – 10 = 7+

Para o 13Al, temos que:

• Z efe = Z – S,

• Z efe = 13 – 10 = 3+

Raio Atômico A

Raio Atômico

• O tamanho dos átomos é determinado principalmente pelos

seus elétrons de valência (ocupam os orbitais mais externos)

Número camadas

eletrônicas Força de interação

entre o núcleo e os e- valência

Carga nuclear efetiva

Raio Atômico

número atômico

n = 2 (L)

n = 3 (M)

n = 4 (N) n = 5 (O)

n = 6 (P)

Raio Atômico

Raio Atômico x Iônico

• A primeira energia de ionização, I1, é a quantidade de energia

necessária para remover um elétron de um átomo gasoso:

Na(g) Na+(g) + e-.

• A segunda energia de ionização, I2, é a energia necessária para

remover um elétron de um íon gasoso:

Na+(g) Na2+(g) + e-.

• Quanto maior a energia de ionização, maior é a dificuldade para se

remover o elétron.

Energia de Ionização

• O que é Energia de Ionização ?

• É a facilidade de um átomo em perder elétrons.

• Como podemos medir ?

• Por meio de um experimento semelhante ao do “efeito

fotoelétrico”.

1ª. energia de ionização Na(g) → Na+(g) + e-

2ª. energia de ionização (2ª E.I.)

Na+(g) → Na+2(g) + e-

“Energia necessária para retirar um elétron de um átomo

neutro e isolado no estado gasoso - (kJ/mol)”.

1ª. energia de ionização Na(g) → Na+(g) + e-

2ª. energia de ionização Na+ (g) → Na+2(g) + e-

3ª. energia de ionização Na+2 (g) → Na+3(g) + e-

1ª. Ei < 2ª.Ei < 3ª. Ei

Maior raio atômico

Menor energia de ionização

• A afinidade eletrônica é o oposto da energia de ionização.

• A afinidade eletrônica é a alteração de energia quando um

átomo gasoso ganha um elétron para formar um íon

gasoso:

Cl(g) + e- Cl-(g) + Energia

• A afinidade eletrônica pode ser tanto exotérmica

(liberação energia) quanto endotérmica (absorção

energia):

Ar(g) + e- + Energia Ar-(g)

Ar(g) + e- Ar-(g) - Energia

Afinidade Eletrônica

... ou Eletroafinidade

É a energia liberada (kJ/mol) por um átomo neutro,

gasoso, em seu estado fundamental ao receber um

elétron, formando um ânion.

Na (g) + e- → Na -(g) + 53 kJ/mol

Cl (g) + e- → Cl -(g) + 349 kJ/mol

Maior raio atômico

Menor energia de

eletroafinidade

Metais

Estrutura Cristalina

• Há 4 estruturas cristlinas diferentes encontradas nos

retículos cristalinos (arranlos tridimensionais para os

átomos) dos metais:

• CS – Cúbico Simples

• CCC – Cúbico de Corpo Centrado

• CFC – Cúbido de Face Centrada

• HC – Hexagonal Compacto

Metais

Estrutura Cristalina

CS –

Cúbico

Simples

CCC –

Cúbico

Centrado

HC –

Hexagonal

Compacto

CFC –

Cúbico

Centrada

Metais

Grau de Empacotamento

CS – 52%

CCC – 68% HC – 74%

CFC – 74%

Metais

Grau de Empacotamento

CCC – 68%

aproveitamento

HC – 74%

aproveitamento

CFC – 74%

aproveitamento

Fator de empacotamento atômico (FEA):

Soma dos volumes das esferas de todos átomos no interior de uma

célula dividido pelo volume total da célula.

FEA = Vol. dos átomos na célula : Vol. Total da célula

FEA = 0,52 para CS

Na Próxima Aula Veremos ...

Aula 4 – Experimento Laboratório (Teste

de Chama) – 23/02

Química Geral e Exp

Onde Estudar a Aula de Hoje

Nos Livros

• BRADY, James E. HUMISTON, Gerard E. Química Geral - Vol.1. LTC,

2006. – Cap. 3 – Estrutura Atômica e a Tabela Periódica

• RUSSELL, John B., Química Geral – Vol.1. MAKRON Books, 2ª.

Edição – Cap. 7 – Periodicidade Química

• Q.Geral Ap. a Eng. – Cap.6 – A Tab. Periódica e a Estrutura Atômica

Na Internet

• O melhor Portal sobre Elementos Químicos da Web

http://www.webelements.com

• Tecnologia Química – A Química das Lâmpadas

http://casa.hsw.uol.com.br/lampadas.htm

http://ciencia.hsw.uol.com.br/lampadas-fluorescentes.htm

http://casa.hsw.uol.com.br/questao151.htm

Conteúdo da Apresentação

BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª.

Edição) – Pearson – Cap. 06 – Estrutura Eletrônica dos

Atomos e Cap. 07 – Propriedade Periódica dos Elementos

Click na imagem para visitar o

site do livro

Conteúdo baseado no Livro

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