estrutura atômica

Estrutura Atmica e Atraes Interatmicas

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Prof. Cesar Bndchen, Dr.-Eng.

Introduo

Algumas propriedades importantes dos materiaisslidos dependem dos arranjos dos tomos e dasinteraes existentes entre tomos/molculasconstituintes.

Desta forma, so conceitos fundamentais eimportantes neste estudo: Estrutura atmica,configuraes eletrnicas dos tomos, e as ligaesprimrias e secundrias.

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O tomo composto basicamente de nutrons, prtons e eltrons.

Elemento Carga (C) Massa (kg)

Prton +1,60 x 10-19 1,67 x 10-27

Eltrons -1,60 x 10-19 9,11 x 10-31

Nutron 0,00 1,67 x 10-27

Cada elemento ou tomo caracterizado pelo nmerode prtons no seu ncleo, ou seja, pelo nmeroatmico (Z).

Estrutura Atmica - Conceitos

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A massa atmica (A) de um tomo expressa como osomatrio das massas dos prtons e dos nutrons no interiordo ncleo.

O nmero de prtons (Z) uma constante para cadaelemento, no entanto o nmero de nutrons (N) pode variarde algumas unidades, cujos elementos so chamados deistopos.

Desta forma, a massa atmica (A) de um elemento amdia ponderada das massas atmicas de todos os istoposdaquele elemento que ocorrem na natureza.

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Peso Atmico: corresponde a mdia ponderada dasmassas atmicas dos istopos mais abundantes nanatureza. Em termos prticos, o mesmo que nmerode massa.

O peso atmico de um elemento pode ser especificadocom base em uma Unidade de Massa Atmica (uma) portomo ou massa por mol de material.

Em um mol de uma substncia existem 2,023x1023

tomos ou molculas.

1 uma/tomo (molcula) = 1g/mol

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Por exemplo, o oxignio possui trs istopos estveis:16O - MA = 16 , equivale 99,7% de todos os tomos de oxignio da terra17O - MA = 17 , so apenas 0,03% dos tomos de O18O - MA = 18 , abundncia de 0,2%

Fazendo a mdia ponderada:

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Modelos Atmicos

Dalton

Thomson

Rutherford

Bohr

Modelo Atmico Atual: Modelo de Nuvem eletrnica

Estrutura Atmica - Eltrons nos tomos

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Modelos Atmicos

Demcrito (sc. 5 a.C.):

a matria consiste de partculas pequenas e indivisveis, os

tomos.

(do grego atomos: que no pode ser separado, indivisvel)


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Modelos Atmicos


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No final do sculo 19, inmeros fenmenos associados aoseltrons no podiam ser explicados em termos da mecnicaclssica.

Logo, foram estabelecidos uma srie de princpios e leisque governam as entidades atmicas e subatmicas,conhecidas como mecnica quntica.

Um dos primeiros precursores da mecnica quntica foi omodelo atmico de Bohr, na qual assume-se que os eltronsorbitam ao redor do ncleo atmico em orbitais distintos.

Modelos Atmicos


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Bohr: tomo possua infinitos nveis de energia, e que os

eltrons em um tomo ocupam os setes primeiros nveis de

energia denominados de camadas K, L, M, N, O, P, Q.

Modelos Atmicos


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1. Cada nvel de energia quantizado

2. A energia em cada nvel aumenta medida que se

afasta do ncleo

3. Quando um eltron recebe energia ele salta para um

nvel de maior energia e ao retornar devolve a energia

recebida sob a forma de uma onda eletromagntica.

Postulados de Bohr


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O modelo de Bohr mostrou-se limitado devido a suaincapacidade de explicar vrios fenmenos envolvendo oseltrons.

A soluo encontrada foi o desenvolvimento de um modelomecnico-ondulatrio, no qual considera-se que o eltronexibe caractersticas tanto de onda como de uma partcula.

Com este modelo, um eltron no mais tratado como umapartcula que se move em um orbital distinto; em vez disso, aposio do eltron considerada como sendo a probabilidadede um eltron estar em vrios locais ao redor do ncleo.

Modelos Atmico Atual: Nuvem Eletrnica


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Modelos Atmico Atual: Nuvem Eletrnica


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O modelo Mecnico-Ondulatrio

Comparao entre modelos os atmicos de (a) Bohr e (b) mecnico-ondulatrio em termos de distribuio eletrnica.

Eltron exibe caractersticas tanto deonda como de partcula;

Criada a idia de sub-orbitais para cadanvel primrio de energia;

Dois eltrons por sub-orbital;

Princpio de excluso de Pauli umeltron pode ser caracterizado por 4 nsqunticos


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Nmeros Qunticos

Segundo o modelo mecnico-ondulatrio, cada eltron emum tomo caracterizado por 4 nmeros qunticos.

Nmero Quntico Principal (n): Assume nmerosinteiros a partir da unidade, algumas vezes associados a letrasmaisculas K, L, M, N, O, P e Q ou n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7.Este nmero est associado ao modelo de Bohr que estrelacionado a distncia de um eltron a partir do ncleo.


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Nmeros Qunticos

Nmero Quntico Secundrio (l): Significa subcamada,sendo identificado pelas letras minsculas s, p, d e f . Ele est

associado a forma da subcamada eletrnica. A quantidadede subcamadas permitidas est associada ao valor de n.

Nmero Quntico Magntico (ml): Determina o nmerode camadas energticas para cada subcamada. Para umasubcamada s, existe um nico estado energtico e para assubcamadas p, d e f so 3, 5 e 7 estados ou orbitais. Naausncia de campos magnticos os estados so idnticos.


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Nmeros Qunticos

a) n Quntico Principal (n): Indica a camada (energia).

b) n Quntico Azimutal (l): Indica o subnvel.

c) n Quntico Magntico (m): Indica a orbital.

d) n Quntico Spin (s): Indica a rotao de eltrons


Nmero quntico de spin (s) um nmeroquntico que assume apenas dois valores: ms=+1/2 ems=-1/2. Dado que o eltron vai rodar em torno de siprprio, tendo apenas dois movimentos possveis.

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Para determinar a maneira que os

estados so preenchidos com

eltrons, se utiliza o Princpio de

Excluso de Pauli.

Configuraes Eletrnicas


O princpio de Pauli estipula que

cada estado ou orbital pode

comportar um mximo de 2

eltrons, que deve possuir valores

de spin opostos

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Principal(n)

Designaoda Camada

Subcamadas(l)

N de estados

(ml)

N de Eltrons

Porsubcamadas

PorCamadas

1 K s 1 2 2

2 L s 1 2 8

p 3 6

s 1 2

3 M p 3 6 18

d 5 10

s 1 2

4 N p 3 6 32

d 5 10

f 7 14



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Alguns tomos possuem configuraes eletrnicas estveis,cuja camada mais externa ou de valncia encontra-secompletamente preenchida por eltrons.

Normalmente, corresponde ocupao dos orbitais s e p.Estes elementos so He, Ne, Ar, Kr.


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Foras e energias de Ligao

Atraes Interatmicas

Dois tomos distantes: a fora de interao praticamentenula.

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Atraes Interatmicas

A medida que eles se aproximam: cada tomo exerce umafora sobre o outro.

Atrativa

Repulsiva

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A fora lquida FL entre os dois tomos exatamente asoma das componentes de atrao e repulso, quetambm uma funo da separao interatmica.

FL = FA + FR

Onde:

FA = fora de atrao

FR = fora de repulso

FL = fora lquida ou resultante

Atraes Interatmicas

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ligao qumica o conjunto de foras que mantm ostomos unidos entre si, dando origem a molculas.

Em todos os tipos de ligao qumica as foras deligao so essencialmente eletrostticas, isto , forasentre cargas eltricas.

Os materiais que possuem grandes energias de ligaoem geral tambm possuem temperaturas de fusoelevadas;

Atraes Interatmicas

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temperatura ambiente s substncias slidas soformadas devido a elevadas energias de ligao,

Enquanto no casos em que existem apenas pequenasenergias de ligao, o estado gasoso favorecido.

Os lquidos prevalecem quando as energias so demagnitude intermediria.

Atraes Interatmicas

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3 tipos de ligaes qumicas so encontradas nosslidos

Atraes Interatmicas

Inica;

Covalente e

Metlica

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Ligao Inica

Ligao interatmica mais fcil de ser descrita evisualizada; caracterizada pela transferncia de eltrons.

Atrao mtua entre cargas positivas e negativas;

Encontrada em compostos cuja composio envolvetanto elementos metlicos como no-metlicos;

Os tomos metlicos perdem seus eltrons de valnciapara os no-metlicos, adquirindo configuraes estveis

Atraes Interatmicas

Metlico: cede eltrons (ction);

No metlico: recebe eltrons (nion);32

Conduzem corrente eltrica em soluo aquosa e no estado lquido (quando fundidos).

Elevados pontos de fuso e de ebulio.

Atraes Interatmicas

Ligao Inica

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Ligao Covalente

Caracteriza-se pelo compartilhamento de eltrons detomos adjacentes, adquirindo configuraes eletrnicasestveis.

Atraes Interatmicas

CH4

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Ligao Covalente

Dois tomos que esto covalentemente ligados irocontribuir com pelo menos um eltron para a ligao eos eltrons compartilhados, sero consideradospertencentes aos dois tomos.

So exemplos de ligaes covalentes: H2, Cl2, F2, H2O, HNO3 e HF.

Slidos elementares como carbono, silcio e germnio.

Atraes Interatmicas

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Ligao Metlica

Encontrada em metais e suas ligas.

Conduzem corrente eltrica.

So brilhantes e maleveis.

Tm alta condutibilidade trmica.

E elevada temperatura de fuso.

Os metais apresentam um a trs eltrons de valncias no ligados a nenhum elemento, que encontram-se livres para se movimentar ao logo de todo o metal.

Atraes Interatmicas

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Ligao Metlica

Atraes Interatmicas

Os eltrons livresprotegem os ncleos inicoscarregados positivamentedas foras eletrostticasmutuamente repulsivas.

Podem ser fracas como nocaso do Hg (0,7 eV/tomo)com fuso a -39C e fortesentre os tomos de W (8,8eV/tomo) com fuso a3410C.

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as ligaes primrias dependem dos eltrons devalncia; a fora motriz para a ligao primria adiminuio de energia dos eltrons de valncia noprocesso de ligao.

as ligaes secundrias so fracas, com energias deligao tipicamente da ordem de 10kJ/mol.

sua fora motriz a atrao entre dipolos eltricos quesurgem entre tomos e molculas.

Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

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Dipolo: duas cargas eltricas iguais e opostas ou de plosmagnticos de sinais opostos, separados por uma pequenadistncia.

Embora os tomos e as molculas sejam eletricamenteneutros, so afetados pelos campos eltricos, pois tm cargaspositivas e negativas.

Em alguns tomos ou molculas, a nuvem de eltron esfericamente simtrica, e o centro de carga est no centro dotomo, e coincide com a carga positiva. Este tomo oumolcula apolar.

Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

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Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

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Se o campo eltrico for no uniforme, haver uma foraeltrica resultante no nula atuando sobre o dipolo:

Esta a fora responsvel pela conhecida atrao depequeninos pedaos de papel por um pente carregado.

Em algumas molculas o centro das cargas positivas nocoincide com o centro das cargas negativas, mesmo naausncia de campos eltricos externos - Estas molculas sochamadas polares.

Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

os dipolos atuam por foras eletrostticas, havendoatrao mtua entre tomos ou molculas que contenhamdipolos.

as ligaes secundrias dipolares so chamadas deligaes (ou foras) de Van der Waals.

h dois tipos de dipolos eltricos, os flutuantes (ouinduzidos) e os permanentes.

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Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

em determinado instante pode surgir uma maior concentrao de cargas eltricas de um lado do tomo do que do outro, fazendo com que a nuvem eletrnica sofra uma oscilao com o tempo;

a oscilao de cargas gera o dipolo, chamado ento flutuante; os dipolos de tomos vizinhos podem se atrair mutuamente, resultando fracas ligaes interatmicas no direcionais;

a formao de lquidos e a solidificao dos gases nobres devem-se formao dos dipolos induzidos; para isto so necessrias baixas temperaturas e elevadas presses.

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Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

A fora dipolo permanente-dipolo permanente, ousimplesmente, dipolo-dipolo ocorre somente emmolculas polares, isto , aquelas que no apresentamdistribuio uniforme de carga ao longo de sua superfcie.

Para citar um exemplo, na molcula de HCl (gsclordrico) a nuvem eletrnica est mais deslocada nosentido do tomo de cloro, pois ele mais eletronegativoque o hidrognio.

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Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

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Observe que ao redor do tomo decloro h um acmulo de eltrons, o queacarreta a formao de um polonegativo, que simbolizado pela letragrega delta (-). Em consequncia, naregio ao redor do tomo de hidrognio formado um polopositivo (+), pois possui baixadensidade eletrnica.

Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

A molcula de HCl constitui, ento, um dipolo eltrico e,com isso, ao entrar em contato com outras molculas de HClvizinhas, ocorre uma fora de atrao entre os poloscontrrios das molculas.

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Ligaes Secundrias

Atraes Interatmicas

gs nobre ponto de fuso [C]

ponto de ebulio [C]

hlio -272 -269

nenio -249 -246

argnio -189 -186

xennio -112 -107

radnio -71 -62

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Referncias

CALLISTER Jr., W.D. Fundamentos de Cincia e engenharia de materiais. 4 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014.

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estrutura atômica

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