aula 2 q. inorganica

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Estrutura eletrônica dos átomos * Muito do entendimento atual sobre a estrutura eletrônica dos átomos veio da análise da luz emitida ou absorvida pelas substâncias estudos de espectroscopia * Para entender a base para o método atual da estrutura eletrônica devemos primeiro compreender mais sobre a luz Radiação eletromagnética * Desde os gregos, há mais de 2000 anos que o magnetismo é conhecido sec XII a atração magnética exercida sobre imã pelo campo magnético terrestre ja era usada para orientação dos navegantes * Em quase 2 séculos seguidos, cientistas como Coulomb estudaram os fenômentos elétricos e magnéticos de forma isolada

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Aula de quimica inorganica

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  • Estrutura eletrnica dos tomos

    * Muito do entendimento atual sobre a estrutura eletrnica dos tomos veio da anlise da

    luz emitida ou absorvida pelas substncias estudos de espectroscopia

    * Para entender a base para o mtodo atual da estrutura eletrnica devemos primeiro

    compreender mais sobre a luz

    Radiao eletromagntica

    * Desde os gregos, h mais de 2000 anos que o magnetismo conhecido sec XII a

    atrao magntica exercida sobre im pelo campo magntico terrestre ja era usada para

    orientao dos navegantes

    * Em quase 2 sculos seguidos, cientistas como Coulomb estudaram os fenmentos

    eltricos e magnticos de forma isolada

  • Ondas: Campo eltrico/magntico oscilatrios perpendiculares entre si

    * Em 1864, James Maxwell estabeleceu que qualquer radiao visvel ou invisvel era a propagao de um campo eltrico e de um campo magntico vibratrios, constantemente normais entre si

    Radiao eletromagntica

  • * Existem vrios tipos de radiaes eletromagnticas alm da luz visvel:

    - ondas de rdio (que transportam a msica)

    - radiao infravermelho (calor de lareiras incandescentes)

    - raios X (usadas em radiografias)

    Radiao eletromagntica

    * Todos os tipos de radiaes eletromagnticas movem-se no vcuo a uma mesma velocidade

    C = 3,00 x 108 m/s Velocidade

    da luz

    * Todas as radiaes eletromagnticas tem caractersticas ondulatrias

  • Radiao eletromagntica

    * Uma seo transversal de onda mostra que ela peridica:

    - A distncia entre os picos (depresses) chamada de comprimentos de onda - A frequncia representa o nmero de vibraes produzidas na unidade de tempo Relao entre e = c

  • Radiao eletromagntica

    Relao entre e = c

  • Radiao eletromagntica

    A Figura mostra vrios tipos de radiao eletromagntica distribudos em ordem crescente de

    um mostrador chamado espectro eletromagntico

  • A luz visvel de 400 a 700 nm corresponde a uma poro extremamente pequena do espectro eletromagntico!!!!

    Radiao eletromagntica

  • Radiao como forma de energia

    quantizada e ftons

    * Vimos que a radiao eletromagntica tem caractersticas ondulatrias

    * Porm, qualquer radiao transporta energia quando slidos so aquecidos emitem

    radiaes (ex. incadescncia vermelha dos trempes de um fogo eltrico)

    * Em 1900, um fsico alemo Max Planck descobriu que a energia das radiaes emitidas

    (ou absorvidas) por tomos e molculas s poderia assumir quantidades discretas

    quantum

    * Planck considerou que a energia de um nico quantum:

    E = h. const. de Planck = 6,63 x 10-34 joule segundos (J s)

  • * De acordo com a Teoria de Planck, a energia sempre emitida ou absorvida pela matria em mltiplos inteiros de h (2 h, 3 h etc)

    A proposta revolucionria de Planck sobre a energia ser

    quantizada

    Prmio Nobel de Fsica em 1918 por seu trabalho sobre Teoria Quntica

    * Em 1905, Albert Einstein (1879 1955) usou a Teoria Quntica de Planck para

    explicar o efeito fotoeltrico

    emisso de eltrons por metais sob a ao de luz incidente

  • Efeito Fotoeltrico

    * Einstein sups que a energia radiante atingindo a superfcie metlica um fluxo de

    pacotes minsculos de energia

    * Cada pacote de energia fton (partcula minscula)

    * Ampliando a Teoria Quntica de Planck, Einstein deduziu que cada fton deveria ter uma

    energia proporcional a frequncia de luz Efton = h.

  • * necessrio uma certa quantidade de energia para que o eltron vena as foras atrativas que

    o prendem ao metal

    * Se os ftons tm energia suficiente os eltrons so emitidos

    Nota:

    Apesar de a Teoria de luz de Einstein explicar o efeito fotoeltrico e muitas outras observaes

    ela apresentou uma situao embaraosa:

    Efton = h.

    A luz uma onda ou ela constituda de partculas????

    O certo que a luz apresenta propriedades de ambos

    Luz comportamento dual de partcula - onda

  • Espectro de Emisso

    Uma fonte especfica de energia radiante pode emitir um comprimento de onda nico

    radiao monocromtica (luz de um laser)

    Entretanto, a maioria das radiaes comuns produz radiao contendo muitos diferentes

    Quando tal radiao separada em seus diferentes componentes um espectro

    produzido

    2 tipos de espectros podem ser produzidos

    *O espectro pode ser produzido quando um prisma dispersa a luz de uma lmpada incandescente

  • Espectro contnuo

    O espectro produzido uma faixa contnua de cores

    (violeta funde-se ao azul, o azul ao verde.)

    Ex. Arco ris

    * Nem todas as fontes de radiao produzem um espectro contnuo

    Quando diferentes gases so colocados sob presso em um tubo e uma alta voltagem aplicada

    Tais gases emitem radiao apenas a especficos

    Espectro de Linhas ou de riscas

  • Um raio de luz branca refratado e disperso por um prisma em uma continuidade de cores. Tal espectro chamado espectro contnuo.

    Quando eletricidade passa atravs do gs hidrognio, ou quando o gs aquecido a uma alta temperatura, o hidrognio emite luz. Entretanto, quando sua luz atravessa um prisma, o resultado no um espectro contnuo, mas uma linha espectral, ou seja, um conjunto de linhas distintas, cada uma produzida pela luz de um comprimento de onda discreto.

  • Espectro contnuo

    Espectro de Linhas ou de riscas

  • Espectro de Linhas ou de riscas

    * As linhas coloridas so separadas por regies pretas ( ausentes da luz)

    * Cada elemento tem o seu espectro de emisso nico o que constitui um

    meio de identificar esse elemento

  • Espectro de Hidrognio e Modelo de Bohr

    *Os trabalhos de Planck e Einstein abriram caminho para a compreenso de como os

    eltrons so distribudos nos tomos: Em 1913, o fsico dinamarqus Niels Bohr props

    uma explicao terica dos espectros de linhas

    * Se introduzirmos hidrognio rarefeito numa ampola de vidro e fizermos passar uma

    descarga eltrica atravs da ampola haver emisso de luz Espectro de linhas de

    Hidrognio

  • Onde: = comprimento de onda de uma linha espectral R = 1,096776 x 107 m-1 (constante de Rydberg) n1 e n2 = nmeros inteiros e positivos sendo n2 > n1

    * Em 1885 um professor suo chamado Johann Balmer observou que os das 4 linhas

    de H (no visvel) encaixava de maneira intrigante em uma frmula simples. Tal equao de

    Balmer foi estendida para uma equao mais geral (equao de Rydberg), permitindo

    calcular os de todas as linhas espectrais do hidrognio (UV, Vis e IV)

  • * As riscas dos espectros do Hidrgnio agrupam-

    se em sries, sendo as principais conhecidas pelo

    nome dos cientistas que as descobriram

  • * Com isso, j se tinha a idia de nveis de energia transio de nveis de

    energia

    Entretanto, esta estraordinria equao simples, os fatos descritos ainda no

    podiam ser explicados em termos de uma Teoria Clssica

    Onde: = comprimento de onda de uma linha espectral R = 1,096776 x 107 m-1 (constante de Rydberg) n1 e n2 = nmeros inteiros e positivos sendo n2 > n1

  • Rutherford

    * tomos com ncleos de carga + em torno de qual giravam os eltrons

    *Admitindo o comportamento clssico haveria emisso de radiao eletromagntica sucessivamente at o eltron colidir no ncleo *Ao aproximar-se do ncleo, o eltron percorreria uma gama de frequncia contnua

    tomo instvel Emitiria um espectro contnua

    conclusao

    evidncias experimentais contrrias!!!

    Camila BarbosaRealce

    Camila BarbosaRealce

    Camila BarbosaRealce

  • De acordo com a fsica clssica, uma partcula carregada (como o eltron) que se move em uma

    tragetria circular perderia energia continualmente pela emisso de radiao eletromagntica.

    A medida que o eltron perde energia ele deve mover-se em forma de espiral em direo ao

    ncleo

    Bohr, ento, assumiu que as leis predominantes da fsica eram

    inadequadas para descrever todos os aspectos dos tomos e adotou a

    idia de Planck de que as energias eram quantizadas

  • Bohr, baseado no modelo de Rutherford, avanou alguns postulados revolucionrios para a poca prmio Nobel da Fsica em 1922 por ter explicado o espectro do tomo de H

    Modelo de Bohr

    * Baseou o seu modelo em 3 postulados:

    1 Somente rbitas de certos raios, correspondendo a certas energias definidas so

    permitidas para os eltrons em um tomo

    2 Um eltron em certa rbita permitida tem certa energia especfica e est em um estado de

    energia permitido. Um eltron em estado de energia permitido no irradiar energia e,

    portanto, no se mover em forma de espiral em direo ao ncleo

    3 A energia s emitida ou absorvida por um eltron quando ele muda de um estado de

    energia permitido para outro. Essa energia emitida ou absorvida como fton E = h.

  • Existiam certas rbitas permitidas nas quais o eltron podia se mover sem emitir radiao eletromagntica.

    Alm disso, essas eram rbitas, em que o momento angular do eltron (que para um objeto em rotao mvr) mltiplo de h/2p:

    Modelo de Bohr

    Dado o eltron descrever uma rbita sem emitir energia, a cada rbita deve corresponder uma energia constante, que ser a soma da energia cintica e da energia potencial:

    e = carga do eltron

    No entanto, para que o eltron se mantenha na rbita necessrio:

    Fora Centrpeta = Fora Eletrosttica

    Substituindo na expresso anterior

  • Modelo de Bohr

    Pelos postulados de Bohr, os raios das rbitas permitidas so dados pela expresso:

    Elevando ambos membros da expresso ao quadrado e a sabendo que mv2 = e2/r e substituindo teremos:

    Substituindo o valor de r na expresso para a energia total, obtemos as energias permitidas para o eltron no tomo de hidrognio

  • Modelo de Bohr

    Bohr calculou as energias correspondentes a

    cada rbita permitida:

    Quadro 1

    * Cada rbita corresponde a um valor

    diferente de n e o raio da rbita aumenta medida que n aumenta

    * A rbita mais prxima do ncleo: n = 1, depois a segunda mais prxima em n = 2 .

    * Estado fundamental do tomo o estado de energia mais baixo (n=1)

    * Estado excitado do tomo quando o eltron est em uma rbita de energia mais alta

    (n= 2)

    NOTA:

    O que acontece ao raio da rbita e energia com n (infinitamente grande)???

    o eltron est completamente separado do seu ncleo

    Quadro 2

  • Modelo de Bohr

    No 3 postulado Bohr sups que o eltron poderia saltar de um estado de energia

    permitido para outro, absorvendo ou emitindo ftons cuja energia radiante

    corresponda exatamente a diferena entre os 2 estados

    Absorver energia O eltron pode saltar para uma rbita mais externa ( energia e n)

    Emitir energia Eltron pode saltar para outra rbita de energia ( n)

  • Modelo de Bohr

    Quadro 3

    ni = nmero quntico principal

    do estado inicial

    nf = nmero quntico principal

    do estado final

    Quadro 4

    * A equao derivada da Teoria de Bohr corresponde a equao de Rydberg obtida

    com dados experimentais

    * Portanto, a existncia de linhas espectrais pode ser atribuda aos pulos

    quantizados de eltrons entre nveis de energia

  • * A Teoria de Bohr explica

    com sucesso o espectro do

    tomo de H

    * As riscas no espectro

    correspondem a transies

    eletrnicas entre os vrios

    nveis energticos, que por

    sua vez correspondem a

    transies entre as

    diferentes rbitas do tomo

    Modelo de Bohr

  • Limitaes do modelo de Bohr

    * O modelo de Bohr quando aplicado a tomos com mais de 1 eltron no consegue

    explicar os dados experimentais/no pode explicar o espectro de linhas de outros

    tomos!!!!

    * Problema em descrever o eltron meramente com uma partcula circulando ao redor do

    ncleo pois o eltron exibe propriedade de onda

    concluso

    O modelo de Bohr apenas um importante passo em direo ao desenvolvimento

    de um modelo mais abrangente

    O mais importante sobre a Teoria de Bohr apresenta 2 idias principais

    que tambm so incorporadas por nosso modelo atual

  • O mais importante sobre a Teoria de Bohr apresenta idias principais que tambm

    so incorporadas por nosso modelo atual:

    * Os eltrons existem em apenas nveis de energia distintos nmeros qunticos

    * A energia est envolvida em movimentao de um eltron de um nvel pra outro

    * O modelo atual usa idias dos estados fundamentais e excitados para descrever as

    estruturas eletnicas dos tomos

    Modelo de Bohr

    Camila BarbosaRealce

  • Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda

    O passo fundamental para o estabelecimento da Teoria Quntica foi dado por Louis de Broglie, em 1924

    Experimentos fotoeltrico radiao eletromagntica como partculas

    Experimentos de difrao radiao eletromagntica como ondas

    dualidade onda-partcula da radiao eletromagntica

    Se a radiao eletromagntica por longo tempo foi interpretada apenas como ondas tem carter dual

    Ser que a matria que desde a poca de Dalton foi entedida como sendo constituda por partculas poderia ter propriedades de ondas???

    Em 1925 o cientista francs Louis de Broglie sugeriu que todas as partculas deveriam ser entendidas como tendo propriedades de ondas!!!!

  • Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda

    =h/m.v

    Suponha que o eltron, girando em rbitas ao redor de um tomo de Hidrognio, fosse

    visto como uma onda, com caracterstico

    De Broglie sugeriu que o eltron, em seu movimento ao redor do ncleo, tinha associado

    a ele um particular

    Broglie props que o caracterstico do eltron ou qualquer outra partcula depende

    de sua massa m e de sua velocidade v.

    h = const. de Planck m.v = momento

    expresso que relaciona claramente o aspecto ondulatrio e corpuscular da radiao

  • c = , onde: c = velocidade 2,99 x108 m s-1

    = comprimento de onda = freqncia

    E = h , onde: E = energia da radiao h = cte de Planck (6,62 x 10-34 m2 kg s-

    1)

    Portanto: E = h c / , onde: 1 / = (nmero de onda)

    E = h c

    Da Teoria de Einstein temos que: E = m c2

    h c = m c2 h = m c = m c / h

    ou = h / m c

    _

    _

    _ _

    _

  • Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda

    De Broglie usou o temo ondas de matria para descrever as caractersticas ondulatrias

    das partculas materiais. Estabeleceu a forma irrefutvel que as partculas subatmicas

    apresentam um carter dual de partcula-onda

    Prmio Nobel de Fsica em 1929

    * Poucos anos aps De Broglie publicar sua teoria, as propriedades ondulatrias do

    eltron, foram demonstradas experimentalmente

    * Os eltrons eram difratados pelos cristais do mesmo modo que os raios X sofriam

    difrao

    * A tcnica de difrao de eltrons tem se desenvolvido enormemente (microscopia

    eletnica)

  • Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda

    A descoberta da dualidade onda-partcula abalou as fundaes da fsica clssica:

    Na mecnica clssica uma partcula tem uma tragetria definida a partcula segue

    um caminho em que a localizao e o momento so especificados a cada instante

    Entretanto, no possvel especificar a localizao precisa de uma partcula se ela se comporta como uma onda

    impossvel determinar exatamente onde um eltron est localizado em um tempo determinado

    Uma das mais importantes consequncias da dualidade partcula onda o

    princpio da incerteza de Heiserberg

  • Princpio da incerteza de Heisenberg

    Heisenberg estabeleceu que impossvel determinar

    simultaneamente o momento (mv) e a posio (x) de

    uma partcula, para alm de uma incerteza dada por:

    Um dos fundadores da Mecnica Quntica

    onde: h a constante de Planck (6.6262 x 10-34 J.S)

    Quanto mais certeza tivermos quanto a posio do eltron menor ser a preciso com

    que podemos definir sua velocidade

  • Princpio da incerteza de Heisenberg

    Isto rompe com a Teoria de Bohr, pois no podemos saber simultaneamente a posio e a velocidade do eltron!!!

    O eltron de um tomo de Hidrognio no pode ser descrito como estando em uma rbita ao redor do ncleo com uma tragetria definida

    Deixa-se de falar em rbitas orbitais

    zonas em torno do ncleo onde elevada a

    probabilidade de encontrar o eltron com uma dada energia

    Tem-se incio a Teoria Quntica Moderna