Apresentao do PowerPoint

Engenharia de Petrleos 1 ano / 1 semestre 2013 / 2014

Introduo Qumica-Fsica

Cap 1- Estrutura Atmica Escola Superior de Tecnologia e Gesto Jean Piaget do Litoral Alentejano

Fernando Sayal1CONTEDOS:

Estrutura atmicaPropriedades peridicasLigao qumicaEquaes qumicasTermoqumicaEstado gasosoForas intermolecularesEquilbrio qumicocidos e basesSolubilidade

AVALIAO

2 Frequncias (70%); nota mnima 7Execuo laboratorial e relatrio de 2 trabalhos prticos (20%)Avaliao contnua (10%)Exame final, incluindo questes sobre a componente laboratorial22Bibliografia

Chang, Raymond, Qumica Geral, 7 Ed

Joo Urbesco, Edgard Salvador, Qumica, Volume nico, 5 ed; Ed. Saraiva

3Cap 1Estrutura AtmicaConstituio do tomoNatureza eltrica do tomoEletrlise, Conduo eltrica em fases rarefeitos, Radioatividade, Efeito fotoeltricoModelos atmicosEspetro do tomo de HidrognioNmeros QunticosOrbitais atmicasConfiguraes eletrnicas4A estrutura do tomo A descoberta do tomo Aps Dalton ter apresentado sua teoria atmica, em 1808, na qual sugeria que os tomos eram indivisveis, macios (rgidos) e esfricos, vrios cientistas realizaram diversos experimentos que demonstraram que os tomos so constitudos por partculas ainda menores, subatmicas

A descoberta das partculas subatmicas O eletro (e)Em 1897, Joseph John Thomson (1856-1940) conseguiu demonstrar que o tomo no indivisvel, utilizando um equipamento denominado tubo de raios catdicos.

Dentro do tubo de vidro havia, alm de uma pequena quantidade de gs, dois eltrodos ligados a uma fonte eltrica externa. Quando o circuito era ligado, aparecia um feixe de raios provenientes do ctodo (eltrodo negativo), que se dirigia para o nodo (eltrodo positivo). Esses raios eram desviados na direo do polo positivo de um campo eltrico.http://www.youtube.com/watch?v=vIf9sTeKUTo5

Com base nessa experincia, Thomson concluiu que: a) os raios eram partculas (corpsculos) menores que os tomos; b) os raios apresentavam carga eltrica negativa. Essas partculas foram denominadas eletres (e). O tubo de um ecr de televiso uma verso complexa de um tubo de raios catdicos. Embora a televiso j fosse, em 1927, uma realidade em laboratrio, somente em 1947 receptores de TV foram produzidos em escala industrial para uso domstico.Thomson props ento um novo modelo, denominado pudim de passas: O tomo macio e constitudo por um fluido com carga eltrica positiva, no qual esto dispersos os eletres. Como um todo, o tomo seria eletricamente neutro.

6O proto (p)

Em 1886, o fsico alemo Eugen Goldstein, usando uma aparelhagem semelhante de Thomson, observou o aparecimento de um feixe luminoso no sentido oposto ao dos eletres. Concluiu que os componentes desse feixe deveriam apresentar carga eltrica positiva.

Posteriormente, em 1904, Ernest Rutherford, ao realizar a mesma experincia com o gs hidrognio, detetou a presena de partculas com carga eltrica positiva que denominou protes (p). A massa de um proto aproximadamente 1 836 vezes maior que a de um eletro.

7Para verificar se os tomos eram macios, Rutherford bombardeou uma finssima lmina de ouro (aproximadamente 0,0001 cm) com pequenas partculas de carga eltrica positiva, denominadas partculas alfa (), emitidas por um material radioativo.As observaes feitas durante a experincia levaram Rutherford a tirar uma srie de concluses:A experincia de Rutherford 8A comparao do nmero de partculas que atravessavam a lmina com o nmero de partculas que eram desviadas levou Rutherford a concluir que o raio do tomo 10 mil vezes maior que o raio do ncleo.

A partir dessas concluses, Rutherford props um novo modelo atmico, semelhante ao sistema solar.

O neutro (n)

Os neutres foram descobertos em 1932 por Chadwick, durante experincias com material radioativo.

Os neutres esto localizados no ncleo e apresentam massa muito prxima dos protes, mas no tm carga eltrica.PartculaMassa relativaCarga eltricancleoProtes1+1neutres10eletres1/1820-19Principais caractersticas do tomo Nmero atmico (Z)Em 1913, ao realizar experincias de bombardeamento de vrios elementos qumicos com raios X, Moseley percebeu que o comportamento de cada elemento qumico estava relacionado com a quantidade de cargas positivas existentes no seu ncleo.

Assim, o nmero de partculas com carga, existentes no ncleo, ou seja o nmero de protes, a grandeza que caracteriza cada elemento, sendo denominado nmero atmico.Como os tomos so sistemas eletricamente neutros, o nmero de protes igual ao de eletres. Vejamos alguns exemplos: Cloro (Cl) Z = 17 n protes = 17 ; n eletres = 17 Sdio (Na) Z = 11 n protes = 11 ; n eletres = 11

Nmero Atmico (Z) = n de protes 10Nmero de massa (A)

Como tanto o nmero de protes (p) quanto o de neutres (n) so inteiros, o nmero de massa (A) sempre ser um nmero inteiro.

O nmero de massa , na verdade, o que determina a massa de um tomo, pois os eletres so partculas com massa desprezvel, no tendo influncia significativa na massa dos tomos.

Vejamos alguns exemplos:

Nmero de massa (A) = n de protes + n de neutres 11Elemento qumicoAtualmente, conhecemos um total de 115 elementos qumicos, entre naturais e artificiais.A cada elemento qumico corresponde um nmero atmico (Z) que o identifica De acordo com a IUPAC (sigla em ingls da Unio Internacional de Qumica Pura e Aplicada), ao representar um elemento qumico, devem-se indicar, junto ao seu smbolo, seu nmero atmico e seu nmero de massa.Uma forma esquemtica dessa representao a seguinte:Elemento Qumico: o conjunto formado por tomos do mesmo nmero atmico1213

Ies

Os tomos apresentam a capacidade de ganhar ou perder eletres, formando novos sistemas, eletricamente carregados, denominados ies.Os tomos, ao ganharem ou perderem eletres, originam dois tipos de ies:

ies positivos = caties;

ies negativos = anies.

14Ies positivos ou caties

Os caties formam-se quando um tomo perde um ou mais eletres, resultando num sistema eletricamente positivo, em que o nmero de protes maior que o nmero de eletres.

Aplicando essa definio ao tomo de magnsio (Mg), que apresenta Z = 12, temos:

p = 12 12 cargas positivas = +12 p = 12 12 cargas positivas = +12e = 12 12 cargas negativas = 12 e = 10 10 cargas negativas = 10 carga eltrica total = 0 carga eltrica total = +2

A espcie qumica Mg2+ denominada catio bipositivo ou io bipositivo.

15Ies negativos ou anies

Os anies formam-se quando um tomo ganha ou recebe um ou mais eletres, resultando num sistema eletricamente negativo, em que o nmero de protes menor que o nmero de eletres.

Aplicando essa definio ao tomo de flor (F), que apresenta Z = 9, temos:

p = 9 9 cargas positivas = +9 p = 9 9 cargas positivas = +9e = 9 9 cargas negativas = 9 e = 10 10 cargas negativas = 10 carga eltrica total = 0 carga eltrica total = 1

A espcie qumica F denominada anio mononegativo ou io mononegativo

16SEMELHANAS ATMICASIstopos

A maioria dos elementos qumicos constituda por uma mistura de istopos, os quais podem ser encontrados, na natureza, em proporo praticamente constante.Veja, a seguir, os istopos naturais de alguns elementos qumicos e as propores nas quais eles so encontrados:

Istopos: so tomos que apresentam o mesmo nmeroatmico (Z), pertencem ao mesmo elemento qumico, mas tm nmeros de massa diferentes (A)

17O nico elemento qumico cujos istopos apresentam nome prprio o hidrognio (H), que formado pelos seguintes istopos naturais

18OS NOVOS MODELOS ATMICOSDepois de Rutherford ter proposto o seu modelo, os cientistas direcionaram os seus estudos para a distribuio dos eletres em volta do ncleo. Fizeram progressos levando em conta conhecimentos anteriores. H muito tempo os qumicos j sabiam que os compostos de sdio emitem uma luz amarela quando submetidos a uma chama. Em 1855, Robert Bunsen verificou que diferentes elementos, submetidos a uma chama, produziam cores diferentes.

O estudo da luz conseguida dessa maneira permitiu a obteno dos chamados espectros descontnuos, caractersticos de cada elemento. A cada cor desses espectros foi associada certa quantidade de energia.Em 1913, Niels Bhr (1885-1962) props um novo modelo atmico, relacionando a distribuio dos eletres em volta do ncleo com a sua quantidade de energia.

19O Modelo Atmico de Bohr

Esse modelo baseia-se nos seguintes postulados:Os eletres descrevem rbitas circulares ao redor do ncleo.Cada uma dessas rbitas tem energia constante (rbita estacionria). Os eletres que esto situados em rbitas mais afastadas do ncleo apresentaro maior quantidade de energia.Quando um eletro absorve certa quantidade de energia, salta para uma rbita mais energtica. Quando ele retorna sua rbita original, liberta a mesma quantidade de energia, na forma de onda eletromagntica (luz).

Essas rbitas foram denominadas nveis de energia. Hoje so conhecidos sete nveis de energia.

O modelo de Bhr permite relacionar as rbitas (nveis de energia) com os espetros descontnuos dos elementos.

20A energia dos eletres no tomo est quantizada, isto , s podem assumir determinados valores mltiplos de um valor base.Por exemplo , o sdio Na, que possui 11 eletres, tem a seguinte distribuio por nveis de energia:

Tal como uma pessoa ao subir uma escada s pode ocupar determinadas posies, a dos degraus, assim o eletro s pode assumir determinados valores de energia e no quaisquer.Os diferentes valores de energia que o eletro pode captar ou libertar sob a forma de radiao, dependem da frequncia da mesma:E= energia (J)n= numero inteiro 1,2,3 h= constante de Planck (6,626 x 10-34 Js)= frequncia da radiao (Hz)

O valor mnimo base da energia a energia de um foto, ou quantum de energia e dado pelo produto h. A energia de uma radiao ultravioleta, cuja frequncia maior, ser tambm necessariamente maior.

E=nh

21Efeito fotoeltricoO Efeito Fotoeltrico um fenmeno fsico, descoberto por Heinrich Hertz em 1887, que se baseia na emisso de eletres provenientes de um material condutor (metal) quando exposto a radiao com frequncia suficientemente alta.

Einstein ganhou o Prmio Nobel da Fsica em 1921, por ter conseguido explicar este fenmeno

O efeito fotoeltrico usado em muitas aplicaes: clulas fotovoltaicasclulas fotoeltricasconverso de radiao em sinais eltricos (fotomultiplicadores)tcnicas de imagem em medicina (PET, RMN)

Vamos explorar os conceitos associados a este fenmeno, usando a simulao seguinte.

22

Clicar na simulao23Energia de remoo (Erem) a energia mnima necessria para retirar um eletro.A energia da radiao incidente (Erad), deve exceder essa energia mnima para remover o eletro.O excesso de energia do foto comunicado ao eletro sob a forma de energia cintica (Ec) associada velocidade de sada do eletro

Quando radiao de elevada frequncia () atinge o ctodo h passagem de corrente mesmo no aplicando uma d.d.p.H um determinado valor de diferena de potencial retardador para o qual cessa a passagem de corrente A Ec dos eletres ejetados depende da frequncia da radiao. O potencial retardador para o qual a corrente cessa uma medida da Ec dos eletres ejetados A intensidade da corrente que passa no circuito independente da da radiao

Erad = Erem + Ec

h = Ei + mv224ESPETROS

A figura mostra, comparativamente, vrios espectros. Inicialmente note que os comprimentos de onda mais curtos esto esquerda e eles crescem medida que vamos para o lado direito. Isto quer dizer que na esquerda temos maiores frequncias e, portanto, maiores energias.

De cima para baixo, - espectro contnuo emitido por um slido aquecido. espectro de absoro do Solespectros de emisso de diversos elementos , Sdio (Na), Hidrognio (H), Clcio (Ca), Mercrio (Hg) e Non (Ne).

25Tipos de espectrosEspectro contnuo de emisso

26Espectro de emisso

A figura mostra como formado um espetro de emisso de riscas (ou descontnuo). A luz emitida por elementos no estado gasoso em atmosfera rarefeita

27Espetro de emisso e de aboro do mesmo elemento

28Para ver tudo isto precisamos do equipamento adequado: o espetroscpio.Podemos constru-lo facilmente.

https://pantherfile.uwm.edu/awschwab/www/specweb.htm#tomake29alguns espectros : Para ver o espectro de linhas de absoro desses elementos qumicos para cada um dos espectros apresentados, observe o fundo colorido, que o espectro contnuo, e na posio de cada uma das linhas brilhantes que aparecem nele imagine uma linha preta. Este seria o espetro de absoro de cada um destes elementos qumicos. Para ver o espectro de emisso basta olhar para as imagens disponveis acima e utilizar a lei de Kirchhoff que afirma que as linhas de emisso e de absoro de um determinado elemento qumico so as mesmas. Para cada um dos espetros, elimine o fundo colorido, que o espetro contnuo, e observe somente as linhas brilhantes que aparecem neles. Este seria o espetro de emisso de cada um destes elementos qumicos.

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TOMO DE HIDROGNIOEstrutura AtmicaNveis de energia

MODELO antigo DE tomo (Rutherford)3232Modelo moderno de tomo (BOHR) - Os nveis de energia do tomo de Hidrognio fenmenos de excitao e desexcitao

Bohr idealizou este modelo para poder explicar a razo por que os tomos emitem radiao com um espetro descontnuo, de riscas.33A energia de um eletro est quantizada, ou seja, s pode assumir um determinado conjunto de valores. Relacionamos estes valores com os nveis de energia

tomo de Hidrognio

Valores de energia do eletro: E= -2,17x10-18 J nvel 1E= -0,54x10-18 J nvel 2E= -0,24x10-18 J nvel 3 etc.

O eletro no possui qualquer valor de energia diferente dos apresentados e que foram relacionados com os nveis de energia.

Quando absorve ou emite energia, s o pode fazer em quantidades determinadas que correspondem diferena de energia entre nveis

34Absoro de energia (excitao) o eletro passa para um estado estacionrio de energia superior (estado excitado) nvel maior mais afastado do ncleo (menos atrado)

Emisso de energia (desexcitao) o eletro passa para um estado estacionrio de energia inferior nvel menor mais prximo do ncleo (mais atrado)

(estado fundamental de energia): quando o eletro, ou o conjunto dos eletres, possuem no tomo o menor valor de energia possvel

Ionizao do tomo: quando a energia absorvida pelo eletro suficiente para se afastar de tal modo que deixe de ser atrado pelo ncleo 353637H emisso de luz quando o tomo est num estado excitado e decai para um estado com energia mais baixa

Transies no tomo de HidrognioNo equilbrio, todos os tomos de hidrognio esto no estado n = 1, o estado fundamental e

O tomo permanece num estado excitado por um perodo curto de tempo antes de emitir um foto de energiae retornar a um estado estacionrio mais baixo

Espectro do hidrognio no visvelSrie de Balmer

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39Modelo quntico (nvem eletrnica)

40Contributos para o desenvolvimento do modelo qunticoHeisenberg A posio e a energia do electro no podem ser conhecidas, ao mesmo tempo, com exactido (Princpio da Incerteza de Heisenberg).Schrdinger Aposio e a energia do electro so calculadas por uma equao matemtica (equao de onda).

41Modelo da nuvem electrnica ou modelo quntico: o modelo actual do tomo; um modelo matemtico, baseado na Mecnica Quntica;Os electres encontram-se volta do ncleo, em orbitais,com certos nveis de energia, mas sem uma posio exacta(sem uma trajectria definida - um electro pode estar mais perto do ncleo ou mais afastado);Uma orbital uma regio do espao onde o electro,com uma certa energia, tem probabilidade de se encontrar. Representa-se por um conjunto de pontos que formam uma nuvem volta do ncleo.

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43Os nmeros qunticos descrevem as energias dos eletres nos tomos e so de enorme importncia quando se trata de descrever a posio dos eletres. Os eletres so identificadas por quatro nmeros qunticos:n nmero quntico principal;l nmero quntico de momento angular, secundrio ou azimutal;ml nmero quntico magntico.ms - nmero quntico de spin (ms).

As orbitais so definidas apenas pelos 3 primeiros nmeros, n, l e ml 44O nmero quntico principal (n) indica a energia e o tamanho da orbital (distncia mdia do electro ao ncleo).

S pode ter valores inteiros: n = 1, n = 2, n = 3

Quando o valor de n maior, a energia e o tamanho da orbital sero maiores.

Orbitais com o mesmo valor de n pertencem ao mesmo nvel de energia.

45O nmero quntico de momento angular (l) indica a forma da orbital (tipo de orbital):

S pode ter valores inteiros entre 0 e n-1:Se n = 1, ento l = 0;Se n = 2, ento pode ser l = 0 ou l = 1;Se n = 3, ento pode ser l = 0, l = 1 ou l = 2.

46O nmero quntico magntico (ml) indica a orientao da orbital no espao. As orbitais podem estar orientadas segundo os eixos x, y ou z (ex: px, py ou pz).

S pode ter valores inteiros entre l e + l :Se l = 0, ento ml = 0;Se l = 1, ento pode ser ml = -1, ml = 0 ou ml = +147Para cada n h n2 orbitais.

Nmeros qunticos 48Quando os tomos de hidrognio, atravessam um campo magntico provocado por um man, desviam-se em sentidos opostos. Isto acontece porque os electres tm um movimento de rotao e comportam-se como manes.

Nmeros qunticos 49O nmero quntico de spin (ms) indica o sentido do movimento de rotao do electro (no sentido dos ponteiros do relgio ou no sentido contrrio) e explica o facto dos electres se comportarem como pequenos manes.

S pode ter os valores ms = +1/2 ou ms = -1/2

Nmeros qunticos 50Para identificar uma orbital so necessrios trs nmeros qunticos (n, l e ml).

Para identificar um electro no tomo so necessrios quatro nmeros qunticos (n, l, ml e ms).

A orbital 3s identificada por trs nmeros qunticos:n = 3, l = 0 e ml = 0 ou (3, 0, 0).

Os electres que se podem encontrar numa orbital 3s so identificados por quatro nmeros qunticos:n = 3, l = 0, ml = 0 e ms = +1/2 ou (3, 0, 0, +1/2);n = 3, l = 0, ml = 0 e ms = -1/2 ou (3, 0, 0, -1/2).Nmeros qunticos 51Diagrama de caixas Representao duma orbital com 2 electres:

A seta para cima representa ms = +1/2 e a seta para baixo representa o ms = -1/2

Uma orbital 3s com dois electres representa-se por 3s2.

Cada orbital s pode ter, no mximo, 2 electres.

Para cada n h n2 orbitais e, no mximo, 2n2 electres.

Nmeros qunticos 52Orbitais Atmicas

n =2

n =3

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http://www.fccj.us/chm2045/KotzMovies/07M13AN6.MOV

http://www.fccj.us/chm2045/KotzMovies/07M13AN7.MOV

http://www.fccj.us/chm2045/KotzMovies/07M13ANA.MOV

http://www.fccj.us/chm2045/KotzMovies/07M13AND.MOV

54Ver as animaesOrbitaisAs orbitais s tm uma forma esfrica.

55As orbitais p tm uma forma de dois lbulos simtricos, orientados segundo cada um dos eixos x, y ou z.

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58A energia das orbitais maior quando n maior. Em tomos monoeletrnicos (s com um electro), as orbitais com o mesmo valor de n tm a mesma energia.

59Em tomos polieletrnicos, as orbitais com o mesmo valor de n e com maior valor de l tm mais energia (ex: E2p > E2s).

As orbitais com o mesmo valor de n e de l (ex: 2px, 2py e 2pz) tm a mesma energia.

60O tamanho e a energia do mesmo tipo de orbital so diferentes quando os tomos so diferentes.

Por exemplo, a orbital 1s do potssio (19K) menor e tem menos energia do que a orbital 1s do sdio (11Na).Isto acontece porque o ncleo do potssio tem mais protes e atrai mais os electres (ficam mais perto do ncleo e a sua energia menor).61Configurao electrnica Maneira como os electres se distribuem nas orbitais.

Princpio da Energia Mnima Os electres esto distribudos nas orbitais de menor energia, de modo a que a energia do tomo seja mnima (o tomo est no estado fundamental e mais estvel).

Se os tomos estiverem excitados, tm electres que esto em nveis de energia superiores, quando podiam estar em orbitais com menor energia.

62Princpio de Excluso de Pauli Numa orbital s podem existir, no mximo, dois electres com spins opostos (no pode existir mais do que um electro com os mesmos nmeros qunticos).

63Diagramas de caixas:

64Regra de Hund Nas orbitais com a mesma energia (ex: 2px, 2py e 2pz ), coloca-se primeiro um electro em cada orbital (electro desemparelhado), de modo a ficarem como mesmo spin, e s depois se completam as orbitais com um electro de spin oposto.

65Diagrama de Linus Pauling Diagrama de preenchimento das orbitais, que facilita a escrita das configuraes electrnicas dos tomos, de acordo com o Princpio da Energia Mnima.

66Configuraes electrnicas de tomos no estado fundamental (os electres esto todos nas orbitais de menor energia):

67Cerne Conjunto do ncleo com os electres mais internos.Os electres do cerne de um elemento representam-se atravs da configurao electrnica do gs nobre que anterior a esse elemento.

Neste tipo de representao, aparecem apenas as orbitais de valncia (orbitais do ltimo nvel que tm mais energia), com os respectivos electres de valncia, e as orbitais d dos elementos de transio.

68Configuraes electrnicas de tomos no estado excitado (existem electres em orbitais de maior energia, com lugares livres em orbitais de energia inferior):1s2 2s2 2p6 3s1 3p11s2 2s2 2p3 3s11s2 2s2 2p6 4s1

69Fim do captulo 170