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Química Geral
 Aplicada a
 Engenheira

1º. Sem./2011
 Engenharias
Nesta Aula Veremos ...



• Aula 3 – Estrutura dos Átomos e Moléculas
  • Estrutura Atômico
  • Tabela Periódica
  • Propriedades Periódicas
  • Introdução a Práticas em Laboratório
Estrutura Atômica

                           Nanotecnologia




Usando um microscópio de tunelamento, pesquisadores da IBM conseguiram
arranjar átomos de ferro (cones azuis) depositados sobre uma superfície de
cobre (em vermelho), formando uma espécie de curral atômico. (Imagem: IBM)
                                                                             3
Estrutura Atômica

                        Linha do Tempo




                           1897
               1808
                            J. J.                    1913
               John                     1911
                         Thomson                     Niels        1923
              Dalton                 Rutherford
625 a.C.                Introduziu                   Bohr        Modelo
            1º Modelo                 Modelo
Gregos                    Cargas                   Camadas      Quântico
             Atômico                  Atômico                    (atual)
                         Elétricas                Eletrônicas
           Experiment                 Nuclear
                        no Modelo                 Circulares
                al
                         Atômico




                                                                           4
Estrutura Atômica

             Partículas Sub-atômicas

 partícula       Carga elétrica   massa
  prótons             +1            1
  neutros              0            1
  elétrons             -1         1/1840

                                        próton




elétron                                 nêutron

                                                  5
Estrutura Atômica

                 No. Atômico e No. de Massa



                                               A=Z+N
                                                   Z = e-
                                               “átomo neutro”


A  NÚMERO DE MASSA: representa a massa aproximada de um átomo.
Z  NÚMERO ATÔMICO: é o número de prótons que um átomo possui.
N NÚMERO DE NÉUTRONS: é o número de néutrons que o átomo possui.
                                                                    6
Estrutura Atômica

Partículas Sub-atômicas




                          7
Estrutura Atômica

Decomposição da Luz




                      8
Estrutura Atômica

Espectro eletromagnético




                           9
Estrutura Atômica

             Natureza Ondulatória da Luz
Velocidade de
                     Freqüência
 propagação.
         Comprimento
            de onda.

      c=lxn




                                           10
Estrutura Atômica

Natureza Ondulatória da Luz
Estrutura Atômica

                            Modelo de Bohr
     Em 1913, o cientista dinamarquês Niels Bohr, aprimorou o
  modelo atômico de Rutherfford, utilizando a Teoria de Max Planck

No início do século XX...

... foi demonstrado que a energia
é “quantizada”, sendo enviada em
“pacotes” de ondas carregadas
pelos fótons.

A energia de um fóton é
calculada pela expressão:
                                     Max Planck       Albert Einstein

E=h.n
              Em que “h” é a constante de Planck = 6,63 x 10 -34 J x s.
              n = frequência da onda (1/ n = comprimento de onda = l)
                                                                          12
Estrutura Atômica

                     Modelo de Bohr

Haveria alguma relação entre a energia de um elétron e
 o comprimento de onda da luz emitida por um átomo?

Já sabemos que:      c=lxn          e:    E=hxn

                                           n=c/l
       Então:      Efóton = h x c
                              l

 “A energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu
      comprimento de onda (“c” e “h” são constantes).
                                                             13
Estrutura Atômica

   Modelo de Bohr
                   Elétron excitado

         • Recebendo energia (térmica,
           elétrica ou luminosa) do exterior,
           o e- salta de uma órbita mais
           interna p/ outra mais externa e a
           quantidade de energia recebida é
           bem definida  um “quantum”

                  Elétron retornando

          • Ao “voltar” de uma órbita mais
            externa p/ outra mais interna, o e-
            emite um “quantum” de energia, na
            forma de luz de cor bem definida ou
            outra radiação eletromagnética
            como: ultravioleta e Raio X
                                                  14
Estrutura Atômica

                        Teste de Chama
• O modelo de Bohr é fundamentado na teoria dos “QUANTA” de Max
Planck (Passagem de uma partícula de um nível energético para outro
através de um “PACOTE DE ENERGIA” ).
• Segundo a Teoria de Planck, a energia não é contínua.
A freqüência só depende do l . Portanto, se um átomo superaquecido
emite luzes de determinadas cores, isto significa que ele só emite
determinadas energias.




                                                                      15
Estrutura Atômica

                             Energia do Fóton
   • A energia do fóton (da emissão de radiação eletromagnética)
   poderá ser calculada considerando a seguinte expressão:




                       h (constante de Planck)  6,63x10 -34 J.s/fóton
                   c   c (velocidad e da luz)  3,00x10 8 m/s
E fóton  hν  h
                   λ
                       ν (freqüênci a do fóton) dado em s -1 (ou Hertz, Hz)
                       λ (comprimento de onda do fóton) dado em metros



                                                                              16
Estrutura Atômica

           Tecnologia Química


              Fontes de Luz
1 – lâmpadas incandescentes;
2 – lâmpadas fluorescentes;
3 – lâmpadas de halogênios;
4 – LEDs (diodos emissores de luz) e OLEDs
(diodos de emissão de luz orgânicos)


                                             17
18
19
Estrutura Atômica

                       Exercício
1. O laser em uma impressora a laser padrão emite luz
com comprimento de onda de 780,0 nm. Qual é a energia
de um fóton dessa luz ?
• Dicas: considerar o efeito onda-partícula E=h.c/ l
• h (constante de Plank) = 6,626x10-34 J.s/fóton
• c (velocidade da luz no vácuo) = 3,0x108 m/s
• Atenção com unidades conversão de nm para metros
• Resp.: 2,547x10-19 J
2. Um laser infravermelho para uso em uma rede de
comunicações de fibra ótica emite um comprimento de
onda de 1,2 µm. Qual é a energia de um fóton dessa
radiação?
                                                        20
Estrutura Atômica

                 Modelo Atual




De Broglie      Heisenberg   Schröndinger
  1924             1925          1926




                                            21
Estrutura Atômica

              Modelo Atômico Atual

Schrödinger propôs uma equação que contém os
termos onda e partícula.
• A resolução da equação leva às funções de onda.
• A função de onda fornece o contorno do orbital
   eletrônico.
• O quadrado da função de onda fornece a
   probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá
   a densidade eletrônica para o átomo.


                                                         22
Estrutura Atômica

            Modelo Atômico Atual

  A equação diferencial contém uma série de
 soluções que são chamadas de função de onda


ψ ψ ψ
2       2      2
                        4π 2       Movimento
      2  2                ψ     do elétron em
x 2
      y  z             λ 2       3 dimensões



                                                   23
Estrutura Atômica

Modelo Atômico Atual




                       24
Estrutura Atômica

                  Modelo Atômico Atual

            Orbitais e números quânticos

• Se resolvermos a equação de Schrödinger, teremos as funções de
onda e as energias para as funções de onda.
• Chamamos as funções de onda de orbitais.
• A equação de Schrödinger necessita de três números quânticos:
1. Número quântico principal, n. Este é o mesmo n de Bohr.
Tem valores n=1, 2, 3, 4, …
Representa fisicamente o nível (camada) principal em que o
elétron se encontra.


                                                                   25
Estrutura Atômica

                    Modelo Atômico Atual
              Orbitais e números quânticos

2. O número quântico azimutal, l.
Podem assumir os valores: l = 0, 1, 2, 3, (n-1)
Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d, f )
Representam fisicamente o sub-nível do elétron e sua forma
geométrica no espaço.
3. O número quântico magnético, m.
Tem os valores: m = -l , 0 , +l
Representa fisicamente a orientação espacial do orbital do elétron, a
quantidade de valores possíveis para l determina o número de orbitais
existentes em um sub-nível l.
                                                                        26
Estrutura Atômica

                        Números Quânticos

1 – Número            2- Número            3- Número              4- Número
 quântico              quântico             quântico               quântico
principal (n)       secundário (l):       terciário (ml)        quaternário (ms)


                       l = valores de 0     Valores: -l a +l.
 n = 1,2,3,4 ....           a té n-1.            Indica a
   Caracteriza           Caracteriza o      orientação no
  uma camada              formato da                                Valores +1/2
                                              espaço da                 -1/2.
 eletrônica, isto          região do           figura que
 é, um conjunto         espaço onde é        representa a           É chamado
    de elétrons         mais provável           região de           de spin, que
    num certo             encontrar o             maior               significa
   intervalo de              elétron         probabilidade            rotação.
 distância até o         associado a        de encontrar o
      núcleo.             ele.”nuvem              elétron
                          eletrônica”


                                                                                   27
Estrutura Atômica

                Números Quânticos

     2e-     8e- 18e-   32e-   32e- 18e- 2e-


                                                  Energia




      K(1)   L(2) M(3) N(4)    O(5) P(6)   Q(7)

Número quântico principal (n) = energia orbital
                                                        28
Estrutura Atômica

                     Números Quânticos

   Número quântico secundário (l) = forma orbital

(0) s       = 2 e-

(1) p                = 6 e-

(2) d                         = 10 e-

(3) f                               = 14 e-

                                                    29
Estrutura Atômica

              Números Quânticos




   1s     2s 2p              4s 4p 4d 4f


                  3s 3p 3d
K = 2e-




                                           30
Estrutura Atômica

Núm. quântico secundário

      Orbitais s
Estrutura Atômica

Núm. quântico secundário

      Orbitais p
Estrutura Atômica

Núm. quântico secundário
      Orbitais d
Estrutura Atômica

                Modelo Quântico Atual

Aos subníveis           Nome           Valor de   Capacidade
foram dados                              “l”       2 (2 l + 1)
nomes:                “s” (sharp)         0            2
                    “p” (principal)       1            6
                     “d” (diffuse)        2           10
                   “f” (fundamental)      3           14



                     Esses nomes são relativos aos orbitais
                              correspondentes


                                                                 34
Estrutura Atômica

                   Números Quânticos

Número quântico terciário (ml) = localiza o e- de
diferenciação no subnível (m)
              0
     (0) s                      ml = - l ... 0 ... +l
             -1 0 +1
     (1) p             = 6 e-
             -2 -1 0 +1 +2
     (2) d                       = 10 e-
             -3 -2 -1 0 +1 +2 +3
     (3) f                             = 14 e-
                                                        35
Estrutura Atômica

               Números Quânticos

Spin eletrônico e o princípio da exclusão de Pauli




   + 1/2                                 - 1/2




                                                 36
Estrutura Atômica

                        Modelo Quântico Atual
Cada elétron num átomo é “identificado” por um conjunto de nos. quânticos:

      Nome       Símbolo Característica   Informação        Valores
                         especificada      fornecida       possíveis
    Principal       n         Nível       Distância em   1, 2, 3, 4, 5, 6,
                                           relação ao          7, ...
                                             núcleo
   Secundário       l       Subnível       Forma do       0, 1, 2, 3, ...
    (azimutal)                              orbital           (n-1)
    Terciário      ml        Orbital      Orientação     - l, ..., 0, ..., +l
   (magnético)                            do orbital
   Quaternário     ms         Spin           Spin          + 1/2, - 1/2
     (Spin)

    “Não existem dois elétrons num átomo com o mesmo conjunto de
          números quânticos (Princípio da Exclusão de Pauli)”.
                                                                                37
Estrutura Atômica

                    Distribuição Eletrônica
  “Se adicionarmos 1 elétron a um átomo com número atômico Z,
teremos a configuração do elemento com número atômico (Z + 1).”

                        NÍVEIS     Subníveis


                          K:1       1s
                          L:2       2s   2p
                          M:3       3s   3p   3d
                          N:4       4s   4p   4d 4f
                          O:5       5s   5p   5d 5f
 Linus C. Pauling         P:6       6s   6p   6d
   (1901 – 1994)                    7s
                          Q:7
                                                                  38
Estrutura Atômica

               Distribuição Eletrônica

NÍVEIS   Subníveis
 K:1     1s2                  Ordem crescente de
 L:2     2s2   2p6                 Energia:
 M:3     3s2   3p6   3d10
 N:4     4s2   4p6   4d10 4f14
 O:5     5s2   5p6   5d10 5f14
 P:6     6s2   6p6   6d10
 Q:7     7s2                   Na: 1s2 2s2 2p6 3s1
                            11


               27 Ni: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7
                                                     39
Estrutura Atômica

                       Distribuição Eletrônica
    Temos, então, um “panorama” da eletrosfera de um átomo:
Existem os níveis...
K    1s                     ... que são     ... e esses
                          formados por    pelos orbitais...
                           subníveis...
L    2s       2p
                                          ...que comportam
                                          no máximo dois
M 3s         3p                 3d        elétrons cada um.


N    4s      4p                4d                 4f
                                                              40
Estrutura Atômica

                  Distribuição Eletrônica

      Configurações eletrônica condensadas
•   O neônio tem o subnível 2p completo (10Ne).
•   O sódio marca o início de um novo período (11Na).
•   Logo, escrevemos a configuração eletrônica condensada para o
    sódio como
                      • Na: 1s2 2s2 2p6 3s1
                            Na: [Ne] 3s1
•   [Ne] representa a configuração eletrônica do neônio.
•   Elétrons mais internos: os elétrons no [Gás Nobre].
•   Elétrons de valência: os elétrons fora do [Gás Nobre].
                                                                   41
Estrutura Atômica

                                       Exercício

Dado: Z= 39, responda as questões abaixo:
1) Qual o elemento químico ?
2) Faça a distribuição eletrônica em camadas.
3) Faça a distribuição em ordem energética.
4) Faça a configuração eletrônica condensada
5) Qual o subnível mais energético ?
6) Qual a camada de valência ?
7) Qual o número de elétrons por camada ?
8) Quantos elétrons existem no último nível energético?
9) Quais os números quânticos, para o elétron do subnível mais energético ?
                                                                              42
Tabela Periódica

                    Configuração Eletrônica

•   A tabela periódica pode ser utilizada como um guia para as
    configurações eletrônicas.
•   O número do periodo é o valor de n.
•   Os grupos 1A e 2A têm o orbital s preenchido.
•   Os grupos 3A -8A têm o orbital p preenchido.
•   Os grupos 3B -2B têm o orbital d preenchido.
•   Os lantanídeos e os actinídeos têm o orbital f preenchido.




                                                                 43
Tabela Periódica

                    Configuração Eletrônica

                     Metais de transição
•   Depois de Ar, os orbitais d começam a ser preenchidos.
•   Depois que os orbitais 3d estiverem preenchidos, os orbitais 4p
    começam a ser preenchidos.
•   Metais de transição: são os elementos nos quais os elétrons d são
    os elétrons de valência.




                                                                        44
Tabela Periódica

                    Configuração Eletrônica

                 Lantanídeos e actinídeos
•   Do Ce em diante, os orbitais 4f começam a ser preenchidos.
•   Observe: La: [Kr]6s25d14f1
•   Os elementos Ce -Lu têm os orbitais 4f preenchidos e são
    chamados lantanídeos ou elementos terras raras.
•   Os elementos Th -Lr têm os orbitais 5f preenchidos e são
    chamados actinídeos.
•   A maior parte dos actinídeos não é encontrada na natureza.




                                                                 45
Tabela Periódica

Configuração Eletrônica




                          46
Tabela Periódica

  Linha do Tempo




                   47
Tabela Periódica

 O Pai - Mendeleiev




                      48
Tabela Periódica

                           A Tabela Atual
                  Eu descobri que o
                número de prótons no
                    núcleo de um
                determinado átomo é
                  sempre o mesmo




Henry Moseley
                                            49
Tabela Periódica

  Tabela Periódica




                     50
Periodicidade Química

             Tabela Periódica


       Tabela Periódica - Revisão
vídeo 1 – Introdução;
vídeo 2 – Período;
vídeo 3 – Grupos ou Famílias;
Vídeo 4 – Classificação.



                                    51
52
53
54
55
Periodicidade Química

                Introdução

     O que é uma
     propriedade
      periódica ?



“As propriedades dos elementos químicos são funções
           periódicas do número atômico”.

De acordo com essa lei, os elementos químicos estão dispostos
  na tabela periódica em ordem crescente de número atômico,
 tabela essa organizada de modo a deixar clara a relação entre
as propriedades dos elementos e suas distribuições eletrônicas.




                                                                  56
Periodicidade Química

         Propriedades Periódicas


      Porque estudar este assunto ?

“A formação de muitas substâncias envolve
  a transferência de elétrons de um átomo
 para outro. As propriedades têm um papel
fundamental no modo como elas interagem
     na formação das ligações química”.


                                            57
Periodicidade Química

         Propriedades Periódicas


         Tendências Periódicas
1. Dentro do período (horizontal);
2. Dentro do grupo (vertical);




                                     58
Periodicidade Química

         Propriedades Periódicas


               Principais
1 – Tamanho do átomo (raio atômico);
2 – Energia de Ionização;
3 – Afinidade Eletrônica;




                                       59
Periodicidade Química

                       Raio Atômico


• O que é raio atômico ?
• É a distância do núcleo ao nível mais externo do átomo.
• Como podemos determinar ?
• Pode-se obter este valor através da medida da distância
internuclear de dois átomos iguais vizinhos e toma-se a
metade desta distância.
• Por que estudar primeiro o raio atômico ?
• Apatir do seu estudo é possível prever outras propriedades
dos átomos e das substâncias dos elementos.




                                                               60
Periodicidade Química

                       Raio Atômico

Considere uma molécula
diatômica simples.
• A distância entre os dois
núcleos é denominada distância
de ligação.
• Se os dois átomos que formam
a molécula são os mesmos,
metade da distância de ligação é
denominada raio covalente do
átomo.
                                      61
Periodicidade Química

                Carga Nuclear Efetiva

• A carga nuclear efetiva é a carga “sentida” por
um elétron em um átomo polieletrônico.
• A carga nuclear efetiva não é igual à carga no
núcleo devido ao efeito dos elétrons internos.
• Uma boa aproximação para o cálculo da Carga
Nuclear Efetiva pode ser: Z efe = Z – S, com S
sendo o número de elétrons internos, ou da
camada de blindagem.



                                                    62
Periodicidade Química

              Carga Nuclear Efetiva

Para o 11Na, temos que:   Para o 12Mg, temos que:
• Z efe = Z – S,          • Z efe = Z – S,
• Z efe = 11 – 10 = 1+    • Z efe = 12 – 10 = 2+




                                                63
Periodicidade Química

               Carga Nuclear Efetiva

Para o 13Al, temos que:   Para o 17Cl, temos que:
• Z efe = Z – S,          • Z efe = Z – S,
• Z efe = 13 – 10 = 3+    • Z efe = 17 – 10 = 7+




                                                    64
Ao longo do período n = 3 (M)


          1 pm = 10-9 m
                                     Raio Atômico
                                                    Periodicidade Química




65
Periodicidade Química

                          Raio Atômico

• O tamanho dos átomos é determinado principalmente pelos
seus elétrons de valência (ocupam os orbitais mais externos)



              Número
             camadas            Força de interação
            eletrônicas        entre o núcleo e os e-
                                      valência


                                        Carga
                                       nuclear
                                       efetiva

                                                               66
67
Periodicidade Química

                             Raio Atômico
                                                     n = 6 (P)
                                         n = 5 (O)
                             n = 4 (N)
                     n = 3 (M)

               n = 2 (L)
raio atômico




                                 número atômico                  68
Periodicidade Química

                        Raio Atômico
1 pm = 10-10 cm




                                          69
Periodicidade Química

  Raio Atômico x Iônico




                          70
Periodicidade Química

                             Raio Atômico x Iônico
1 (A) = 10-10 m = 100 pm




                                                     71
Periodicidade Química

                      Energia de Ionização


• A primeira energia de ionização, I1, é a quantidade de energia
  necessária para remover um elétron de um átomo gasoso:
                       Na(g)  Na+(g) + e-.
• A segunda energia de ionização, I2, é a energia necessária para
  remover um elétron de um íon gasoso:
                      Na+(g)  Na2+(g) + e-.
• Quanto maior a energia de ionização, maior é a dificuldade para se
  remover o elétron.
Periodicidade Química

                Energia de Ionização

• O que é Energia de Ionização ?
• É a facilidade de um átomo em perder elétrons.
• Como podemos medir ?
• Por meio de um experimento semelhante ao do “efeito
fotoelétrico”.

    Na(g) → Na+(g) + e-        1ª. energia de ionização




                                                          73
Periodicidade Química

   Energia de Ionização

   Na+(g) → Na+2(g) + e-

2ª. energia de ionização (2ª E.I.)




                                     74
Periodicidade Química

                Energia de Ionização


“Energia necessária para retirar um elétron de um átomo
     neutro e isolado no estado gasoso - (kJ/mol)”.

   Na(g) → Na+(g) + e-            1ª. energia de ionização
   Na+ (g) → Na+2(g) + e-         2ª. energia de ionização

   Na+2 (g) → Na+3(g) + e-        3ª. energia de ionização


            1ª. Ei < 2ª.Ei < 3ª. Ei

                                                             75
Periodicidade Química

   Energia de Ionização




                          76
Periodicidade Química

   Energia de Ionização




                          77
Periodicidade Química

      Energia de Ionização




                     Menor
Maior raio
                   energia de
 atômico
                   ionização




                                78
Periodicidade Química

                   Afinidade Eletrônica
• A afinidade eletrônica é o oposto da energia de ionização.
• A afinidade eletrônica é a alteração de energia quando um
  átomo gasoso ganha um elétron para formar um íon
  gasoso:
               Cl(g) + e-  Cl-(g) + Energia
• A afinidade eletrônica pode ser tanto exotérmica
  (liberação energia) quanto endotérmica (absorção
  energia):
               Ar(g) + e- + Energia  Ar-(g)
               Ar(g) + e-  Ar-(g) - Energia
                                                               79
Periodicidade Química

               Afinidade Eletrônica
              ... ou Eletroafinidade

É a energia liberada (kJ/mol) por um átomo neutro,
 gasoso, em seu estado fundamental ao receber um
           elétron, formando um ânion.

         Na (g) + e- → Na -(g) + 53 kJ/mol

         Cl (g) + e- → Cl -(g) + 349 kJ/mol


                                                     80
Periodicidade Química

   Afinidade Eletrônica




                          81
Periodicidade Química

      Afinidade Eletrônica




                  Menor energia
Maior raio              de
 atômico          eletroafinidade




                                    82
Metais

                    Estrutura Cristalina
• Há 4 estruturas cristlinas diferentes encontradas nos
  retículos cristalinos (arranlos tridimensionais para os
  átomos) dos metais:
• CS – Cúbico Simples
• CCC – Cúbico de Corpo Centrado
• CFC – Cúbido de Face Centrada
• HC – Hexagonal Compacto



                                                            83
Metais

Estrutura Cristalina


                       CFC –
CS –
                       Cúbico
Cúbico
                       Face
Simples
                       Centrada


CCC –                  HC –
Cúbico                 Hexagonal
Corpo                  Compacto
Centrado


                                   84
Metais

     Grau de Empacotamento




CS – 52%                CFC – 74%




CCC – 68%                HC – 74%
                                    85
Metais

     Grau de Empacotamento

                       CFC – 74%
                       aproveitamento
CCC – 68%
aproveitamento

                       HC – 74%
                       aproveitamento



                                        86
Fator de empacotamento atômico (FEA):

Soma dos volumes das esferas de todos átomos no interior de uma
célula dividido pelo volume total da célula.

FEA = Vol. dos átomos na célula : Vol. Total da célula

FEA = 0,52 para CS
FEA =
FEA =
FEA =


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BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª.
Edição) – Pearson – Cap. 06 – Estrutura Eletrônica dos
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  • 3. Estrutura Atômica Nanotecnologia Usando um microscópio de tunelamento, pesquisadores da IBM conseguiram arranjar átomos de ferro (cones azuis) depositados sobre uma superfície de cobre (em vermelho), formando uma espécie de curral atômico. (Imagem: IBM) 3
  • 4. Estrutura Atômica Linha do Tempo 1897 1808 J. J. 1913 John 1911 Thomson Niels 1923 Dalton Rutherford 625 a.C. Introduziu Bohr Modelo 1º Modelo Modelo Gregos Cargas Camadas Quântico Atômico Atômico (atual) Elétricas Eletrônicas Experiment Nuclear no Modelo Circulares al Atômico 4
  • 5. Estrutura Atômica Partículas Sub-atômicas partícula Carga elétrica massa prótons +1 1 neutros 0 1 elétrons -1 1/1840 próton elétron nêutron 5
  • 6. Estrutura Atômica No. Atômico e No. de Massa A=Z+N Z = e- “átomo neutro” A  NÚMERO DE MASSA: representa a massa aproximada de um átomo. Z  NÚMERO ATÔMICO: é o número de prótons que um átomo possui. N NÚMERO DE NÉUTRONS: é o número de néutrons que o átomo possui. 6
  • 10. Estrutura Atômica Natureza Ondulatória da Luz Velocidade de Freqüência propagação. Comprimento de onda. c=lxn 10
  • 12. Estrutura Atômica Modelo de Bohr Em 1913, o cientista dinamarquês Niels Bohr, aprimorou o modelo atômico de Rutherfford, utilizando a Teoria de Max Planck No início do século XX... ... foi demonstrado que a energia é “quantizada”, sendo enviada em “pacotes” de ondas carregadas pelos fótons. A energia de um fóton é calculada pela expressão: Max Planck Albert Einstein E=h.n Em que “h” é a constante de Planck = 6,63 x 10 -34 J x s. n = frequência da onda (1/ n = comprimento de onda = l) 12
  • 13. Estrutura Atômica Modelo de Bohr Haveria alguma relação entre a energia de um elétron e o comprimento de onda da luz emitida por um átomo? Já sabemos que: c=lxn e: E=hxn n=c/l Então: Efóton = h x c l “A energia de um fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda (“c” e “h” são constantes). 13
  • 14. Estrutura Atômica Modelo de Bohr Elétron excitado • Recebendo energia (térmica, elétrica ou luminosa) do exterior, o e- salta de uma órbita mais interna p/ outra mais externa e a quantidade de energia recebida é bem definida  um “quantum” Elétron retornando • Ao “voltar” de uma órbita mais externa p/ outra mais interna, o e- emite um “quantum” de energia, na forma de luz de cor bem definida ou outra radiação eletromagnética como: ultravioleta e Raio X 14
  • 15. Estrutura Atômica Teste de Chama • O modelo de Bohr é fundamentado na teoria dos “QUANTA” de Max Planck (Passagem de uma partícula de um nível energético para outro através de um “PACOTE DE ENERGIA” ). • Segundo a Teoria de Planck, a energia não é contínua. A freqüência só depende do l . Portanto, se um átomo superaquecido emite luzes de determinadas cores, isto significa que ele só emite determinadas energias. 15
  • 16. Estrutura Atômica Energia do Fóton • A energia do fóton (da emissão de radiação eletromagnética) poderá ser calculada considerando a seguinte expressão: h (constante de Planck)  6,63x10 -34 J.s/fóton c c (velocidad e da luz)  3,00x10 8 m/s E fóton  hν  h λ ν (freqüênci a do fóton) dado em s -1 (ou Hertz, Hz) λ (comprimento de onda do fóton) dado em metros 16
  • 17. Estrutura Atômica Tecnologia Química Fontes de Luz 1 – lâmpadas incandescentes; 2 – lâmpadas fluorescentes; 3 – lâmpadas de halogênios; 4 – LEDs (diodos emissores de luz) e OLEDs (diodos de emissão de luz orgânicos) 17
  • 18. 18
  • 19. 19
  • 20. Estrutura Atômica Exercício 1. O laser em uma impressora a laser padrão emite luz com comprimento de onda de 780,0 nm. Qual é a energia de um fóton dessa luz ? • Dicas: considerar o efeito onda-partícula E=h.c/ l • h (constante de Plank) = 6,626x10-34 J.s/fóton • c (velocidade da luz no vácuo) = 3,0x108 m/s • Atenção com unidades conversão de nm para metros • Resp.: 2,547x10-19 J 2. Um laser infravermelho para uso em uma rede de comunicações de fibra ótica emite um comprimento de onda de 1,2 µm. Qual é a energia de um fóton dessa radiação? 20
  • 21. Estrutura Atômica Modelo Atual De Broglie Heisenberg Schröndinger 1924 1925 1926 21
  • 22. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula. • A resolução da equação leva às funções de onda. • A função de onda fornece o contorno do orbital eletrônico. • O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo. 22
  • 23. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual A equação diferencial contém uma série de soluções que são chamadas de função de onda ψ ψ ψ 2 2 2 4π 2 Movimento  2  2  ψ do elétron em x 2 y z λ 2 3 dimensões 23
  • 25. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual Orbitais e números quânticos • Se resolvermos a equação de Schrödinger, teremos as funções de onda e as energias para as funções de onda. • Chamamos as funções de onda de orbitais. • A equação de Schrödinger necessita de três números quânticos: 1. Número quântico principal, n. Este é o mesmo n de Bohr. Tem valores n=1, 2, 3, 4, … Representa fisicamente o nível (camada) principal em que o elétron se encontra. 25
  • 26. Estrutura Atômica Modelo Atômico Atual Orbitais e números quânticos 2. O número quântico azimutal, l. Podem assumir os valores: l = 0, 1, 2, 3, (n-1) Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d, f ) Representam fisicamente o sub-nível do elétron e sua forma geométrica no espaço. 3. O número quântico magnético, m. Tem os valores: m = -l , 0 , +l Representa fisicamente a orientação espacial do orbital do elétron, a quantidade de valores possíveis para l determina o número de orbitais existentes em um sub-nível l. 26
  • 27. Estrutura Atômica Números Quânticos 1 – Número 2- Número 3- Número 4- Número quântico quântico quântico quântico principal (n) secundário (l): terciário (ml) quaternário (ms) l = valores de 0 Valores: -l a +l. n = 1,2,3,4 .... a té n-1. Indica a Caracteriza Caracteriza o orientação no uma camada formato da Valores +1/2 espaço da -1/2. eletrônica, isto região do figura que é, um conjunto espaço onde é representa a É chamado de elétrons mais provável região de de spin, que num certo encontrar o maior significa intervalo de elétron probabilidade rotação. distância até o associado a de encontrar o núcleo. ele.”nuvem elétron eletrônica” 27
  • 28. Estrutura Atômica Números Quânticos 2e- 8e- 18e- 32e- 32e- 18e- 2e- Energia K(1) L(2) M(3) N(4) O(5) P(6) Q(7) Número quântico principal (n) = energia orbital 28
  • 29. Estrutura Atômica Números Quânticos Número quântico secundário (l) = forma orbital (0) s = 2 e- (1) p = 6 e- (2) d = 10 e- (3) f = 14 e- 29
  • 30. Estrutura Atômica Números Quânticos 1s 2s 2p 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d K = 2e- 30
  • 31. Estrutura Atômica Núm. quântico secundário Orbitais s
  • 32. Estrutura Atômica Núm. quântico secundário Orbitais p
  • 33. Estrutura Atômica Núm. quântico secundário Orbitais d
  • 34. Estrutura Atômica Modelo Quântico Atual Aos subníveis Nome Valor de Capacidade foram dados “l” 2 (2 l + 1) nomes: “s” (sharp) 0 2 “p” (principal) 1 6 “d” (diffuse) 2 10 “f” (fundamental) 3 14 Esses nomes são relativos aos orbitais correspondentes 34
  • 35. Estrutura Atômica Números Quânticos Número quântico terciário (ml) = localiza o e- de diferenciação no subnível (m) 0 (0) s ml = - l ... 0 ... +l -1 0 +1 (1) p = 6 e- -2 -1 0 +1 +2 (2) d = 10 e- -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 (3) f = 14 e- 35
  • 36. Estrutura Atômica Números Quânticos Spin eletrônico e o princípio da exclusão de Pauli + 1/2 - 1/2 36
  • 37. Estrutura Atômica Modelo Quântico Atual Cada elétron num átomo é “identificado” por um conjunto de nos. quânticos: Nome Símbolo Característica Informação Valores especificada fornecida possíveis Principal n Nível Distância em 1, 2, 3, 4, 5, 6, relação ao 7, ... núcleo Secundário l Subnível Forma do 0, 1, 2, 3, ... (azimutal) orbital (n-1) Terciário ml Orbital Orientação - l, ..., 0, ..., +l (magnético) do orbital Quaternário ms Spin Spin + 1/2, - 1/2 (Spin) “Não existem dois elétrons num átomo com o mesmo conjunto de números quânticos (Princípio da Exclusão de Pauli)”. 37
  • 38. Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica “Se adicionarmos 1 elétron a um átomo com número atômico Z, teremos a configuração do elemento com número atômico (Z + 1).” NÍVEIS Subníveis K:1 1s L:2 2s 2p M:3 3s 3p 3d N:4 4s 4p 4d 4f O:5 5s 5p 5d 5f Linus C. Pauling P:6 6s 6p 6d (1901 – 1994) 7s Q:7 38
  • 39. Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica NÍVEIS Subníveis K:1 1s2 Ordem crescente de L:2 2s2 2p6 Energia: M:3 3s2 3p6 3d10 N:4 4s2 4p6 4d10 4f14 O:5 5s2 5p6 5d10 5f14 P:6 6s2 6p6 6d10 Q:7 7s2 Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 11 27 Ni: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 39
  • 40. Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica Temos, então, um “panorama” da eletrosfera de um átomo: Existem os níveis... K 1s ... que são ... e esses formados por pelos orbitais... subníveis... L 2s 2p ...que comportam no máximo dois M 3s 3p 3d elétrons cada um. N 4s 4p 4d 4f 40
  • 41. Estrutura Atômica Distribuição Eletrônica Configurações eletrônica condensadas • O neônio tem o subnível 2p completo (10Ne). • O sódio marca o início de um novo período (11Na). • Logo, escrevemos a configuração eletrônica condensada para o sódio como • Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 Na: [Ne] 3s1 • [Ne] representa a configuração eletrônica do neônio. • Elétrons mais internos: os elétrons no [Gás Nobre]. • Elétrons de valência: os elétrons fora do [Gás Nobre]. 41
  • 42. Estrutura Atômica Exercício Dado: Z= 39, responda as questões abaixo: 1) Qual o elemento químico ? 2) Faça a distribuição eletrônica em camadas. 3) Faça a distribuição em ordem energética. 4) Faça a configuração eletrônica condensada 5) Qual o subnível mais energético ? 6) Qual a camada de valência ? 7) Qual o número de elétrons por camada ? 8) Quantos elétrons existem no último nível energético? 9) Quais os números quânticos, para o elétron do subnível mais energético ? 42
  • 43. Tabela Periódica Configuração Eletrônica • A tabela periódica pode ser utilizada como um guia para as configurações eletrônicas. • O número do periodo é o valor de n. • Os grupos 1A e 2A têm o orbital s preenchido. • Os grupos 3A -8A têm o orbital p preenchido. • Os grupos 3B -2B têm o orbital d preenchido. • Os lantanídeos e os actinídeos têm o orbital f preenchido. 43
  • 44. Tabela Periódica Configuração Eletrônica Metais de transição • Depois de Ar, os orbitais d começam a ser preenchidos. • Depois que os orbitais 3d estiverem preenchidos, os orbitais 4p começam a ser preenchidos. • Metais de transição: são os elementos nos quais os elétrons d são os elétrons de valência. 44
  • 45. Tabela Periódica Configuração Eletrônica Lantanídeos e actinídeos • Do Ce em diante, os orbitais 4f começam a ser preenchidos. • Observe: La: [Kr]6s25d14f1 • Os elementos Ce -Lu têm os orbitais 4f preenchidos e são chamados lantanídeos ou elementos terras raras. • Os elementos Th -Lr têm os orbitais 5f preenchidos e são chamados actinídeos. • A maior parte dos actinídeos não é encontrada na natureza. 45
  • 47. Tabela Periódica Linha do Tempo 47
  • 48. Tabela Periódica O Pai - Mendeleiev 48
  • 49. Tabela Periódica A Tabela Atual Eu descobri que o número de prótons no núcleo de um determinado átomo é sempre o mesmo Henry Moseley 49
  • 50. Tabela Periódica Tabela Periódica 50
  • 51. Periodicidade Química Tabela Periódica Tabela Periódica - Revisão vídeo 1 – Introdução; vídeo 2 – Período; vídeo 3 – Grupos ou Famílias; Vídeo 4 – Classificação. 51
  • 52. 52
  • 53. 53
  • 54. 54
  • 55. 55
  • 56. Periodicidade Química Introdução O que é uma propriedade periódica ? “As propriedades dos elementos químicos são funções periódicas do número atômico”. De acordo com essa lei, os elementos químicos estão dispostos na tabela periódica em ordem crescente de número atômico, tabela essa organizada de modo a deixar clara a relação entre as propriedades dos elementos e suas distribuições eletrônicas. 56
  • 57. Periodicidade Química Propriedades Periódicas Porque estudar este assunto ? “A formação de muitas substâncias envolve a transferência de elétrons de um átomo para outro. As propriedades têm um papel fundamental no modo como elas interagem na formação das ligações química”. 57
  • 58. Periodicidade Química Propriedades Periódicas Tendências Periódicas 1. Dentro do período (horizontal); 2. Dentro do grupo (vertical); 58
  • 59. Periodicidade Química Propriedades Periódicas Principais 1 – Tamanho do átomo (raio atômico); 2 – Energia de Ionização; 3 – Afinidade Eletrônica; 59
  • 60. Periodicidade Química Raio Atômico • O que é raio atômico ? • É a distância do núcleo ao nível mais externo do átomo. • Como podemos determinar ? • Pode-se obter este valor através da medida da distância internuclear de dois átomos iguais vizinhos e toma-se a metade desta distância. • Por que estudar primeiro o raio atômico ? • Apatir do seu estudo é possível prever outras propriedades dos átomos e das substâncias dos elementos. 60
  • 61. Periodicidade Química Raio Atômico Considere uma molécula diatômica simples. • A distância entre os dois núcleos é denominada distância de ligação. • Se os dois átomos que formam a molécula são os mesmos, metade da distância de ligação é denominada raio covalente do átomo. 61
  • 62. Periodicidade Química Carga Nuclear Efetiva • A carga nuclear efetiva é a carga “sentida” por um elétron em um átomo polieletrônico. • A carga nuclear efetiva não é igual à carga no núcleo devido ao efeito dos elétrons internos. • Uma boa aproximação para o cálculo da Carga Nuclear Efetiva pode ser: Z efe = Z – S, com S sendo o número de elétrons internos, ou da camada de blindagem. 62
  • 63. Periodicidade Química Carga Nuclear Efetiva Para o 11Na, temos que: Para o 12Mg, temos que: • Z efe = Z – S, • Z efe = Z – S, • Z efe = 11 – 10 = 1+ • Z efe = 12 – 10 = 2+ 63
  • 64. Periodicidade Química Carga Nuclear Efetiva Para o 13Al, temos que: Para o 17Cl, temos que: • Z efe = Z – S, • Z efe = Z – S, • Z efe = 13 – 10 = 3+ • Z efe = 17 – 10 = 7+ 64
  • 65. Ao longo do período n = 3 (M) 1 pm = 10-9 m Raio Atômico Periodicidade Química 65
  • 66. Periodicidade Química Raio Atômico • O tamanho dos átomos é determinado principalmente pelos seus elétrons de valência (ocupam os orbitais mais externos) Número camadas Força de interação eletrônicas entre o núcleo e os e- valência Carga nuclear efetiva 66
  • 67. 67
  • 68. Periodicidade Química Raio Atômico n = 6 (P) n = 5 (O) n = 4 (N) n = 3 (M) n = 2 (L) raio atômico número atômico 68
  • 69. Periodicidade Química Raio Atômico 1 pm = 10-10 cm 69
  • 70. Periodicidade Química Raio Atômico x Iônico 70
  • 71. Periodicidade Química Raio Atômico x Iônico 1 (A) = 10-10 m = 100 pm 71
  • 72. Periodicidade Química Energia de Ionização • A primeira energia de ionização, I1, é a quantidade de energia necessária para remover um elétron de um átomo gasoso: Na(g)  Na+(g) + e-. • A segunda energia de ionização, I2, é a energia necessária para remover um elétron de um íon gasoso: Na+(g)  Na2+(g) + e-. • Quanto maior a energia de ionização, maior é a dificuldade para se remover o elétron.
  • 73. Periodicidade Química Energia de Ionização • O que é Energia de Ionização ? • É a facilidade de um átomo em perder elétrons. • Como podemos medir ? • Por meio de um experimento semelhante ao do “efeito fotoelétrico”. Na(g) → Na+(g) + e- 1ª. energia de ionização 73
  • 74. Periodicidade Química Energia de Ionização Na+(g) → Na+2(g) + e- 2ª. energia de ionização (2ª E.I.) 74
  • 75. Periodicidade Química Energia de Ionização “Energia necessária para retirar um elétron de um átomo neutro e isolado no estado gasoso - (kJ/mol)”. Na(g) → Na+(g) + e- 1ª. energia de ionização Na+ (g) → Na+2(g) + e- 2ª. energia de ionização Na+2 (g) → Na+3(g) + e- 3ª. energia de ionização 1ª. Ei < 2ª.Ei < 3ª. Ei 75
  • 76. Periodicidade Química Energia de Ionização 76
  • 77. Periodicidade Química Energia de Ionização 77
  • 78. Periodicidade Química Energia de Ionização Menor Maior raio energia de atômico ionização 78
  • 79. Periodicidade Química Afinidade Eletrônica • A afinidade eletrônica é o oposto da energia de ionização. • A afinidade eletrônica é a alteração de energia quando um átomo gasoso ganha um elétron para formar um íon gasoso: Cl(g) + e-  Cl-(g) + Energia • A afinidade eletrônica pode ser tanto exotérmica (liberação energia) quanto endotérmica (absorção energia): Ar(g) + e- + Energia  Ar-(g) Ar(g) + e-  Ar-(g) - Energia 79
  • 80. Periodicidade Química Afinidade Eletrônica ... ou Eletroafinidade É a energia liberada (kJ/mol) por um átomo neutro, gasoso, em seu estado fundamental ao receber um elétron, formando um ânion. Na (g) + e- → Na -(g) + 53 kJ/mol Cl (g) + e- → Cl -(g) + 349 kJ/mol 80
  • 81. Periodicidade Química Afinidade Eletrônica 81
  • 82. Periodicidade Química Afinidade Eletrônica Menor energia Maior raio de atômico eletroafinidade 82
  • 83. Metais Estrutura Cristalina • Há 4 estruturas cristlinas diferentes encontradas nos retículos cristalinos (arranlos tridimensionais para os átomos) dos metais: • CS – Cúbico Simples • CCC – Cúbico de Corpo Centrado • CFC – Cúbido de Face Centrada • HC – Hexagonal Compacto 83
  • 84. Metais Estrutura Cristalina CFC – CS – Cúbico Cúbico Face Simples Centrada CCC – HC – Cúbico Hexagonal Corpo Compacto Centrado 84
  • 85. Metais Grau de Empacotamento CS – 52% CFC – 74% CCC – 68% HC – 74% 85
  • 86. Metais Grau de Empacotamento CFC – 74% aproveitamento CCC – 68% aproveitamento HC – 74% aproveitamento 86
  • 87. Fator de empacotamento atômico (FEA): Soma dos volumes das esferas de todos átomos no interior de uma célula dividido pelo volume total da célula. FEA = Vol. dos átomos na célula : Vol. Total da célula FEA = 0,52 para CS FEA = FEA = FEA = 87
  • 88. Na Próxima Aula Veremos ... Química Geral e Exp Aula 4 – Experimento Laboratório (Teste de Chama) – 23/02 88
  • 89. Onde Estudar a Aula de Hoje Nos Livros • BRADY, James E. HUMISTON, Gerard E. Química Geral - Vol.1. LTC, 2006. – Cap. 3 – Estrutura Atômica e a Tabela Periódica • RUSSELL, John B., Química Geral – Vol.1. MAKRON Books, 2ª. Edição – Cap. 7 – Periodicidade Química • Q.Geral Ap. a Eng. – Cap.6 – A Tab. Periódica e a Estrutura Atômica Na Internet • O melhor Portal sobre Elementos Químicos da Web http://www.webelements.com • Tecnologia Química – A Química das Lâmpadas http://casa.hsw.uol.com.br/lampadas.htm http://ciencia.hsw.uol.com.br/lampadas-fluorescentes.htm http://casa.hsw.uol.com.br/questao151.htm 89
  • 90. Conteúdo da Apresentação Conteúdo baseado no Livro Texto Click na imagem para visitar o site do livro BROWN, Theodore L - Química A Ciência Central (9ª. Edição) – Pearson – Cap. 06 – Estrutura Eletrônica dos Atomos e Cap. 07 – Propriedade Periódica dos Elementos
  • 91. Obrigado 91