Estrutura Atômica e a Lei Periódica

Natureza elétrica da matéria

-Michael Faraday (1834): transformação química poderia ser causada pela passagem de eletricidade através de soluções aquosas matéria possui natureza elétrica;

- G. J. Stoney propôs a existência de partículas de eletricidade, as quais chamou de elétrons;

- No final do século XIX, os físicos começaram a investigar a condução da corrente elétrica em tubos de descarga em gás. Tubos totalmente fechados com placas de metal (eletrodo) em cada extremidade;

- Após remoção parcial do gás do interior do tubo e aplicação de alta voltagem, observou-se a condução de eletricidade por uma descarga elétrica: o ar residual no tubo iluminava-se. Se todo o ar fosse retirado do tubo a descarga cessava. Processo usado em lâmpadas de neon;

- Se fosse colocado um anteparo coberto com sulfeto de zinco fluorescente, este brilhava do lado que estava voltado para o eletrodo negativo (o catodo). Isto demonstrava que a descarga originava-se no catodo e fluía para o eletrodo positivo (o anodo). Esses “raios”, como foram chamados, receberam o nome de raios catódicos.

Outras observações:

- Normalmente caminham em linha reta;

- Delineiam sombras;

- Podem girar um pequeno moinho colocado em seu caminho, sugerindo que são formados por partículas;

- aquecem uma folha metálica colocada entre os eletrodos;

- podem ser curvados por um campo elétrico ou magnético, numa direção tal que se deduz terem as partículas cargas negativas;

- são sempre os mesmos, independente da natureza do material que compõe os eletrodos ou da espécie do gás residual no interior do tubo.

- Os elétrons produzidos no catodo são acelerados para o anodo perfurado. Alguns elétrons passam através do orifício e prosseguem em seu caminho, chocando-se com a parede oposta do tubo, coberta com uma substância fosforescente, produzindo um ponto brilhante;

- Colocando-se placas, com cargas opostas, acima e abaixo do tubo, o feixe é defletido em direção à placa positiva e choca-se com a parede do tubo. A quantidade de deflexão também é inversamente proporcional à sua carga.

e /m = - 1,76 x 108 C/g

R. A. Millikan (1908) – Carga do elétron

-Uma névoa de gotículas foi aspergida sobre duas placas metálicas paralelas. As gotículas passavam através de um orifício na placa superior e o ar entre as placas era irradiado por raios – X;

- Os elétrons arrancados das partículas de gás pelos raios-X eram captados pelas gotículas de óleo, o que lhes dava carga negativa;

- Mediante a aplicação de uma carga elétrica às placas, a queda das gotas carregadas poderia ser interrompida;

- Millikan observou que a quantidade da carga nas gotas de óleo era sempre múltiplo de – 1,60 x 10-19 C.

- Uma vez obtida a carga, a partir da razão e/m, obteve-se a massa do elétron: 9,11 x 10-28 g.

Partículas positivas

- A pesquisa por estas partículas positivas começou com experiências que usavam tubos de descarga em gases com catodos perfurados. Quando uma corrente elétrica passava pelo tubo, observavam-se fachos de luz proveniente dos furos da parte de trás do elétrodo negativo (raios canais);

- Durante uma descarga elétrica, os elétrons chocam-se contra as partículas neutras de gás, gerando mais elétrons e partículas carregadas positivamente, ou íons positivos, ou cátions;

- As partículas carregadas positivamente são, então, atraídas para o catodo. Como ele é furado, estas passam pelos furos e chocam-se contra a parede atrás do mesmo.

Espectrômetro de Massa

-Instrumento usado para determinar a razão e/m de íons positivos.

Informações importantes obtidas destes experimentos:

1 - Íons positivos têm sempre e/m muito menores que a do elétron massa do elétron é muito menor.

2 - A razão e/m depende da natureza do gás no espectrômetro.

-Quando o hidrogênio, o mais leve de todos os gases, é colocado no espectrômetro de massa obtém-se: e/m = + 9,63 x 104 C/g. Esta é a maior e/m observada para qualquer íons positivo. Assim, considera-se que o íon hidrogênio representa uma partícula fundamental de carga positiva, o próton.

- Comparando-se e/m do próton e do elétron, chega-se a conclusão que o próton é 1836 vezes mais pesado que o elétron.

-Átomos com mais massa que o hidrogênio, contêm mais de 1 próton.

Número Atômico: Número de prótons que um determinado elemento possui.

- Como a carga é sempre um múltiplo de 1,60 x 10-19 C, é interessante criar uma nova unidade para cargas, equivalente a este valor. Assim, a carga do elétron seria -1 unidade de carga. Se o hélio perdesse 2 elétrons em um espectrômetro de massa, o íon resultante seria descrito como He2+ ; se dois elétrons fossem adicionados a um átomo de oxigênio, o íon resultante, no caso um ânion, seria descrito como O2-.

Radioatividade (Henri Becquerel, 1896)

Os átomos de alguns elementos não são estáveis. Eles emitem, espontaneamente, radiações de vários tipos.

- Radiação alfa, formada de íons He2+, partículas alfa;

- Radiação beta, que consiste de elétrons, neste caso, chamamos partículas beta;

-Radiação gama, altamente energética, consistindo de ondas de luz altamente penetrante semelhante aos raios X.

O átomo nuclear

- Pensava-se que o átomo tivesse, aproximadamente, uma densidade uniforme em todo ele, com os elétrons embebidos em uma esfera de carga positiva. (Modelo de J. J. Thomson)

Ernest Rutherford, 1911. Experimento monitorando o espalhamento de partículas em uma folha fina de ouro.

- O diâmetro de núcleo de um átomo está em torno de 10-13 cm e pode ser comparado com o mesmo átomo, cujo diâmetro está em torno de 10-8 cm.

O Nêutron

-Rutherford havia observado que apenas cerca da metade da massa nuclear poderia ser atribuída aos prótons. Sugeriu a existência de partículas de carga zero e de massa aproximadamente igual a dos prótons no núcleo.

- James Chadwick (1932) - Bombardeamento de berílio com partículas alfas. Houve emissão de partículas altamente energética e não-carregadas, denominadas nêutrons, as quais tinham massa ligeiramente maior que os prótons.

Massa Carga

Grama Unid. Massa Atômica Coulombs Unid. de Carga elétrica

Prótons 1,67x10-24 1,007276 + 1.6702 x10-19 + 1

Nêutrons 1,67x10 -24 1,008665 0 0

Elétrons 9,11x10 -28 0,0005486- 1.6702 x10-19

-1

O ÁTOMO

Número Atômico (Z): quantidades de prótons.

Z = p = e

Número de Massa (A): a soma das partículas que constitui o átomo.

A = Z + n + e

A = Z + n

REPRESENTAÇÃO DE UM ÁTOMO

ISÓTOPOS: mesmo número de prótons.

ISÓBAROS: mesmo número de massa.

ISÓTONOS: mesmo número de nêutrons.

ISOELETRÔNICOS: mesmo número de elétrons.

ÍONS: são átomos que ganharam ou perderam elétrons

Radiação Eletromagnética e o espectro atômico

- A luz, em todas as suas formas (raios X, radiação ultravioleta ou

infravermelha e ondas de rádio), é chamada de radiação eletromagnética e

viaja a uma velocidade constante c = 3,00 x 108 m/s no espaço. Estas

radiações são ondas caracterizadas por sua intensidade, ou amplitude, e

pelo seu comprimento de onda, , que é a distância entre os picos

consecutivos (ou vales) de uma onda, e pela freqüência, , que é o número

de picos que passam por um dado ponto por segundo:

= c

- Se a luz solar, ou de uma lâmpada for colimada, passando por uma fenda e,

posteriormente, atravessar um prisma, ao chocar-se a um anteparo, observa-

se um arco-íris: espectro da luz visível.

- Se a luz vier de um tubo de descarga do gás hidrogênio, o espectro projetado

no anteparo consiste num espectro de linhas. Cada elemento possui seu

espectro de linhas característico.

Teoria de Bohr do átomo de hidrogênio

- Primeiras tentativas de explicar a existência do espectro de linhas falharam.

Um elétron, movendo-se em torno do núcleo, deve seguir uma trajetória

circular. Uma partícula que segue uma trajetória circular sofre uma aceleração;

- De acordo com as leis da Física Clássica aceitas na época, uma partícula

acelerada perderia continuamente energia, emitindo radiação eletromagnética;

- Na medida que a partícula perdesse energia, esta se deslocaria na direção

do núcleo, colapsando o átomo no final. Na realidade, os átomos não

colapsam;

- Problema começa a ser resolvido a partir de trabalhos de Max Planck (1900)

e Albert Einstein (1905): eles mostraram que, além de possuir propriedades

ondulatórias, a luz também se comporta como se fosse composta de

partículas. Essas partículas seriam pequenas porções de energia, ou quanta

de energia ( mais tarde chamadas fótons)E = h

-Em 1913, Niels Bohr desenvolveu a teoria na qual o átomo não sofria colapso, devido ao fato das órbitas serem quantizadas, ou seja o elétron poderia apenas “pular” de uma órbita para outra. Sua energia, portanto, também fica quantizada. Explica porque, nas descargas elétricas, só há emissão em certas freqüências, implicando em trocas específicas de energia, ou órbitas.