QUÍMICA I. Teoria atômica Capítulo 6. Aula 2

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1 QUÍMICA I Teoria atômica Capítulo 6 Aula 2

2 Natureza ondulatória da luz A teoria atômica moderna surgiu a partir de estudos sobre a interação da radiação com a matéria. A radiação eletromagnética se movimenta através do vácuo com uma velocidade de 3, m/s. As ondas eletromagnéticas têm características ondulatórias semelhantes às ondas que se movem na água. Por exemplo: a radiação visível tem comprimentos de onda entre 400 nm (violeta) e 750 nm (vermelho).

3 Energia quantizada e fótons A radiação do corpo negro É o fenômeno de emissão de luz por objetos quentes. A cor e a intensidade de luz emitidas por um objeto quente depende da temperatura do objeto.

4 Energia quantizada e fótons A radiação do corpo negro Estudos da radiação do corpo negro levaram à hipótese de Planck da quantização da radiação eletromagnética.

5 Energia quantizada e fótons Planck: a energia só pode ser liberada (ou absorvida) por átomos em certos pedaços de tamanhos mínimos, chamados quantum. A relação entre a energia e a frequência é Eh onde h é a constante de Planck (6, J s). Para entender a quantização, considere a subida em uma rampa versus a subida em uma escada: Para a rampa, há uma alteração constante na altura, enquanto na escada há uma alteração gradual e quantizada na altura.

6 Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e fótons É o efeito de ejeção de elétrons de um metal quando sua superfície é esposta à luz. O efeito fotoelétrico fornece evidências para a natureza de partícula da luz - quantização.

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8 Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e fótons As observações experimentais: Se a luz brilha na superfície de um metal, há um ponto no qual os elétrons são expelidos do metal. Os elétons somente serão expelidos se a frequência mínima é alcançada. Abaixo da frequência mínima, nenhum elétron é expelido. Acima da frequência mínima, elétrons são ejetados imetiatamente por mais baixa que seja a intensidade da radiação. O número de elétrons expelidos depende da intensidade da luz. A energia cinética, E k, dos elétrons ejetados varia linearmente com a frequência da radiação incidente.

9 Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e fótons As características do efeito fotoelétrico: Um elétron pode ser expelido do metal se ele recebe uma certa quantidade mínima de energia do fóton durante a colisão. Então, a frequência da radiação deve ter um valor mínimo para que os elétrons sejam ejetados. Se um fóton tem energia suficiente, uma colisão resulta na imediata ejeção de um elétron. Se uma energia E 0 é necessária para remover um elétron de um metal e se o fóton tem energia hν, então a diferença E 0 -hν aparecerá como a energia cinética do elétron. Consequentemente, E k =E 0 -hν, E k e varia linearmente com a frequência da radiação incidente.

10 c c, Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e os fótons Einstein usou a teoria quântica para explicar o efeito fotoelétrico. Ele supôs que a luz se comporta como se consistisse de pacotes de energia quantizada chamados de fótons. Einstein supôs que a luz trafega em pacotes de energia denominados fótons. A energia de um fóton: Eh ν = c λ

11 Espectro eletromagnético

12 c c, Energia quantizada e fótons Exercícios: Calcule a energia de um fóton amarelo cujo comprimento de onda é 589 nm. E h hc ,62610 J s310 m s 3, m 19 J Que tipo de radiação envolve menos energia, a luz azul ou microondas? Que tipo de radiação envolve maior comprimento de onda, a luz vermelha ou ultravioleta? Um anúncio luminoso emite luz azul e luz vermelha. O comprimento de onda (λ) da luz vermelha é de 680 nm e o da luz azul é de 420 nm. Que tipo de radiação envolve menos energia, a luz azul ou vermelha?

13 Energia quantizada e fótons O efeito fotoelétrico e os fótons Experimentos obrigam-nos a aceitar a dualidade onda-partícula da radiação eletromagnética. O efeito fotoelétrico providencia a evidência da natureza de partícula da radiação eletromagnética. A difração é responsável pela evidência da natureza ondulatória.

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15 O Comportamento ondulatório da matéria Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória. Demonstrações de que elétrons podem ser difratados mostram o seu comportamento ondulatório. Elétrons têm comportamento de onda e de partícula. Suas propriedades de onda devem ser consideradas quando se descreve a estrutura dos átomos.

16 O Comportamento ondulatório da matéria Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória. Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie mostrou: h mv O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquanto é uma propriedade ondulatória. de Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas, com efeitos notáveis se os objetos são pequenos.

17 O Comportamento ondulatório da matéria Exercício: Qual o comprimento de onda de um elétron com velocidade de 5, m s -1? h m 34,62610 J s 31 9,1110 kg5, , m s m 0,122nm

18 O princípio da incerteza O princípio da incerteza de Heisenberg: na escala de massa de partículas atômicas, não podemos determinar exatamente a posição, a direção do movimento e a velocidade simultaneamente. Para os elétrons: não podemos determinar seu momento e sua posição simultaneamente. Se x é a incerteza da posição e mv é a incerteza do momento, então: x mv O Comportamento ondulatório da matéria h 4

19 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr Rutherford supôs que os elétrons orbitavam o núcleo da mesma forma que os planetas orbitam em torno do sol. Entretanto, uma partícula carregada movendo em uma trajetória circular deve perder energia. Isso significa que o átomo deve ser instável de acordo com a teoria de Rutherford. Bohr observou o espectro de linhas de determinados elementos e admitiu que os elétrons estavam confinados em estados específicos de energia. Esses foram denominados órbitas.

20 Espectros de linhas e o modelo de Bohr Espectros de linhas A radiação composta por um único comprimento de onda é chamada de monocromática. A radiação que se varre uma matriz completa de diferentes comprimentos de onda é chamada de contínua. A luz branca pode ser separada em um espectro contínuo de cores. Observe que não há manchas escuras no espectro contínuo que corresponderiam a linhas diferentes.

21 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr As cores de gases excitados surgem devido ao movimento dos elétrons entre os estados de energia no átomo.

22 Espectros de linhas e o modelo de Bohr Espectros de linhas Balmer: descobriu que as linhas no espectro de linhas visíveis do hidrogênio se encaixam em uma simples equação. Mais tarde, Rydberg generalizou a equação de Balmer para: 1 n 1 R H 1 h 2 1 n 2 2 onde R H é a constante de Rydberg (1, m -1 ), h é a constante de Planck (6, J s), n 1 e n 2 são números inteiros (n 2 > n 1 ).

23 O modelo de Bohr Já que os estados de energia são quantizados, a luz emitida por átomos excitados deve ser quantizada e aparecer como espectro de linhas. Após muita matemática, Bohr mostrou que E Espectros de linhas e o modelo de Bohr J n onde n é o número quântico principal (por exemplo, n = 1, 2, 3, e nada mais). 2

24 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr A primeira órbita no modelo de Bohr tem n = 1, é a mais próxima do núcleo e convencionou-se que ela tem energia negativa. A órbita mais distante no modelo de Bohr tem n próximo ao infinito e corresponde à energia zero. Os elétrons no modelo de Bohr podem se mover apenas entre órbitas através da absorção e da emissão de energia em quantum (h).

25 Podemos mostrar que Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr E J 2 2 n f n i Quando n i > n f, a energia é emitida. Quando n f > n i, a energia é absorvida. hc h E

26 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr Série de Paschen - IV Série de Balmer - VIS Série de Lyman - UV

27 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr Exercícios: Determine qual das seguintes transições eletrônicas produz a linha espectral de comprimento de onda mais longo: n=2 para n=1, n=3 para n=2 ou n=4 para n=3? Indique qual é a transição eletrônica da série de Lyman de maior comprimento de onda. Indique em que região do espectro eletromagnético ocorrem as séries de Pashen, Lyman e Balmer.

28 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr Exercício: Calcule o comprimento de onda da radiação emitida por um átomo de hidrogênio quando um elétron faz uma transição entre os níveis n=2 para n=3. E E J J 3,0310 h 3,0310 c J J, m s 14 4,5710 s n f 1 n 2 i 3,0310 6, , J J s 4,5710 m 657nm s

29 Espectros de linhas e o modelo de Bohr Limitações do modelo de Bohr Pode explicar adequadamente apenas o espectro de linhas do átomo de hidrogênio. Os elétrons não são completamente descritos como partículas pequenas.

30 Mecânica quântica e orbitais atômicos No modelo da mecânica quântica, os elétrons são descritos por funções de onda (ᴪ). Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula: H E A resolução da equação leva às funções de onda. A solução da equação de Schrödinger mostra que os elétrons podem possuir apenas alguns valores discretos de energia. 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.

31 Mecânica quântica e orbitais atômicos

32 Mecânica quântica e orbitais atômicos 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. À medida que n aumenta, o orbital torna-se maior e o elétron passa mais tempo mais distante do núcleo.

33 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos 2. O número quântico azimuthal, l. Esse número quântico depende do valor de n. Os valores de l começam de 0 e aumentam até n -1. Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d e f para l = 0, 1, 2, e 3). Geralmente nos referimos aos orbitais s, p, d e f. 3. O número quântico magnético, m l. Esse número quântico depende de l. O número quântico magnético tem valores inteiros entre -l e +l. Fornecem a orientação do orbital no espaço.

34 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos

35 Representações orbitias Orbitais s Todos os orbitais s são esféricos. À medida que n aumenta, os orbitais s ficam maiores. À medida que n aumenta, aumenta o número de nós. Um nó é uma região no espaço onde a probabilidade de se encontrar um elétron é zero. Em um nó, 2 = 0 Para um orbital s, o número de nós é n-1.

36 Representações orbitias

37 Representações orbitias Orbitais s

38 Representações orbitias Orbitais p Existem três orbitais p, p x, p y, e p z. Os três orbitais p localizam-se ao longo dos eixos x-, y- e z- de um sistema cartesiano. As letras correspondem aos valores permitidos de m l, -1, 0, e +1. Os orbitais têm a forma de halteres. À medida que n aumenta, os orbitais p ficam maiores. Todos os orbitais p têm um nó no núcleo.

39 Representações orbitias Orbitais p

40 Representações orbitias Orbitais d e f Existem cinco orbitais d e sete orbitais f. Três dos orbitais d encontram-se em um plano bissecante aos eixos x-, y- e z. Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x-, y- e z. Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada. Um orbital d tem dois lóbulos e um anel.

41 Representações orbitias