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SQM-405:
    Química Geral e Tecnológica
      Estrutura Atômica

                   Ednilsom Orestes




1
Objetivos e Programa

     Fornecer fundamentos básicos científicos e
     tecnológicos de Química Geral e Experimental,
     visando aplicações na Engenharia.

     Estrutura atômica e propriedade dos
     elementos.



2
Estrutura atômica no contexto
     da Química.

    ⇨ Estrutura atômica
    ⇨ Configuração eletrônica
    ⇨ Propriedades elementos
    ⇨ Ligações químicas
    ⇨ Propriedades materiais; composição molecular

        submicroscópico ............ macroscópico.
                10-10.................................1020
3             próton...........................universo
FORMULÁRIO


Massa do elétron: me = 9,1091 x 10-28 g; Massa do próton: mp = 1,6725 x 10-24 g;
Massa do neutron: mn = 1,6748 x 10-24 g; Carga do elétron: qe = -4,8030 x 10-10 u.e.s.
Velocidade da luz: c = 3,0 x 1010 cm/s;
Unidades atômicas:
            qe = -1; me =1; a0 = unidade atômica de distância = 1;
            a0 = 0,5292 Å; 1 Å = 10-8 cm;
            1 unidade atômica de energia = 1 Hartree = 2 Rydberg = 27,205 eV = 623 kcal/mol;
            1 eV = 1,602 x 10-12 erg
            1 J = 1 kg.m2.s-1


En= -½ n2 (Hartree); n=1,2,…        ∆E = Em – En = ½ (1/n2 – 1/m2)
∆E = hν; Ν frequência (s-1) (ν=c/λ);
h = 6,6256 x 10-27 erg.seg = 6,62608 x 10-34 J.s
∆E = hc/λ                   hν = ½ mv2 + hν0
Número de Avogadro: 6,02 x 1023.
Bibliografia

     MAHAN, B., “Química: um curso universitário”.
     BRECK, W. G.; BROWN, R. J. & COWAN, J. D.,
     “Chemistry for Science and Engineering”.
     VAN VLACK, L. H., “Princípios de Ciências dos
     Materiais”.


7
Bibliografia Extra

     ATKINS, P.; JONES, L., “Princípios de Química:
     Questionando a Vida Moderna e o Meio
     Ambiente”.
     KOTZ, J. C.; PURCELL, K. F., “Chemistry and
     Chemical Reactivity”.


8
http://www.powersof10.com/film




9
Ondas

                                f = freqüência
                                λ = comprimento
                                T = período
                                c = velocidade

                  1    1    f
     c = λf   f =        = =ν      Número de onda
                  T    λ c
          c        λ
     λ=       c=       f = cν
          f        T
10
Demócrito

                 Filosofia Indiana (2000 a.c.):
                 matéria=agregado pequenas
                 partículas.
                 Atomistas (400 a.c.):
                  –   Demócrito (Átomo, do grego: a = não,
                      thomo = divisão.
                  –   Aristóteles (divisão ad infinitum).

                 Supõe combinações.
                 Hipótese especulativa.
12               Aristóteles prevalece até XVII.
Séculos XVII e XVIII

      R. Boyle: Oposição a Aristóteles - corpos primitivos
      (elementares) puros constituem corpos mistos; Lei dos
      Gases (Mariotte).
                            p1V1 = p2V2
      A. Lavoisier: Lei Conservação. Reação química como
      equação algébrica. Decaptado – desvio impostos.
                           A+B→C+D
      J. Proust: Lei das Proporções definidas (bases do
      atomismo). Independe do método utilizado.

13                       2H + 1O → 1H2O
John Dalton

     1808: Postula sua   Matéria é formada de átomos: maciço,
      Teoria Atômica     indivisível e indestrutível.

                         Átomos iguais, propriedades iguais,
                         diferentes, propriedades diferentes.

                         Combinados, formam substâncias.

                         Não são criados nem destruídos.

                         Falhas: eletricidade e radioatividade
                         (Por quê?).
14
15
Século XIX

     1811: Gay-Lussac e Avogadro: Lei Volumétrica dos Gases e Química.
     1833: Faraday – Leis da eletrólise: Relação carga/estrutura atômica ?.
     1864: Maxwell: O “Newton” das ondas.
     1869: Mendelev: Organização da Tabela Periódica – As propriedades são
     periodicas com a massa atômica.
     1877: Boltzman: Teoria Cinética Gases.
     1885: J. Balmer: Espectro Hidrogênio ?.
     1887: H. Hertz: Efeito Fotoelétrico (Não totalmente explicado) ?.
     Maioria dos cientistas considerava o átomo a forma fundamental da matéria.
            Mecânica Clássica / Termodinâmica / Mecânica Estatística
         “Só resta trabalhar no aumento da precisão. Michelson, 1889 ”

16
Michel Faraday

     Eletricidade das substâncias em
     solução - Eletroquímica.
     Material depositado é
     proporcional a duração e
     intensidade da corretne elétrica.
     Íons estão carregados e carga é
     múltiplo da carga do elétron.
     1F = carga elétrica carregada por
     1 mol de elétrons.


17
Johann Jakob Balmer
         Espectro do Hidrogênio




     1      ⎛ 1 1 ⎞
       = RH ⎜ 2 − 2 ⎟
            ⎜n n ⎟        n1 > n2
     λ      ⎝ 2   1 ⎠




18
Joseph John Thomson

                     Millikan: Gota de Óleo determina
                     a carga do elétron.




23
Max Planck

     Catástrofe do Ultravioleta.




24
PAUSA




     Max Planck

     Wien: Correto em altas
     frequências.
     Rayleigh: Correto em baixas
                                           1900: Emissão/absorção de
     frequências.
                                           energia dá-se em quanta.

                                           Contraria Mec. Clássica.

                                           E=nhf com n = 1,2,3,...

                                           h = 6,626x10-34 J.s

                                           f = freqüência.


26
Albert Einstein




27
Albert Einstein


     Esperado
         Intensidade da radiação é proporcional com máxima Ke.
         Efeito fotoelétrico ocorre para qualquer freq e compr. onda.
         Deveria haver um delay entre radiação e emissão dos elétrons.

     Observado
         Intensidade luz não altera a Ke máxima dos elétrons.
         Frequência de “corte” para fotoemissão.
         Não há delay significativo entre radiação e emissão.



28
Ernest Rutherford

                     1911: Propõe existência do núcleo.

                     Modelo atômico nuclear.




                   Porque o elétron não cai no núcleo?
30
6o.    Rutherford
           1o.     Dalton:
                  maciço e
                 indivisível



     2o.    Thomson:             Newton     5o.         Balmer
              e/m
             Millikan:
                                   &                1      ⎛ 1 1 ⎞
                                                      = RH ⎜ 2 − 2 ⎟
                                                    λ      ⎜n n ⎟
                 e-              Maxwell                   ⎝ 2   1 ⎠




                                    4o.      Einstein:
                 3o.   Planck              mv 2
                                                = hf 0 − hf
                       E = nhf              2
                                          onda/partícula
31
12
“Esse joven dinamarquês é
                      o rapaz mais inteligente
                      que conheci.”
                                    E. Rutherford
     Niels Bohr

                       • Modelo Rutherford: estéticamente elegante
                 on    porém instável.
               wt
            Ne


                       • Explicava propriedades física e químicas.
                       • Órbitas explicavam classes de elementos,
                       repetição das propriedades na TP. Explicava tudo!

                                                                  Série do
                                                            -     Hidrgênio
                                                        -       H, He+, Li2+, ...
      Rutherford                                    -
           +                                   +
        Planck
           +
       Balmer
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“Esse joven dinamarquês é
                                         o rapaz mais inteligente
                                         que conheci.”
                                                       E. Rutherford
          Niels Bohr

                                      mv 2              Postulados do Modelo de Bohr
                                 Fc =
                                       r
                                r                       1. Elétron possui órbita circular
                                v                          em torno do núcleo.
     Fe = Fc
                          Ze 2           -              2. Momento angular quantizado.
                    Fe =                                3. Absorve/emite energia
                         4πε 0 r 2                         quando muda de estado.
        Ze 2 r
 v2 =                                                        E = T +U
      4πε 0 r 2 m           +
                                     r                     mv 2    Ze 2         − U = 2T
          Ze   2                                        E=      +
 Fc =                                                       2     4πε 0 r       ET = −T
        4πε 0 r 2
                                                                       U
                                                               E=
33                                                                     2
“Esse joven dinamarquês é
                                    o rapaz mais inteligente
                                    que conheci.”
                                                  E. Rutherford
       Niels Bohr

                  h                  Ze2           Postulados do Modelo de Bohr
     L = mvr = n              mv2 =
                 2π                 4πε 0 r        1. Elétron possui órbita circular
                                                      em torno do núcleo.
                    r r r                          2. Momento angular quantizado.
                    L=r×p
                                                   3. Absorve/emite energia
                                                      quando muda de estado.

                          -
                                                     Fe = Fc            E =U 2
                +     90o
                      r                 r              n 2 h 2ε 0           Z 2e 2
                      r                 p         rn =              En = − 2
                                                       Zme2π              2n 4πε 0a 0
                                                         h 2ε 0                     e2
                                                    a0 =            1 hartree =
34                                                       πme2                     4πε 0a 0
“Esse joven dinamarquês é
                         o rapaz mais inteligente
                         que conheci.”
                                       E. Rutherford
     Niels Bohr

                                        Postulados do Modelo de Bohr

                                        1. Elétron possui órbita circular
                                           em torno do núcleo.
                                        2. Momento angular quantizado.
                                        3. Absorve/emite energia
                                           quando muda de estado.




       En 2 − En1 = hf

35
Contínuo
               E=0
E       n=6


        n=5


        n=4    E<0
        n=3

        n=2
        n=1
    +
“Esse joven dinamarquês é
                               o rapaz mais inteligente
                               que conheci.”
                                             E. Rutherford
       Niels Bohr

             En 2 − En1 = hf                  Postulados do Modelo de Bohr

                                              1. Elétron possui órbita circular
        Substituindo En tem-se:                  em torno do núcleo.
                                              2. Momento angular quantizado.
                2 2
              Z e       ⎛    Z 2e 2 ⎞
     hf = − 2           ⎜ 2n 4πε a ⎟
                       −⎜− 2           ⎟      3. Absorve/emite energia
           2n2 4πε 0a 0 ⎝   1      0 0 ⎠
                                                 quando muda de estado.

                 Z 2e 2 ⎛ 1 1 ⎞                         1⎛1 1⎞
           hf =          ⎜ 2− 2⎟
                8πε 0a 0 ⎜ n1 n2 ⎟
                         ⎝       ⎠              ν = = RH ⎜ 2 − 2 ⎟
                                                         ⎜n n ⎟
                                                   λ     ⎝ 1   2 ⎠
       Fazendo f = c/λ chegamos a
       Equação proposta por                                    Z 2e 2
                                                        RH =
38     Balmer (em a.u).                                      hc8πε 0a 0
Niels Bohr




39
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  • 1. SQM-405: Química Geral e Tecnológica Estrutura Atômica Ednilsom Orestes 1
  • 2. Objetivos e Programa Fornecer fundamentos básicos científicos e tecnológicos de Química Geral e Experimental, visando aplicações na Engenharia. Estrutura atômica e propriedade dos elementos. 2
  • 3. Estrutura atômica no contexto da Química. ⇨ Estrutura atômica ⇨ Configuração eletrônica ⇨ Propriedades elementos ⇨ Ligações químicas ⇨ Propriedades materiais; composição molecular submicroscópico ............ macroscópico. 10-10.................................1020 3 próton...........................universo
  • 4. FORMULÁRIO Massa do elétron: me = 9,1091 x 10-28 g; Massa do próton: mp = 1,6725 x 10-24 g; Massa do neutron: mn = 1,6748 x 10-24 g; Carga do elétron: qe = -4,8030 x 10-10 u.e.s. Velocidade da luz: c = 3,0 x 1010 cm/s; Unidades atômicas: qe = -1; me =1; a0 = unidade atômica de distância = 1; a0 = 0,5292 Å; 1 Å = 10-8 cm; 1 unidade atômica de energia = 1 Hartree = 2 Rydberg = 27,205 eV = 623 kcal/mol; 1 eV = 1,602 x 10-12 erg 1 J = 1 kg.m2.s-1 En= -½ n2 (Hartree); n=1,2,… ∆E = Em – En = ½ (1/n2 – 1/m2) ∆E = hν; Ν frequência (s-1) (ν=c/λ); h = 6,6256 x 10-27 erg.seg = 6,62608 x 10-34 J.s ∆E = hc/λ hν = ½ mv2 + hν0 Número de Avogadro: 6,02 x 1023.
  • 5.
  • 6.
  • 7. Bibliografia MAHAN, B., “Química: um curso universitário”. BRECK, W. G.; BROWN, R. J. & COWAN, J. D., “Chemistry for Science and Engineering”. VAN VLACK, L. H., “Princípios de Ciências dos Materiais”. 7
  • 8. Bibliografia Extra ATKINS, P.; JONES, L., “Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente”. KOTZ, J. C.; PURCELL, K. F., “Chemistry and Chemical Reactivity”. 8
  • 10. Ondas f = freqüência λ = comprimento T = período c = velocidade 1 1 f c = λf f = = =ν Número de onda T λ c c λ λ= c= f = cν f T 10
  • 11.
  • 12. Demócrito Filosofia Indiana (2000 a.c.): matéria=agregado pequenas partículas. Atomistas (400 a.c.): – Demócrito (Átomo, do grego: a = não, thomo = divisão. – Aristóteles (divisão ad infinitum). Supõe combinações. Hipótese especulativa. 12 Aristóteles prevalece até XVII.
  • 13. Séculos XVII e XVIII R. Boyle: Oposição a Aristóteles - corpos primitivos (elementares) puros constituem corpos mistos; Lei dos Gases (Mariotte). p1V1 = p2V2 A. Lavoisier: Lei Conservação. Reação química como equação algébrica. Decaptado – desvio impostos. A+B→C+D J. Proust: Lei das Proporções definidas (bases do atomismo). Independe do método utilizado. 13 2H + 1O → 1H2O
  • 14. John Dalton 1808: Postula sua Matéria é formada de átomos: maciço, Teoria Atômica indivisível e indestrutível. Átomos iguais, propriedades iguais, diferentes, propriedades diferentes. Combinados, formam substâncias. Não são criados nem destruídos. Falhas: eletricidade e radioatividade (Por quê?). 14
  • 15. 15
  • 16. Século XIX 1811: Gay-Lussac e Avogadro: Lei Volumétrica dos Gases e Química. 1833: Faraday – Leis da eletrólise: Relação carga/estrutura atômica ?. 1864: Maxwell: O “Newton” das ondas. 1869: Mendelev: Organização da Tabela Periódica – As propriedades são periodicas com a massa atômica. 1877: Boltzman: Teoria Cinética Gases. 1885: J. Balmer: Espectro Hidrogênio ?. 1887: H. Hertz: Efeito Fotoelétrico (Não totalmente explicado) ?. Maioria dos cientistas considerava o átomo a forma fundamental da matéria. Mecânica Clássica / Termodinâmica / Mecânica Estatística “Só resta trabalhar no aumento da precisão. Michelson, 1889 ” 16
  • 17. Michel Faraday Eletricidade das substâncias em solução - Eletroquímica. Material depositado é proporcional a duração e intensidade da corretne elétrica. Íons estão carregados e carga é múltiplo da carga do elétron. 1F = carga elétrica carregada por 1 mol de elétrons. 17
  • 18. Johann Jakob Balmer Espectro do Hidrogênio 1 ⎛ 1 1 ⎞ = RH ⎜ 2 − 2 ⎟ ⎜n n ⎟ n1 > n2 λ ⎝ 2 1 ⎠ 18
  • 19.
  • 20.
  • 21.
  • 22.
  • 23. Joseph John Thomson Millikan: Gota de Óleo determina a carga do elétron. 23
  • 24. Max Planck Catástrofe do Ultravioleta. 24
  • 25.
  • 26. PAUSA Max Planck Wien: Correto em altas frequências. Rayleigh: Correto em baixas 1900: Emissão/absorção de frequências. energia dá-se em quanta. Contraria Mec. Clássica. E=nhf com n = 1,2,3,... h = 6,626x10-34 J.s f = freqüência. 26
  • 28. Albert Einstein Esperado Intensidade da radiação é proporcional com máxima Ke. Efeito fotoelétrico ocorre para qualquer freq e compr. onda. Deveria haver um delay entre radiação e emissão dos elétrons. Observado Intensidade luz não altera a Ke máxima dos elétrons. Frequência de “corte” para fotoemissão. Não há delay significativo entre radiação e emissão. 28
  • 29.
  • 30. Ernest Rutherford 1911: Propõe existência do núcleo. Modelo atômico nuclear. Porque o elétron não cai no núcleo? 30
  • 31. 6o. Rutherford 1o. Dalton: maciço e indivisível 2o. Thomson: Newton 5o. Balmer e/m Millikan: & 1 ⎛ 1 1 ⎞ = RH ⎜ 2 − 2 ⎟ λ ⎜n n ⎟ e- Maxwell ⎝ 2 1 ⎠ 4o. Einstein: 3o. Planck mv 2 = hf 0 − hf E = nhf 2 onda/partícula 31 12
  • 32. “Esse joven dinamarquês é o rapaz mais inteligente que conheci.” E. Rutherford Niels Bohr • Modelo Rutherford: estéticamente elegante on porém instável. wt Ne • Explicava propriedades física e químicas. • Órbitas explicavam classes de elementos, repetição das propriedades na TP. Explicava tudo! Série do - Hidrgênio - H, He+, Li2+, ... Rutherford - + + Planck + Balmer 32
  • 33. “Esse joven dinamarquês é o rapaz mais inteligente que conheci.” E. Rutherford Niels Bohr mv 2 Postulados do Modelo de Bohr Fc = r r 1. Elétron possui órbita circular v em torno do núcleo. Fe = Fc Ze 2 - 2. Momento angular quantizado. Fe = 3. Absorve/emite energia 4πε 0 r 2 quando muda de estado. Ze 2 r v2 = E = T +U 4πε 0 r 2 m + r mv 2 Ze 2 − U = 2T Ze 2 E= + Fc = 2 4πε 0 r ET = −T 4πε 0 r 2 U E= 33 2
  • 34. “Esse joven dinamarquês é o rapaz mais inteligente que conheci.” E. Rutherford Niels Bohr h Ze2 Postulados do Modelo de Bohr L = mvr = n mv2 = 2π 4πε 0 r 1. Elétron possui órbita circular em torno do núcleo. r r r 2. Momento angular quantizado. L=r×p 3. Absorve/emite energia quando muda de estado. - Fe = Fc E =U 2 + 90o r r n 2 h 2ε 0 Z 2e 2 r p rn = En = − 2 Zme2π 2n 4πε 0a 0 h 2ε 0 e2 a0 = 1 hartree = 34 πme2 4πε 0a 0
  • 35. “Esse joven dinamarquês é o rapaz mais inteligente que conheci.” E. Rutherford Niels Bohr Postulados do Modelo de Bohr 1. Elétron possui órbita circular em torno do núcleo. 2. Momento angular quantizado. 3. Absorve/emite energia quando muda de estado. En 2 − En1 = hf 35
  • 36. Contínuo E=0 E n=6 n=5 n=4 E<0 n=3 n=2 n=1 +
  • 37.
  • 38. “Esse joven dinamarquês é o rapaz mais inteligente que conheci.” E. Rutherford Niels Bohr En 2 − En1 = hf Postulados do Modelo de Bohr 1. Elétron possui órbita circular Substituindo En tem-se: em torno do núcleo. 2. Momento angular quantizado. 2 2 Z e ⎛ Z 2e 2 ⎞ hf = − 2 ⎜ 2n 4πε a ⎟ −⎜− 2 ⎟ 3. Absorve/emite energia 2n2 4πε 0a 0 ⎝ 1 0 0 ⎠ quando muda de estado. Z 2e 2 ⎛ 1 1 ⎞ 1⎛1 1⎞ hf = ⎜ 2− 2⎟ 8πε 0a 0 ⎜ n1 n2 ⎟ ⎝ ⎠ ν = = RH ⎜ 2 − 2 ⎟ ⎜n n ⎟ λ ⎝ 1 2 ⎠ Fazendo f = c/λ chegamos a Equação proposta por Z 2e 2 RH = 38 Balmer (em a.u). hc8πε 0a 0
  • 40. Próxima Aula Modelo de Bohr-Sommerfeld Princípio da Incerteza – Heisenberg Dualidade onda-partícula – de Broglie Princípio da Exclusão – Pauli Interpretação da Função de Onda – Born A Mecânica Quântica Ondulatória – Schrödinger Átomo de Hidrogênio Átomos Multieletrônicos Propriedades Periódicas 40