1. ESTRUTURA
ATÔMICA
SQM 0405 – Química Geral e Experimental: Teórica e Prática
Engenharia Elétrica e Engenharia de Computação
Aline A. Oliveira
2. Estrutura Atômica
Referencial Bibliográfico
• Mahan, Bruce M. Química: um curso universitário. Bruce M.
Mahan, Rollie J. Myers; coordenador Henrique Eisi Toma;
tradução de Koiti Araki, Denise de Oliveira Silva, Flávio Massao
Matsumoto. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.
• Atkins, Peter. Princípios de química: questionando a vida
moderna e o meio ambiente. Peter Atkins, Loretta Jones;
tradução Ricardo Bicca de Alencastro. Porto Alegre: Bookman,
2006.
3. TEORIA DA ESTRUTURA ATÔMICA
Descoberta da
natureza da matéria e
do elétron
Átomo: núcleo rodeado
de elétrons
Equações mecânico-quânticas
para explicar o comportamento
dos elétrons nos átomos
4. John Dalton
• 1808
• Átomo: esfera perfeita, rígida e indivisível
Hipótese atômica de Dalton
• Todos os átomos de um dado elemento são idênticos.
• Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes.
• Um composto tem uma combinação específica de átomos de mais
de um elemento.
• Em uma reação química, os átomos não são criados nem
destruídos, porém trocam de parceiros para produzir novas
substâncias.
5. A natureza elétrica da matéria
• 1833 – Experimentos de Faraday sobre a eletrólise
• Uma dada quantidade de eletricidade sempre depositará uma
mesma massa de uma dada substância no eletrodo.
• As massas das várias substâncias depositadas, dissolvidas ou
formadas no eletrodo por uma quantidade definida de
eletricidade são proporcionais aos pesos equivalentes das
mesmas.
“Eu tenho a convicção de que a força que controla a
eletrodecomposição e a atração entre átomos é a mesma.”
6. A natureza elétrica da matéria
• 1874 – G. J. Stoney
• Sugere o nome elétron para a partícula elétrica fundamental
• Até 1897 – sem evidências experimentais claras da existência
e das propriedades dos elétrons!
7. Experimentos de Thomson
• 1897
• Descargas elétricas em gases – tubo de raios catódicos
• Conclusão: qualquer matéria continha partículas com carga
negativa!!!
• Modelo do “Pudim de Passas”
8. Contribuições de Millikan
EXPERIMENTO DA GOTA DE ÓLEO
• Provou que todas as cargas elétricas são múltiplos de uma
unidade elementar definida: 1,60 x 10-19 C
9. O experimento de Rutherford
1911 - Espalhamento de
partículas α por folhas de
metal
A maioria das partículas α não
sofriam desvio porque “não
acertavam o alvo” = átomos
deveriam ser altamente
desuniformes com relação à
distribuição de massa e de
densidade de carga
RESULTADO = indicação qualitativa da existência do núcleo!
Possibilitou ainda a medida da carga e do tamanho do núcleo
10. Modelo atômico de Rutherford
• Um átomo contendo um núcleo pequeno positivamente
carregado deveria ser instável.
• Se os elétrons estivessem parados, seriam atraídos para o
núcleo.
• Se os elétrons estivessem em movimento translacional em
volta do núcleo, segundo uma trajetória circular, as leis de
eletromagnetismo prediziam que o átomo deveria emitir luz
dissipando energia continuamente, até que todo o movimento
dos elétrons cessasse.
NIELS BOHR!!!
11. Radiação Eletromagnética
“Um feixe de radiação
eletromagnética é o
produto de campos
elétricos e magnéticos
oscilantes que atravessam o
vácuo a 3,00 x 108 m s-1.”
c = velocidade da luz
c = 2,998 x 108 m s-1
12. O campo elétrico afeta partículas
carregadas como os elétrons!
O campo elétrico de uma radiação
eletromagnética oscila no tempo e
no espaço!
Frequência da radiação (ν) = número de ciclos por segundo
Unidade de frequência = 1 hertz (1 Hz)
1 Hz = 1 s-1
A radiação eletromagnética de frequência 1 Hz empurra uma
carga em uma direção, a seguir na direção oposta e retorna à
direção original uma vez a cada segundo.
13. Comprimento de onda (λ) é a distância entre dois máximos
sucessivos
Amplitude é a altura da onda em relação a linha central. O
quadrado da amplitude fornece a intensidade da radiação.
Frequência da radiação (ν) é o número de ciclos por segundo
16. RELAÇÃO ENTRE COMPRIMENTO DE ONDA E FREQUÊNCIA
c = λν
Comprimento de onda vezes a frequência é igual a
velocidade da luz!
Determine o comprimento de onda da luz verde, de
frequência 5,75 x 1014 Hz.
c = 2,998 x 108 m s-1
18. Hipótese quântica de Planck
• 1900 - Propõe que um sistema possui quantidades discretas,
ou quanta, de energia – oscilação dos átomos quentes do
corpo negro
𝑬 = 𝒉𝝂
frequência do
oscilador
Constante de
Planck
h=6,626x10-34 J s
19. O efeito fotoelétrico
Albert Einstein
• Nenhum elétron era emitido a menos que a frequência da luz fosse
maior que um determinado valor crítico ν0.
• A energia cinética dos elétrons emitidos aumentava
concomitantemente com o aumento da frequência da onda
eletromagnética
• O aumento da intensidade da luz incidente não alterava a energia dos
elétrons ejetados, mas aumentava o número de elétrons emitidos por
unidade de tempo
20. O efeito fotoelétrico
Albert Einstein
• Conclusão de Einstein: a luz era constituída por partículas discretas, ou
fótons, de energia hν.
𝒉𝝂 = 𝑬 𝟎 +
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
𝒉𝝂 = 𝒉𝝂 𝟎 +
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
= 𝒉𝝂 − 𝒉𝝂 𝟎
A luz é onda ou partícula???
21. Quando a luz de comprimento de onda de 4500 Å
incide numa superfície limpa de sódio metálico, são
expelidos elétrons cuja energia máxima é 2,1 eV ou
3,36 x 10-12 erg. Qual será o comprimento de onda
máximo da luz que expele elétrons do sódio
metálico? Qual a energia de ligação de um elétron a
um cristal de sódio?
𝒉𝝂 = 𝑬 𝟎 +
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
22. Uma lâmpada produz 4,5 x 102 J de energia por meio
de uma luz cujo comprimento de onda é de 434 nm.
Quantos fótons são emitidos?
26. Átomo de Bohr
• No átomo, somente é permitido ao elétron estar em certos estados
estacionários, sendo que cada um deles possui uma energia fixa e
definida.
• Quando um átomo estiver em um destes estados, ele não pode emitir luz.
No entanto, quando o átomo passar de um estado de alta energia para um
estado de menor energia há emissão de um quantum de radiação, cuja
energia hν é igual à diferença de energia entre os dois estados.
• Se o átomo estiver em qualquer um dos estados estacionários, o elétron
se movimenta descrevendo uma órbita circular em volta do núcleo.
• Os estados eletrônicos permitidos são aqueles nos quais o momento
angular do elétron é quantizado em múltiplos de h/2π.
27. Átomo de Bohr
• No átomo, somente é permitido ao elétron estar em certos estados
estacionários, sendo que cada um deles possui uma energia fixa e
definida.
• Quando um átomo estiver em um destes estados, ele não pode emitir luz.
No entanto, quando o átomo passar de um estado de alta energia para um
estado de menor energia há emissão de um quantum de radiação, cuja
energia hν é igual à diferença de energia entre os dois estados.
• Se o átomo estiver em qualquer um dos estados estacionários, o elétron
se movimenta descrevendo uma órbita circular em volta do núcleo.
• Os estados eletrônicos permitidos são aqueles nos quais o momento
angular do elétron é quantizado em múltiplos de h/2π.
28. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Para que o elétron se mantenha estável em sua órbita
• Bohr postulou que o momento angular, mvr, é
Átomo de Bohr
𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑐𝑜𝑢𝑙ô𝑚𝑏𝑖𝑐𝑎 = 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟í𝑓𝑢𝑔𝑎
𝑍𝑒2
4𝜋𝜀0 𝑟2 =
𝑚𝑣2
𝑟
𝑍𝑒2
4𝜋𝜀0 𝑟
= 𝑚𝑣2
𝑚𝑣𝑟 = 𝑛
ℎ
2𝜋
𝑛 = 1, 2, 3, … .
29. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Combinando equações e rearranjando:
• Definindo o raio de Bohr:
Átomo de Bohr
𝑍𝑒2
4𝜋𝜀0 𝑟
= 𝑚𝑣2 𝑚𝑣𝑟 = 𝑛
ℎ
2𝜋
𝑛 = 1, 2, 3, … .
𝑟 =
𝑛2ℎ2ℇ0
𝜋𝑚𝑍𝑒2 𝑛 = 1, 2, 3, …
𝑎0 =
𝜀0ℎ2
𝜋𝑚𝑒2 𝑟 =
𝑛2
𝑍
𝑎0 𝑎0 = 0,52918 Å
31. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Transição com emissão
Átomo de Bohr 𝐸 𝑢. 𝑎. = −
𝑍2
2𝑛2 𝑛 = 1, 2, 3, …
𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 = Δ𝐸 = ℎ𝜈
𝑬𝒊 − 𝑬 𝒇 = 𝒉𝝂 =
𝒁 𝟐
𝟐
𝟏
𝒏 𝒇
𝟐 −
𝟏
𝒏𝒊
𝟐
𝒆 𝟐
𝟒𝝅𝜺 𝟎 𝒂 𝟎
2
2
2
1
111
nn
RH
32. Calcule o comprimento de onda da linha de emissão
para a transição de n=2 para n=1 do átomo de H.
𝑬𝒊 − 𝑬 𝒇 = 𝒉𝝂 =
𝒁 𝟐
𝟐
𝟏
𝒏 𝒇
𝟐 −
𝟏
𝒏𝒊
𝟐
𝒆 𝟐
𝟒𝝅𝜺 𝟎 𝒂 𝟎
𝑅 𝐻 =
𝑒2
2ℎ𝑐4𝜋𝜀0 𝑎0
𝑐 = 𝜆𝜈