MODELOS ATÔMICOS

E PRINCÍPIOS

DE QUÍMICA

NUCLEARLuiz Felipe Guain Teixeira

Escola Olímpica de Química

Junho/Julho de 2015

O Átomo e sua Origem

ELEMENTOS QUÍMICOS

114 elementos descobertos

* 90 naturais

* 24 artificiais

Isótopos

* espectrometria

de massa

técnica para medição da massa de uma amostra

(átomo ou molécula)

Isótonos

Isóbaros

Isoeletrônicos

Isodiáferos

(mesma diferença entre nêutrons e prótons)

Teoria do Big-Bang Explosão Primordial

Fusão de núcleos Atração Gravitacional

2 1H 2H + ν + β+ 4 1H 4He2H + 1H 3He + γ

2 3He 4He + 2 1H

3He + 4He 7Be + γ7Be + β- 7Li 7Li + p+ 8Be

ORIGEM DOS ELEMENTOS

Química Nuclear

Transmutação X Transformação

Prótons: (u u d)

Núcleons

Nêutrons: (u d d)

Férmions

Tipos de radiação nuclear (c = 299.792.458 m/s)

DECAIMENTO NUCLEAR

Tipo Grau de

Penetração

Velocidade Partícula Número

de massa

Carga

α Não penetrante,

mas causa danos

0,1c Núcleo de

hélio-4

4 +2

β- Moderadamente

penetrante

~0,9c elétron 0 -1

γ Muito penetrante c fóton 0 0

β+ Muito penetrante ~0,9c pósitron 0 +1

p Penetração baixa 0,1c próton 1 +1

n Muito penetrante ~0,1c nêutron 1 0

Experimento de Rutherford

Alcance das radiações

Decaimento radioativo

Núcleos tendem a buscar configurações mais estáveis

Emissão de radiação:

* Núcleo com excesso de prótons

- Libera α

- Libera β+

- Captura de elétron

* Núcleo com excesso de nêutrons

- Libera β-

* Núcleo com excesso de energia

- Libera γ

REAÇÕES NUCLEARES

reações

nucleares

de Chief

α

β-

β+

Processo de uma bomba de urânio

FISSÃO NUCLEAR

Processo de formação dos

elementos químicos

FUSÃO NUCLEAR

formação de 4He

a partir de 1H

ciclo

CNO

1. (PUC - SP-2000) O fenômeno da radioatividade foi descrito

pela primeira vez no final do século passado, sendo largamente

estudado no início do século XX. Aplicações desse fenômeno

vão desde o diagnóstico e combate de doenças, até a obtenção

de energia ou a fabricação de artefatos bélicos. Duas emissões

radioativas típicas podem ser representadas pelas equações:238U → 234Th + α 234Th → 234Pa + β

A radiação α é o núcleo do átomo de hélio, possuindo 2 prótons

e 2 nêutrons, que se desprende do núcleo do átomo radioativo.

A radiação β é um elétron, proveniente da quebra de um

nêutron, formando também um próton, que permanece no

núcleo. A equação que representa o decaimento radioativo do

isótopo 238U até o isótopo estável 206Pb é:

a) 238U → 206Pb + α + β b) 238U → 206Pb + 8α + 4β

c) 238U → 206Pb + 8α + 6β d) 238U → 206Pb + 5α + 5β

e) 238U → 206Pb + 6α + 6β

EXERCÍCIOS

2. (UFSCar-2006)No dia 06 de agosto de 2005 foram lembrados os 60

anos de uma data triste na história da Humanidade. Nesse dia, em 1945,

foi lançada uma bomba atômica sobre a cidade de Hiroshima, que

causou a morte de milhares de pessoas. Nessa bomba, baseada no

isótopo 235 de urânio, uma das reações que pode ocorrer é representada

pela equação nuclear não balanceada

92235U + 0

1n → 56141Ba + n

mX + 3 01n + energia

Nesta equação X, m e n representam, respectivamente:

a) partícula alfa; 2; 4 b) pósitron; 1; 0. c) argônio; 18; 39,9.

d) criptônio; 36; 92. e) bário; 56; 141.

3. (FUVEST-2006) Em 1995, o elemento de número atômico 111 foi

sintetizado pela transformação nuclear:

2864Ni + 83

209Bi → 111272Rg + nêutron

Esse novo elemento, representado por Rg, é instável. Sofre o

decaimento:

111272Rg → 109

268Mt → 107264Bh → 105

260Db → 103256Lr → 101

252Md

Nesse decaimento, liberam-se apenas: a) nêutrons. b) prótons. c)

partículas α e partículas β. d) partículas β. e) partículas α.

Modelos Atômicos

Demócrito – átomo = unidade fundamental da matéria

Antoine L. Lavoisier – lei de conservação das massas

Joseph L. Proust – lei das proporções definidas

John Dalton – teoria atômica (1803)

* átomos são esferas perfeitas

* átomos são indestrutíveis e imutáveis

* cada elemento é caracterizado por sua massa

* elementos combinam-se em razões de números

inteiros entre si (lei das proporções múltiplas)

* os átomos não são criados nem destruídos

Wilhelm C. Röntgen – descoberta dos raios X (1895)

Antoine H. Becquerel – radiação de compostos de Urânio (1896)

Pierre Curie/Marie Curie – condutividade do ar (ao ser exposto à

radiação dos compostos de Urânio); presença de Polônio e Rádio

em minério de Urânio

Ernest Rutherford – contribuições significativas à radioatividade

William Crookes – descoberta dos

raios catódicos (tubo de Crookes)

Joseph J. Thomson – experiência com raios catódicos (1897)

* descoberta do elétron

* determinação da relação carga/massa do elétron

R = mv/Bq q/m = v/BR

W = qV (conversão W Ec)

mv 2/2 = qV v = (2qV/m) 1/2

q/m = 2V/B 2R2

Robert A. Millikan – experiência da gota de óleo

Gotthilf-Eugen Goldstein –

descoberta dos raios anódicos

(ou raios canal) (1886)

Ernest Rutherford

* descoberta do próton (1904)

* espalhamento de Rutherford (1908)

* concebeu a existência do nêutron

James C. Maxwell – predição de ondas eletromagnéticas (1873)

Heinrich R. Hertz – evidenciou a existência das ondas

eletromagnéticas (1888)

Max. K. E. L. Planck – estudo das radiações eletromagnéticas

* quantização da energia (h = 6,62608x10-34 J.s)

* lei da radiação térmica

E = hν

Albert Einstein – estudo do efeito fotoelétrico (1905)

* luz é constituída

de partículas discretas de

energia hν

fótons

Niels H. D. Bohr

* elétron pode existir apenas

em estados estacionários

* elétron é restrito à estados

de energia quantizados

* emissão de luz nos átomos

corresponde à mudança do elétron entre estados estacionários

transições eletrônicas para

o átomo de Hidrogênio

espectro de emissão da série de Balmer

Arnold J. W. Sommerfeld – modelo atômico Bohr-Sommerfeld

* estrutura “fina dos espectros atômicos”

órbitas elípticas

eixo maior n

eixo menor k

n = número quântico principal

k = número quântico azimutal (secundário)

(k = 1, 2, 3, ... n)

James Chadwick – descoberta do nêutron (1932)

na elipse: =

O Modelo Quântico

Louis de Broglie – dualidade onda-partícula

E = mc2 mc2 = hν (c = λν) mc2 = hc/λ mc = h/λ

E = hν λ = h/mv mv = h/λ generalizando (c = v)

Werner K. Heisenberg – princípio da incerteza de Heisenberg

ΔχΔρ > h/4π

Erwin R. J. A. Schrödinger – mecânica ondulatória

* tratamento do elétron como onda estacionária

Ψ = função de onda orbital

equação diferencial

números quânticos

série de soluções (n, l, ml)

Equação de Schrödinger:

Independente do tempo (1D):

Para átomo de H:

Para moléculas:

NÚMEROS QUÂNTICOS

n: número quântico

principal

n = 1, 2, 3, ... n

l: número quântico de

momento angular ou

azimutal (secundário)

l = 0, 1, 2, ... n-1

ml: número quântico

magnético

ml = -l, ..., -1, 0, +1,..., +l

ms: número quântico de

spin

ms = +1/2 ou -1/2

NÚMEROS QUÂNTICOS

n: define grupos de orbitais distintos pelos valores de l e ml,

determinando a energia do elétron e a dimensão do orbital.

l: define a forma do orbital, assumindo valores de 0 até n-1.

0 = s 1 = p 2 = d 3 = f

ml: define a orientação do orbital (comportamento do orbital

perante um campo magnético externo)

Wolfgang E. Pauli – princípio da exclusão de Pauli

* dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo

estado quântico simultaneamente

ms: define orientação do spin do elétron

orbitais degenerados = possuem mesma energia

Ψ2 = função de densidade de probabilidade

* probabilidade de encontrar um elétron em função da

distância ao núcleo considerando um volume “pontual”

orbital 1s

4π R2Ψ2 = função de densidade de probabilidade radial

* probabilidade de encontrar um elétron em uma

superfície esférica (função de distribuição radial)

orbital 1s

Funções de Distribuição Radial

orbital 2s orbital 3s

orbital 2sorbital 1s

orbital 3s

orbital 2p orbital 3p orbital 4p

orbital 3d

orbital 4d

orbital 5d

ENERGIA DOS ORBITAIS

orbital d orbital f

orbital s

orbital px y z

sequência de energia: n + l

z2 x2-y2 xy yz zx y3-3yx2

x3-3xy2

zx2-zy2

5xz2-xr2

5yz2-yr2

xyz

5z2-3zr2

4. Um elétron em um certo átomo está no nível quântico n = 2.

Indique os valores possíveis de l, de ml e de ms.

5. Escreva quais são os quatro números quânticos de um elétron

Nos seguintes orbitais: (a) 3s, (b) 4p, (c) 3d.

6. Indique quais dos seguintes conjuntos de números quânticos

são inaceitáveis para um átomo e explique o porquê:

(a) (1,0, 1/2, +1/2), (b) (3,0,0, +1/2), (c) (2,2,1, +1/2),

(d) (4,3,–2,+1/2), (e) (3,2,1,1).

7. Escreva as configurações eletrônicas dos seguintes elementos:

(a) K, (b) Cr, (c) U.

EXERCÍCIOS

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA

Princípios de Química: Questionando a Vida

Moderna e o Meio Ambiente. ATKINS, Peter;

JONES, Loretta. Editora Bookman.

Química Geral e Reações Químicas – Volumes 1

e 2. KOTZ, John C.; TREICHEL, Paul M.;

WEAVER, Gabriela C. Editora Cengage Learning.

Physical Chemistry: A Molecular Approach.

MCQUARRIE, Donald A; SIMON, John D. Univ

Science Books.