Introdução à teoria atômica e estrutura eletrônica.

1. Átomos
Teoria atômica e estrutura eletrônica
por Marília Isabel Tarnowski Correia
marilia.itc@gmail.com
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2. Da filosofia à ciência
400 a.C. 1803
Democritus Dalton
Átomo
maciço e indivisível
Imagens(fonte):http://duth.gr/images/democ.jpg;http://www.biografiasyvidas.com/biografia/d/fotos/dalton_john.jpg
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3. Descoberta do elétron
Tubo de Crookes (tubo de raios catódicos), 1879
https://www.youtube.com/watch?v=Xt7ZWEDZ_GI
J. J. Thompson
Raios catódicos:
• Feixe de partículas negativas
• Não dependem do tipo do metal
• Presentes no interior dos átomos
Razão carga/massa
do elétron: e/me
(1897)
Modelo atômico do
pudim de passas
Imagens(fonte):http://reich-chemistry.wikispaces.com/file/view/jj_thomson.jpg/177646183/jj_thomson.jpg;
https://d2gne97vdumgn3.cloudfront.net/api/file/oPsylDe8RLmtMbXGArEL
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4. Descoberta do elétron
Experimento da gota de óleo de Milikan
Razão carga/massa
do elétron: e/me
Robert Milikan
Carga do elétron
e = 1,602 x 10-19
Imagens(fonte):https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Robert-millikan2.jpg;
http://ccphysics.us/henriques/p202lab/millikan_original.jpg
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5. Descoberta do núcleo
Experimento de Geiger–Marsden
Imagens (fonte): https://dr282zn36sxxg.cloudfront.net/datastreams/f-d%3A53cd52807bb7dabf60411f374fbacf984e855898349e9b9c63ac5d07%2BIMAGE_THUMB_POSTCARD_TINY%2BIMAGE_THUMB_POSTCARD_TINY.1
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f9/Geiger-Marsden_experiment_expectation_and_result.svg/600px-Geiger-Marsden_experiment_expectation_and_result.svg.png
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6. Como os elétrons se arranjam
ao redor do núcleo?
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7. Radiação eletromagnética
Átomos e
moléculas
calor ou
descarga elétrica
Luz
emissão/absorção
Imagens(fonte):https://pixabay.com/p-312260/?no_redirect;
http://brasilescola.uol.com.br/upload/conteudo/images/onda-eletromagn%C3%A9tica.jpg
Experimentos de emissão de luz por sólidos
aquecidos
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8. Radiação eletromagnética
ν = Frequência [Hz = s-1 (ciclos por segundo)]
λ = Comprimento de onda (nm)
Velocidade da luz: c = 3,00 x 108 m/s
𝑐 = νλ
Imagem(fonte):http://images.melhortvlcd.com.br/images/2011/07/frequencia1.jpg
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9. Espectro eletromagnético
Espectro contínuo
Imagemfonte:http://2.bp.blogspot.com/_JDeDgbdDHa0/S6u0wkYWu1I/AAAAAAAAARw/oCoXyp8qRus/s1600/espectro.jpg
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10. Física clássica x Física moderna
Física clássica (século XVII)
• Luz tem comportamento de onda
• A Energia é contínua
• A matéria pode emitir ou absorver qualquer valor de energia
Não explicava:
• efeito fotoelétrico -> feixe de luz arranca elétrons da superfície do metal
• linhas de emissão do hidrogênio -> espectro não-contínuo
• porque os elétrons não colapsam com o núcleo
Max Plank, 1900
Emissão de luz por sólidos aquecidos
• pacotes discretos de energia -> quanta
Por que a matéria não
brilha o tempo todo?
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11. Teoria quântica de Plank
• Átomos e moléculas emitem ou absorvem quantidades discretas e
definidas de energia
• Quantum: menor quantidade de energia que pode ser emitida ou
absorvida
• Energia de um quantum:
𝐸 = ℎν
ou
𝐸 = ℎ
𝑐
λ
h = constante de Plank
Velocidade da luz: c = λν; (ν =
𝑐
λ
)
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12. Efeito fotoelétrico
• Einstein: feixe de luz é um feixe de partículas -> fótons
• Energia de um fóton:
𝐸 = ℎν ; (ν = frequência da luz)
• Para expelir um elétron da superfície de um metal
hν = EL + EC
EL = energia de ligação
EC = energia cinética
EC = hν – EL
Quanto maior a frequência/energia do fóton, maior a energia cinética do elétron
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13. Bohr e o átomo de hidrogênio
Modelo atômico até 1913
Modelo atômico de Bohr
(Átomo de hidrogênio)
Imagem(fonte):http://study.com/cimages/multimages/16/rutherford_atom_4.jpg;
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/31/Bohr_atom_animation.gif
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14. Energia de emissão (absorção)
𝐸 𝑛 = −𝑅 𝐻
1
𝑛2
∆𝐸 = 𝐸𝑓 − 𝐸𝑖
∆𝐸= 𝑅 𝐻
1
𝑛 𝑖
2 −
1
𝑛 𝑓
2
𝐸 = ℎν
ℎν = 𝑅 𝐻
1
𝑛 𝑖
2 −
1
𝑛 𝑓
2
Fóton emitido
ni > nf, ΔE < 0
Perde energia
Fóton absorvido
ni < nf, ΔE > 0
Ganha energia
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15. Espectro do átomo de hidrogênio
Cada linha = uma transição
Imagem(fonte):http://images.tutorvista.com/cms/images/83/hydrogen-spectrum.png
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16. Dualidade onda-partícula
de Broglie, 1924
Se a luz tem comportamento de onda e partícula,
partículas (elétrons) podem ter comportamento de onda.
λ =
ℎ
𝑚𝑢
λ = comprimento de onda
h = constante de Plank
m = massa da partícula
u = velocidade da partícula
Elétron: onda estacionária
O comprimento se ajusta à
circunferência da órbita
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17. Princípio da incerteza de Heisenberg
Objeto em movimento: trajetória definida (posição e momento conhecidos)
Onda: trajetória indefinida
Elétrons:
• Momento linear
• Comprimento de onda
• Posição indefinida
A localização e o momento de uma partícula não podem ser conhecidos simultaneamente.
Modelo de Bohr incorreto!
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18. Funções de onda e níveis de energia
Schrödinger
Equação de Schrödinger -> função de onda e energia
• Ψ = função de onda = Trajetória da partícula
• Ψ² = Probabilidade de encontrar uma partícula em uma região
(densidade de probabilidade).
• A energia é quantizada -> níveis de energia
Imagem (fonte): https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2e/Erwin_Schr%C3%B6dinger_%281933%29.jpg/220px-Erwin_Schr%C3%B6dinger_%281933%29.jpg18

19. Modelo atômico quântico (átomo de hélio)
núcleo
Orbital1s
2 prótons
2 nêutrons
Como os elétrons se arranjam
ao redor do núcleo?
Existe uma probabilidade de que os
elétrons estejam no orbitais, que são
funções de onda.
Imagem (fonte): https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Helium_atom_QM.svg/2000px-Helium_atom_QM.svg.png
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20. Linha do tempo
• 400 a.C. – Democritus: a menor parte da matéria é o átomo
(indivisível)
• 1803 – Dalton: modelo atômico da bola de bilhar
• 1869 – Mendeleev: primeira tabela periódica (7 grupos ordenados
pela massa atômica)
• 1873 – Maxwell: a luz é constituída por ondas eletromagnéticas
• 1879 – Crookes: raios catódicos
• 1897 – Thomson: razão massa/carga do elétron. Modelo atômico do
pudim de passas
• 1898 – Rutherford: modelo atômico planetário (núcleo positivo)
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21. Linha do tempo
• 1900 – Plank: a energia emitida ou absorvida por átomos e moléculas
é quantizada
• 1905 – Einstein: efeito fotoelétrico
• 1913 – Bohr: modelo atômico de orbitais atômicos
• 1924 – de Broglie: dualidade onda-partícula
• 1926 – Schrödinger: função de onda do elétron
• 1927 – Heisenberg: princípio da incerteza
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22. Referências
• Atkins, Peter W., Loretta Jones. Princípios de Química: Questionando a
Vida Moderna e o Meio Ambiente. Bookman Editora, 2009.
• Chang, Raymond. Química geral: conceitos essenciais. AMGH Editora,
2009.
• Buescher, Lee. Atomic Structure Timeline. Science Dept, Watertown
High School. 2004 - 2017
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