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Átomos, moléculas e íons

Prof. Ricardo

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Segundo John Dalton:

1. Cada elemento é composto de partes extremamente pequenas chamadas átomos

2. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos; os átomos de diferentes elementos são diferentes e têm propriedades diferentes (e também massas diferentes)

3. Os átomos de um elemento não se convertem em diferentes tipos de átomos por meio de reações químicas; os átomos não são criados nem destruídos nas reações químicas

4. Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam; um determinado composto tem sempre o mesmo número relativo dos mesmos tipos de átomos

Lei da composição constante: em determinado composto o número relativo de átomos e seus tipos são constantes

Lei da conservação da massa: a massa total dos materiais presentes depois da reação química é igual à massa total antes da reação (os átomos se rearranjam para produzir novas combinações químicas).

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Estrutura atômica – Teoria de Thomson

• O átomo é composto de estruturas subatômicas ainda menores (núcleo e elétrons)

• Os elétrons compreendem apenas uma pequena fração de massa de um átomo. Thomson propôs que eles seriam responsáveis por uma fração igualmente pequena do tamanho do átomo

• Thomson propôs que o átomo consistia de uma esfera positiva uniforme de matéria, na qual os elétrons estavam incrustados (“modelo pudim de ameixa”)

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Estrutura atômica – Teoria de Rutherford

• A maior parte da massa do átomo e toda sua carga positiva residiam em uma região muito pequena e extremamente densa, chamada núcleo.

• A maior parte do volume total do átomo é espaço vazio, no qual os elétrons movem-se ao redor do núcleo

• Estudos experimentais levaram à descoberta de ambas as partículas do núcleo, as partículas positivas (prótons) e as partículas negativas (nêutrons)

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Visão moderna da estrutura atômica

• O átomo possui três partículas subatômicas – prótons, nêutrons e elétrons – que influenciam diretamente no comportamento químico

• A carga de um elétron é -1 (chamada carga eletrônica), a carga do próton é +1.

• Nêutrons não tem carga, sendo eletricamente neutros.

• Os átomos têm um número igual de prótons e elétrons; logo eles têm uma carga elétrica líquida neutra

• Prótons e nêutrons são encontrados no núcleo do átomo, que é extremamente pequeno.

• A maior parte do volume atômico é o espaço no qual o elétron é encontrado. Eles são atraídos pelos prótons do núcleo pela força que existe entre as partículas de cargas elétricas opostas

• Os átomos têm massas extremamente pequenas. A massa do átomo é expressada por unidades de massa atômica ou u. Uma u é igual 1,66054 x 10-24g. As massas de prótons e nêutrons são aproximadamente iguais, e ambas são muito maiores do que a massa do elétron.

• Um próton tem uma massa de 1,0073u, um nêutron de 1,0087u, e um elétron de 5,486 x 10-4u.

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Visão moderna da estrutura atômica

• Seriam necessários 1836 elétrons para igualar a massa de um próton, logo o núcleo contém a maior parte da massa de um átomo.

Partículas Carga Massa (u)

Próton Positiva (+1) 1,0073

Nêutron Nenhuma (neutra) 1,0087

Elétron Negativa (-1) 5,486 x 10-4

Comparação entre prótons, nêutrons e elétrons

• Os átomos são extremamente pequenos. A maioria deles têm diâmetro entre 1 x 10 -10 e 5 x 10-10 m, ou 100-500 pm.

• Uma unidade SI utilizada para expressar dimensões atômicas é o angstrom (Å). 1Å = 10-10m. Os átomos tem diâmetros da ordem de 1-5Å. O diâmetro do átomo de cloro, por ex. é de 200pm ou 2Å .

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Exercício 1

O diâmetro de uma moeda de um centavo norte-americana é de 19mm. O diâmetro de um átomo de prata (Ag) é apenas 2,88Å. Quantos átomos de prata podem ser arranjados lado a lado em uma linha reta ao longo do diâmetro de uma moeda de um centavo?

*Exercício 2

O diâmetro de um átomo de carbono é 1,54Å.

a) Expresse esse diâmetro em picômetros.

b) Quantos átomos de carbono poderiam ser alinhados lado a lado em uma linha reta pela extensão de um traço de lápis de 0,20 mm de largura?

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• Os diâmetros dos núcleos atômicos são da ordem de 10-4Å, apenas uma pequena fração do diâmetro do átomo

• Se o átomo fosse do tamanho de um estádio de futebol, o núcleo seria do tamanho de uma bolinha de gude

• No entanto o núcleo é responsável pela maior parte da massa do átomo, em um volume muito pequeno, tem uma densidade da ordem de 1014g/cm3. Uma caixa de fósforo contendo material com essa densidade pesaria 2,5 bilhões de toneladas

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Isótopos, número atômicos e números de massa

• Todos os átomos de um mesmo elemento têm um mesmo número de prótons no núcleo

• O número de prótons é diferente para elementos diferentes

• Para um átomo em seu estado neutro, o número de elétrons deve ser igual ao número de prótons. Ex: Todos os átomos do elemento carbono têm seis prótons e seis elétrons. A maioria dos átomos de carbono têm também seis nêutrons, apesar de alguns terem mais e outros menos

• Os átomos de um elemento cujo número de nêutrons (e também o número de massa) difere são chamados isótopos. O símbolo 6

12C ou simplesmente 12C (carbono 12) representa o átomo de carbono com seis prótons e seis nêutrons.

• O número de prótons é chamado número atômico, e é mostrado pelo índice inferior.

• Como todos os átomos de um mesmo elemento apresentam o mesmo número atômico, o índice inferior é geralmente omitido.

• O índice superior é chamado número de massa, que é a soma do número de prótons e nêutrons de um átomo.

• Um átomo de um isótopo específico é chamado nuclídeo. Um átomo de 14C é descrito como nuclídeo 14C.

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Símbolo Número de prótons Número de elétrons Número de nêutrons

11C 6 6 5

12C 6 6 6

13C 6 6 7

14C 6 6 8

Alguns isótopos do carbono

Exercício 3

Quantos prótons, nêutrons e elétrons existe em um átomo de 197Au.

*Exercício 4

Quantos prótons, nêutrons e elétrons existe em um átomo de 138Ba?

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Exercício 5

O magnésio tem três isótopos com massas 24, 25 e 26.

a) Escreva o símbolo químico completo para cada um deles

b) Quantos nêutrons existem no núcleo de cada um dos isótopos

*Exercício 6

Dê o símbolo completo para o núcleo que contém 82 prótons, 82 elétrons e 126 nêutrons

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Pesos atômicos ou massas atômicas

• Átomos de diferentes elementos têm diferentes massas. Ex: Cada 100g de água contém 11,1g de hidrogênio e 88,9g de oxigênio. Logo a água contém 88,9g/11,1g = 8x mais oxigênio do que hidrogênio.

• Ao hidrogênio foi atribuída arbitrariamente a massa relativa 1 e as massas atômicas de outros elementos foram determinadas em relação a esse valor.

• Como a água contém dois átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio, o átomo de oxigênio deve ter 2x8= 16x mais massa que um átomo de hidrogênio. Assim ao oxigênio foi atribuída a massa 16.

• Sabe-se atualmente que 1 u = 1,66054 x 10-24g. A u é definida fixando uma massa de exatamente 12u para um átomo do isótopo 12C do carbono.

• Nesta unidade, a massa do nuclídeo de 12C = 12u, a do 1H = 1,0078u e a do nuclídeo 16O = 15,9949u.

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Massas atômicas médias

• A maioria dos elementos são encontrados na natureza como uma mistura de isótopos. Podemos determinar a massa atômica média de um elemento usando as massas de seus vários isótopos e suas abundâncias relativas.

• O carbono encontrado na natureza, por ex. é composto de 98,93% de 12C e 1,07% de 13C. As massas desses nuclídeos são 12 u e 13,00335 u respectivamente. Calcula-se a massa média do carbono a partir da abundância de cada isótopo e a massa daquele isótopo:

(0,9893)(12u) + (0,0107)(13,00335u) = 12,01u

• A massa atômica média de cada elemento (expressa em u) é também conhecida como seu peso atômico. Logo o peso atômico do carbono é de 12,01u.

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*Exercício 8

Três isótopos do silício são encontrados na natureza: 28Si (92,23%), que tem massa atômica 27,97693u; 29Si (4,68%), que tem massa 28,97649u; e 30Si (3,09%), que tem massa 29,97377u. Calcule o peso atômico do silício.

Exercício 7

O cloro encontrado na natureza é constituído de 75,78% de 35Cl, que tem massa atômica 34,969u, e 24,22% de 37Cl, que tem massa atômica 36,966u. Calcule a massa atômica média (ou seja o peso atômico) do cloro.

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A tabela periódica

• Muitos elementos mostram similaridades muito fortes entre si. Por ex. o lítio (Li), sódio (Na) e potássio (K) são todos metais macios e muito reativos. O elemento hélio (He), neônio (Ne) e argônio (Ar) são gases não reativos.

• Se os elementos são organizados em ordem crescente de número atômico, observa-se que suas propriedades químicas e físicas mostram um padrão repetitivo ou periódico.

• Ex: cada um dos metais macios e reativos – lítio, sódio, potássio – vem imediatamente depois daqueles gases não reativos – hélio, neônio, argônio.

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A tabela periódica

• A organização dos elementos em ordem crescente de número atômico, com elementos tendo propriedades similares colocados nas colunas verticais é conhecida como tabela periódica.

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A tabela periódica

• Os elementos em uma coluna ou tabela são conhecidos como um grupo ou família

• O grupo de nomes superior, com designações A e B é amplamente utilizado na américa do norte (Ex: 1A, 7A). Números romanos ao invés de arábicos são normalmente adotados. (Ex: 7A é chamado de VIIA).

• A IUPAC propôs uma convenção na qual os grupos são numerados de 1 a 18, sem as designações A e B.

• Elementos que pertencem ao mesmo grupo geralmente apresentam algumas similaridades em suas propriedades físicas e químicas. Por ex: os metais do grupo IB – cobre (Cu), prata (Ag) e ouro (Au) são conhecidos como metais de cunhagem. São usados no mundo inteiro na fabricação de moedas.

• Vários outros grupos na tabela periódica têm nomes:

Grupo Nome Elementos

IA Metais alcalinos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr

IIA Metais alcalinos terrosos Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra

VIA Calcogênios O, S, Se, Te, Po

VIIA Halogênios F, Cl, Br, I, At

VIA Gases nobres He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

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Moléculas e compostos moleculares

• A molécula é a união de dois ou mais átomos ligados firmemente entre si

• Muitos elementos são encontrados na natureza na fórmula molecular; Ex. o Oxigênio encontrado no ar compõe-se de moléculas que contém dois átomos de oxigênio, representado pela fórmula química O2 (dois átomos de oxigênio em cada molécula).

• O oxigênio também existe em outra fórmula molecular conhecida como ozônio, composta de 3 átomos de oxigênio, tendo a fórmula O3. Apesar de serem O2 e O3 ambos formados apenas por átomos de oxigênio, exibem propriedades físicas e químicas muito diferentes.

Ex: O2 é essencial para a vida enquanto o O3 é tóxico; O2 é inodoro e O3 têm forte odor

• Compostos constituídos por moléculas são chamados compostos moleculares e contém mais de um tipo de átomo. Uma molécula de água, por ex. constitui-se de dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio.

• A água é conseqüentemente representada pela fórmula química H2O. A ausência de um índice inferior no O indica um átomo de O por molécula de água.

• Outro composto constituído desses mesmos elementos (em diferentes proporções) é o peróxido de hidrogênio, H2O2. As propriedades destes compostos são muito diferentes.

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Representação de algumas moléculas simples comuns

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Fórmulas moleculares e mínimas

• Fórmulas moleculares indicam os números e tipos efetivos de átomos em uma molécula.

• Fórmulas mínimas dão somente os números relativos de átomos de cada tipo em uma molécula. Os índices inferiores em uma fórmula mínima são sempre os menores números inteiros proporcionais possíveis.

Ex: peróxido de hidrogênio. Fórmula molecular: H2O2; Fórmula mínima: HO

etileno: Fórmula molecular: C2H4; Fórmula mínima: CH2

H2O: Fórmula molecular: H2O; Fórmula mínima: H2O

*Exercício 10

Dê a fórmula mínima para a substância chamada diborano (B2H6)

Exercício 9

Escreva as fórmulas mínimas para as seguintes moléculas: a) glicose (C6H12O6); b) óxido nitroso (N2O)

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Visualização das moléculas

• A fórmula estrutural de uma substância mostra quais átomos estão ligados a quais em uma molécula. Por ex. as fórmulas para água, peróxido de hidrogênio e metano (CH4) podem ser escritas como segue:

HO

H O OH

HC

H

H

H H

• Os átomos são representados por seus símbolos químicos, e as linhas são usadas para representar as ligações que os mantêm unidos

• Uma fórmula estrutural geralmente não representa a geometria real da molécula, isto é, os verdadeiros ângulos nos quais os átomos se unem. Entretanto a fórmula estrutural pode ser escrita como um desenho em perspectiva para dar mais noção de aparência tridimensional

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