segunda-feira, 4 de março de 2013

Estrutura Atômica




Introdução sobre átomo

       O átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico. Ele apresenta um núcleo com carga positiva (Z é a quantidade de prótons e "E" a carga elementar) que apresenta quase toda sua massa (mais que 99,9%) e Z elétrons determinando o seu tamanho.
       
       Até fins do século XIX, era considerada a menor porção em que se poderia dividir a matéria. Mas nas duas últimas décadas daquele século, as descobertas do próton e do elétron revelaram o equívoco dessa idéia. Posteriormente, o reconhecimento do nêutron e de outras partículas subatômicas reforçou a necessidade de revisão do conceito de átomo.

Os atomistas na antiga Grécia

       Os atomistas, encabeçados por Demócrito e pelo seu professor Leucipo, pensavam que a matéria era constituída por partículas minúsculas e invisíveis, os átomos (átomo), "Sem divisão". Achavam eles que se dividíssemos e voltássemos a dividir alguma vez o processo havia de parar.
       
      Para Demócrito, a grande variedade de materiais na natureza provinha dos movimentos dos diferentes tipos de átomos que, ao se chocarem, formavam conjuntos maiores gerando diferentes corpos com características próprias. Algumas ideias de Demócrito sobre os átomos:
  • Água: formada por átomos ligeiramente esféricos (a água escoa facilmente).
  • Terra: formada por átomos cúbicos (a terra é estável e sólida).
  • Ar: formado por átomos em movimento turbilhonastes (o ar se movimenta - ventos).
  • Fogo: formado por átomos pontiagudos (o fogo fere).
  • Alma: formada pelos átomos mais lisos, mais delicados e mais ativos que existem.
  • Respiração: era considerada troca de átomos, em que átomos novos substituem átomos usados.
  • Sono: desprendimento de pequeno número de átomos do corpo.
  • Coma: desprendimento de médio número de átomos do corpo.
  • Morte: desprendimento de todos os átomos do corpo e da alma.
            Os fundamentos de Demócrito para os átomos foram tomando corpo com o passar do tempo. Epicuro (341 a.C. - aproximadamente 270 a.C.) complementou suas ideias ao sugerir que haveria um limite para o tamanho dos átomos, justificando assim, a razão de serem invisíveis. Mas, ainda assim, a teoria mais defendida era a de Aristóteles que acreditava que a matéria seria constituída de elementos da natureza como fogo, água, terra e ar que misturados em diferentes proporções, resultariam em propriedades físico-químicas diferentes.




Teoria de John Dalton

 Átomo de Dalton: semelhante às bolas de gude.
           
       John Dalton, em 1803, propôs uma teoria que explicava as leis da conservação de massa e da composição definida, é a chamada Teoria Atômica de Dalton. Essa teoria foi baseada em diversos experimentos e apontou as seguintes conclusões:

1. Toda matéria é formada de partículas fundamentais, os átomos.
2. Os átomos não podem ser criados e nem destruídos, eles são permanentes e indivisíveis.
3. Um composto químico é formado pela combinação de átomos de dois ou mais elementos em uma razão fixa.
4. Os átomos de um mesmo elemento são idênticos em todos os aspectos, já os átomos de diferentes elementos possuem propriedades diferentes. Os átomos caracterizam os elementos.
5. Quando os átomos se combinam para formar um composto, quando se separam ou quando acontece um rearranjo são indícios de uma transformação química.

       Resumindo: Dalton acreditava que o átomo era uma esfera maciça, homogênea, indestrutível, indivisível e de carga elétrica neutra. Se fizermos uma comparação, os átomos seriam semelhantes a bolinhas de gude: maciças e esféricas. Muitas dessas teorias são aceitas até hoje, mas algumas já são ultrapassadas, vejamos por que:


- Os elementos químicos são formados por pequenas partículas denominadas átomos
- Os átomos são partículas maciças e indivisíveis - Incorreto, pois o átomo é descontínuo e divisível.
- Os átomos de um mesmo elemento têm massas iguais e os átomos de elementos diferentes têm massas diferentes - Incorreto, devido à existência de isótopos, todos os átomos de um elemento não têm a mesma massa.
- Os átomos dos elementos permanecem inalterados nas reações químicas - Válido até hoje. Inclusive essa definição explica bem porque a massa é conservada nas reações químicas.
- Os compostos são formados pela ligação dos átomos dos elementos em proporções fixas - Correto. Essa é a Lei da composição definida, ela explica porque cada composto é caracterizado por proporções fixas. Cada átomo de um dado elemento presente em um composto tem a mesma massa, sendo assim, a composição deve ser sempre a mesma.

Por Líria Alves
Graduada em Química
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/ff/Plum_pudding_atom.svg/220px-Plum_pudding_atom.svg.png


O modelo atômico de Thomson

O modelo atômico do "pudim de passas" de Thomson
     O britânico Joseph John Thomson descobriu os elétrons em 1897 por meio de experimentos envolvendo raios catódicos em tubos de crookes. O tubo de crookes consiste-se em uma ampola que contém apenas vácuo e um dispositivo elétrico que faz os elétrons de qualquer material condutor saltar e formar feixes, que são os próprios raios catódicos. Thomson, ao estudar os raios catódicos, descobriu que estes são afetados por campos elétricos e magnéticos e deduziu que a deflexão dos raios catódicos por estes campos são desvios de trajetória de partículas muito pequenas de carga negativa, os elétrons.
             
          Thomson propôs que o átomo era, portanto, divisível, em partículas carregadas positiva e negativamente, contrariando o modelo indivisível de átomo proposto por Dalton (e por atomistas na Antiga Grécia). O átomo consistiria de vários elétrons incrustados e embebidos em uma grande partícula positiva, como passas em um pudim. O modelo atômico do "pudim com passas" permaneceu em voga até a descoberta do núcleo atômico por Ernest Rutherford.



O modelo atômico de Rutherford
             

       Em 1911, realizando experiências de bombardeio de lâminas de ouro com partículas alfa (partículas de carga positiva, liberadas por elementos radioativos), Rutherford fez uma importante constatação: a grande maioria das partículas atravessava diretamente a lâmina, algumas sofriam pequenos desvios e outras, em número muito pequeno (uma em cem mil), sofriam grandes desvios em sentido contrário.
A partir dessas observações, Rutherford chegou às seguintes conclusões:
  • No átomo existem espaços vazios; a maioria das partículas o atravessava sem sofrer nenhum desvio.
  • No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso; algumas partículas alfa colidiam com esse núcleo e voltavam, sem atravessar a lâmina.
  • O núcleo tem carga elétrica positiva; as partículas alfa que passavam perto dele eram repelidas e, por isso, sofriam desvio em sua trajetória.
            Pelo modelo atômico de Rutherford, o átomo é constituído por um núcleo central, dotado de cargas elétricas positivas (prótons), envolvidas por uma nuvem de cargas elétricas negativas (elétrons). Rutherford demonstrou, ainda, que praticamente toda a massa do átomo fica concentrada na pequena região do núcleo. Dois anos depois de Rutherford ter criado o seu modelo, o cientista dinamarquês Niels Bohr o completou, criando o que hoje é chamado modelo planetário.
           
         Para Bohr, os elétrons giravam em órbitas circulares, ao redor do núcleo. Depois desses, novos estudos foram feitos e novos modelos atômicos foram criados. O modelo que representa o átomo como tendo uma parte central chamado núcleo, contendo prótons e nêutrons, serve para explicar um grande número de observações sobre os materiais.


O modelo atômico de Niels Bohr e a mecânica quântica


            O modelo atômico de Niels Bohr foi um grande avanço para a comunidade científica, provando que o átomo não era maciço. Segundo a Teoria Eletromagnética, toda carga elétrica em movimento em torno de outra, perde energia em forma de ondas eletromagnéticas. E justamente por isso tal modelo gerou certo desconforto, pois os elétrons perderiam energia em forma de ondas eletromagnéticas, confinando-se no núcleo, tornando a matéria algo instável.

            Bohr, que trabalhava com Rutherford, propôs o seguinte modelo: o elétron orbitaria o núcleo em órbitas estacionárias, sem perder energia. Entre duas órbitas, temos as zonas proibidas de energia, pois só é permitido que o elétron esteja em uma delas. Ao receber um quantum, o elétron salta de órbita, não num movimento contínuo, passando pela área entre as órbitas (daí o nome zona proibida), mas simplesmente desaparecendo de uma órbita e reaparecendo com a quantidade exata de energia. Se um pacote com energia insuficiente para mandar o elétron para órbitas superiores encontrá-lo, nada ocorre. Mas se um fóton com a energia exata para que ele salte para órbitas superiores, certamente o fará, depois, devolvendo a energia absorvida em forma de ondas eletromagnéticas.

 

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/91/Sliced_lemon.jpg/200px-Sliced_lemon.jpgEstrutura



            Se o núcleo de um átomo fosse do tamanho de um limão com um raio de 3 cm, os elétrons mais afastados estariam cerca de 3 km de distância. Os cientistas, por meio de técnicas avançadas, já perceberam a complexidade do átomo. Já comprovaram a presença de inúmeras partículas em sua constituição e desvendaram o comportamento dessas partículas.
           
             Mas para construir alguns conceitos que ajudam a entender a química do dia-a-dia, o modelo de átomo descrito por Rutherford-Bohr é suficiente. Na constituição dos átomos predominam os espaços vazios. O núcleo, extremamente pequeno, é constituído por prótons e nêutrons. Em torno dele, constituindo a eletrosfera, giram os elétrons. O diâmetro da eletrosfera de um átomo é de 10,000 a 100,000 vezes maior que o diâmetro de seu núcleo, e sua estrutura interna pode ser considerada , para efeitos práticos, oca; pois para encher todo este espaço vazio de prótons e nêutrons (ou núcleos) necessitaríamos de um bilhão de milhões de núcleos. O átomo de hidrogênio é constituído por um só próton com um só elétron girando ao seu redor. O hidrogênio é o único elemento cujo átomo pode não possuir nêutrons.
           
             O elétron e o próton possuem, respectivamente, carga negativa e carga positiva, porém não a mesma massa. O próton é 1836,11 vezes mais maciço que o elétron. Usando, como exemplo hipotético, um átomo de vinte prótons e vinte nêutrons em seu núcleo, e este estando em equilíbrio eletrodinâmico, terá vinte elétrons orbitando em suas camadas exteriores. Sua carga elétrica estará em perfeito equilíbrio eletrodinâmico, porém 99,97% de sua massa encontrar-se-á no núcleo. Apesar do núcleo conter praticamente toda a massa, seu volume em relação ao tamanho do átomo e de seus orbitais é minúsculo. O núcleo atômico mede em torno de 10^{-13}(1 fm) centímetros de diâmetro, enquanto que o átomo mede cerca de 10^{-8}centímetros (100 pm).

Massa

            Determinar a massa de um corpo significa comparar a massa deste corpo com outra tomada como padrão. A unidade de massa tomada como padrão é o grama (g). Mas nós muitas vezes utilizamos o Quilograma, que equivale a 1000 vezes a massa de 1 g. Um exemplo disso é quando se diz que a massa de uma pessoa é 45 vezes a massa correspondente à do quilograma.
Ou ainda: 45 kg = 45 x 1000 g = 45 000 g
            Como as partículas que constituem o átomo são extremamente pequenas, uma unidade especial teve que ser criada para facilitar a determinação de suas massas. Essa unidade, denominada unidade de massa atômica, é representada pela letra u.
1 u equivale a aproximadamente 1,66 · 10−27 kg).
            As massas do próton e do nêutron são praticamente iguais: medem cerca de 1 unidade de massa atômica. A massa do elétron é 1836 vezes menor que a do próton: essa massa é desprezível, porém é errado dizer que o elétron é desprovido dela.

 

Carga elétrica

           O elétron é uma partícula dotada de carga elétrica negativa. A sua carga, que foi determinada experimentalmente em 1908, equivale a uma unidade de carga elétrica (1C, Coulomb). A carga do próton é igual à do elétron, só que de sinal contrário. O próton tem carga elétrica positiva. O nêutron não possui carga elétrica, como o seu nome indica, ele é neutro.

Interação atômica

            Se tivermos dois átomos hipotéticos, cuja carga elétrica seja neutra, presume-se que estes não se afetarão mutuamente por causa da neutralidade da força eletromagnéticas entre si. A distribuição de cargas no átomo se dá de forma diversa. A carga negativa é externa, a carga positiva é interna, isto ocorre porque os elétrons orbitam o núcleo. Quando aproximamos dois átomos, mesmo estando em perfeita neutralidade interna, estes se repelem se desviam ou ricocheteiam. Exemplo típico ocorre no elemento hélio (He) onde seus átomos estão em eterno movimento de mútuo ricochete. Em temperatura ambiente, o gás hélio tem no movimento de seus átomos um rápido ricochete. Ao diminuir a temperatura, o movimento oscilatório diminui, o volume fica menor e a densidade aumenta.
            
        Chegaremos teoricamente num ponto em que o movimento de ricochete diminuirá tanto que não se poderá mais retirar energia deste. A este nível térmico, damos o nome de zero absoluto, este é –273,15 °C.

 

Força de Van der Waals

            A carga eletrônica não se distribui de maneira uniforme, algumas partes da superfície atômica são menos negativas que outras. Em função disto, a carga positiva que se encontra no interior do átomo infiltrar-se-á pelas áreas menos negativas externas, por isso haverá uma débil atração eletrostática entre os dois átomos chamados de força de Van der Waals.
            Em baixíssima temperatura, os átomos de hélio movem-se muito lentamente, seu ricochete diminui a tal grau que é insuficiente para vencer as forças de Van der Waals, como o átomo de hélio é altamente simétrico, por este motivo as forças atuantes neste elemento são muito fracas. A contração do hélio ocorre e este acaba por se liquefazer a 4,3 graus acima do zero absoluto. Nos demais gases presentes na natureza sua distribuição de cargas é menos simétrica que no hélio, as forças de Van der Waals são maiores ocasionando uma liquefação em temperaturas maiores.

Atração atômica

            Nas regiões externas dos átomos, a distribuição eletrônica se dá em camadas, sua estrutura apresenta a estabilidade máxima se estas estiverem completas. Com exceção do hélio e outros elementos com estabilidade e simetria semelhante, geralmente a camada mais exterior do átomo é incompleta, ou podem possuir excesso de elétrons. Em função disto pode haver a transferência de um ou dois elétrons do átomo em que estão em excesso, para o átomo em que estão em falta, deixando as camadas externas de ambos em equilíbrio.
            O átomo que recebe elétrons ganha carga negativa, e o que perdeu não equilibra totalmente sua carga nucléica, positiva. Ocorre então o aglutinamento atômico. Existe ainda o caso de dois átomos colidirem. Ocorrendo, há o compartilhamento eletrônico entre ambos que passam a ter suas camadas mais externas completas desde que permaneçam em contato.

Número atomico, Número de Nêutrons e massa Atômica.

            Número atómico ou número atômico (Z) é um termo usado na física e na química para designar o número de prótons (protões em português europeu) encontrados no núcleo de um átomo. Num átomo com carga neutra, o número de elétrons é idêntico ao número atômico, ou seja, o número atômico e a identidade do átomo são iguais. O mesmo não acontece nos íons, átomos com falta ou excesso de elétrons nas últimas camadas. A descoberta do número atômico foi associada ao físico britânico Henry Moseley, o qual conseguiu determinar a carga do núcleo atômico, e sabendo a carga do mesmo, é possível determinar a quantidade de prótons em qualquer átomo. O número atômico é o que caracteriza cada elemento químico, ou seja, não existem átomos de elementos químicos diferentes com o mesmo número atômico, se têm o mesmo número atômico é o mesmo elemento.
Todos os átomos de cálcio possuem 20 prótons, portanto, o número atômico é igual a 20 e número de elétrons também, se não estiver fazendo nenhuma ligação.
Todos os átomos de magnésio possuem 12 prótons, portanto, número atômico é igual a 12 e número de elétrons também, se não estiver fazendo nenhuma ligação.
            A convenção determina que, na representação do símbolo de um elemento, o número atômico deva estar à esquerda do símbolo na parte inferior:
Para o cálcio: 20Ca e, para o magnésio: 12Mg.
            Quando o átomo é neutro, ou seja, a quantidade de cargas positivas (prótons) é igual à quantidade de cargas negativas (elétrons), o número atômico indica também o número de elétrons. Algumas convenções são adotadas para manipulação de dados com referência aos átomos:
A = Massa; Z = Número Atômico; N = número de nêutrons.
Fórmula Geral:
A=Z+N ou N=A-Z




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Hellow, pessoal!

Sejam bem vindos alunos e afins, tenho como objetivo dar uma maior dimensão do que é trabalhado em sala de aula e laboratórios de química experimental montados nas escolas que trabalho.

Neste blog teremos todo o conteúdo que é trabalhado no ensino médio, bem como planejamento e conteúdos referenciados, sem cópias. E ainda serão disponibilizadas para os alunos, listas de exercícios para a verificação de aprendizagem. Para que este blog tenha seu diferencial, serão postados vídeos aula para alunos e seguidores, para facilitar o estudo em casa. Serão postados os trabalhos realizados pelos alunos em laboratório e ainda, teremos que abrir um espaço para as novas tendências da química e física moderna.

Um grande abraço, aproveitem, deixe seus recados, mesmo que maliciosos!!