Aula 2 Átomos, moléculas e íons A descoberta da estrutura atômica

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1 Aula 2 Átomos, moléculas e íons A descoberta da estrutura atômica Grécia, século V A.C., Demócrito: Toda a matéria consiste em partículas pequenas e indivisíveis, os átomos; A idéia não foi bem aceita na época; Platão e Aristóteles não concordavam com esta idéia; Resultados experimentais deram suporte ao conceito de Atomismo fazendo surgir definições modernas de elementos e compostos;

2 A teoria atômica da matéria John Dalton (1808) formulou uma definição precisa sobre a constituição da matéria: Cada elemento é constituído de partículas pequenas, os átomos. Todos os átomos de um elemento são idênticos. Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam. Em qualquer composto, a razão entre os números de átomos de quaisquer elementos presentes é um número inteiro e pequeno; Nas reações químicas, os átomos não são alterados, apenas rearranjados, separados ou combinados. A teoria atômica da matéria A lei das proporções múltiplas de Dalton: Átomos de nitrogênio e oxigênio podem combinar-se em proporções específicas para formar tanto o NO ou o NO 2.

3 A teoria atômica da matéria O comportamento das cargas A descoberta do elétron Um tubo de raios catódicos ou tubo de Crooks é um recipiente profundo com um eletrodo em cada extremidade. Uma alta voltagem é aplicada através dos eletrodos. A voltagem faz com que partículas negativas se desloquem do eletrodo negativo (catodo) para o eletrodo positivo (anodo). A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um campo magnético.

4 A descoberta do elétron Catodo (C) Tubo evacuado Raios catódicos invisíveis Buraco Anodo (A) Fonte de alta voltagem Tela com cobertura fosforescente para detectar a posição dos raios catódicos. A descoberta do elétron

5 A descoberta do elétron A razão carga/massa do elétron Em 1897, J. J. Thomson idealizou um tubo de raios catódicos a fim de determinar a razão entre a carga e a massa do elétron. Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo através de um pequeno orifício. Se eles interagirem com um campo magnético (H) perpendicular a um campo elétrico (P) aplicado, os raios catódicos podem sofrer diferentes desvios sugerindo a presença de cargas. O desvio produzido é proporcional à carga do elétron e inversamente proporcional à sua massa razão e/m = 1,76! 10 8 C/g

6 A razão carga/massa do elétron Propriedades dos raios catódicos A descoberta da carga do elétron Considere o seguinte experimento: Gotas de óleo são borrifadas sobre uma chapa carregada positivamente contendo um pequeno orifício. À medida que as gotas de óleo passam através do orifício, elas são carregadas negativamente. A gravidade força as gotas para baixo. O campo elétrico aplicado força as gotas para cima. Quando uma gota está perfeitamente equilibrada, seu peso é igual à força de atração eletrostática entre a gota e a chapa positiva.

7 A descoberta da carga do elétron O experimento de Millikan A descoberta da carga do elétron

8 A descoberta da carga do elétron De 1906 a 1914 utilizando este experimento, Robert Millikan mostrou que gotas de óleo ionizadas podem ser equilibradas contra a força da gravidade por um campo elétrico. A carga das gotas era sempre um múltiplo inteiro da carga e 1,60 x C. Conhecendo a proporção carga/massa, 1,76 x 10 8 C/g, Millikan calculou a massa do elétron: 9,10 x g. O valor mais preciso para a massa do elétron é de 9, g. A descoberta da Radioatividade Considere o seguinte experimento realizado por Rutherford: Uma substância radioativa é colocada em um anteparo contendo um pequeno orifício de tal forma que um feixe de radiação seja emitido pelo orifício. A radiação passa entre duas placas eletricamente carregadas e é detectada. Três pontos são observados no detector: - um ponto no sentido da chapa positiva, - um ponto que não é afetado pelo campo elétrico, - um ponto no sentido da chapa negativa.

9 A descoberta da Radioatividade A radioatividade é a emissão espontânea de radiação por uma substância. raios X e raios! são luz de alta energia. partículas " é uma corrente de núcleos de hélio, He 2+. Partículas # é uma corrente de elétrons de alta velocidade que se originam no núcleo. A descoberta da Radioatividade Experimento de Rutherford

10 A descoberta da Radioatividade A descoberta do próton Em 1886 usando um tubo com gás e cátodo perfurado, Goldstein notou que do orifício do cátodo partia um feixe luminoso em sentido oposto ao dos raios catódicos, Os raios canais. os raios canais são constituídos de partículas com carga positiva (íons) e, por isso, foram chamados raios positivos. a massa das partículas constituintes dos raios canais varia com o gás sendo aproximadamente igual à massa das moléculas do gás. usando o hidrogênio, os raios positivos obtidos são os de menor massa. a massa das partículas constituintes dos raios positivos obtidos com o hidrogênio é 1836 vezes maior que a massa do elétron, e sua carga é igual à do elétron, com sinal contrário. Rutherford - As menores partículas com carga positiva eram as constituintes dos raios canais, quando o gás era o hidrogênio, sendo denominado de próton. A carga de um próton seria totalmente neutralizada pela carga de um elétron.

11 A descoberta dos neutrons O modelo atômico de Rutherford deixou um problema a ser resolvido; O hidrogênio continha apenas um próton e o átomo de hélio, dois prótons; A razão mhe:mh deveria ser de 2:1 na verdade é de 4:1; Rutheford e outros postularam que deveria haver outra partícula subatômica no núcleo do átomo; James Chadwick (1932) bombardeou folhas de berílio com partículas " e o metal emitiu uma radiação de energia elevada semelhante aos raios #; Experiências mostraram que a radiação era constituída por uma terceira partícula subatômica, os nêutrons; Modelos A descoberta dos neutrons No núcleo do hélio existe dois prótons e dois nêutrons enquanto que o núcleo do hidrogênio existe 1 próton e nenhum nêutron por isso a razão de 4:1; Os nêutrons são partículas eletricamente neutras e ligeiramente superior à massa dos prótons; Rutherford prótons 1919 James Chadwick nêutrons 1932

12 Modelos atômicos Modelos atômicos O átomo nucleado - J. J. Thomson Pela separação da radiação, concluiu-se que o átomo consiste de entidades neutras e carregadas negativa e positivamente. Thomson supôs que todas essas espécies carregadas eram encontradas em uma esfera como um pudim de ameixa.

13 Experimento de Geiger-Rutherford-Marsden Uma fonte de partículas " foi colocada na boca de um detector circular. As partículas " foram lançadas através de uma fina chapa de ouro. A maioria das partículas " passaram diretamente através da chapa, sem desviar. Algumas partículas " foram desviadas com ângulos grandes. Modelos atômicos Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto, o resultado de Rutherford seria impossível. Modelos atômicos Experimento de Geiger-Rutherford-Marsden

14 Modelos atômicos Experimento de Geiger-Rutherford-Marsden Para fazer com que a maioria das partículas " passe através de um pedaço de chapa sem sofrer desvio, a maior parte do átomo deve consistir de carga negativa difusa de massa baixa $ o elétron. Para explicar o pequeno número de desvios grandes das partículas ", o centro ou núcleo do átomo deve ser constituído de uma carga positiva densa. Rutherford modificou o modelo de Thomson da seguinte maneira: Suponha que o átomo é esférico mas a carga positiva deve estar localizada no centro, com uma carga negativa difusa em torno dele. Modelos atômicos O átomo consite de entidades neutras, positivas e negativas (prótons, elétrons e nêutrons). Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo do átomo, que é pequeno. A maior parte da massa do átomo se deve ao núcleo. Pode haver um número variável de nêutrons para o mesmo número de prótons. Os isótopos têm o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons. Os elétrons estão localizados fora do núcleo. Grande parte do volume do átomo se deve aos elétrons.

15 Modelos atômicos Número atômico, número de massa e Isótopos Todos os átomos podem ser identificados pelo seu número de prótons e de nêutrons. Número atômico (Z) é o número de prótons no núcleo de cada átomo de um elemento, o número de prótons é igual ao número de elétrons; A identidade química de um átomo pode ser determinada apenas pelo seu número atômico; O número de massa (A) é o número total de prótons e de nêutrons presentes no núcleo do átomo de um elemento; número p + número n Símbolo do elemento número p

16 Número atômico, número de massa e Isótopos átomos de um dado elemento não têm todos a mesma massa; Isótopos são átomos que têm o mesmo número atômico, mas números de massa diferentes; Há três isótopos do hidrogênio: um possui um próton e nenhum nêutron chamado de hidrogênio, 1 1H, outro tem um próton e um nêutron chamado deutério, 2 1H, e outro tem 1 próton e dois nêutrons chamado de trítio, 3 1H. Outro exemplo são os isótopos do urânio U U Espectrometria de massas - determinação da massa atômica Uma amostra gasosa é ionizada por bombardeamento com elétrons na parte inferior do aparelho. Os íons positivos formados são sujeitos a um campo elétrico por um placas selectoras de velocidade elétricas e sujeitos a um campo magético perpendicular à página. Apenas alguns íons em particular são defletidos pelo campo magnético em caminhos circulares. Íons com diferentes massas atingem o detetor (placa fotográfica) em diferentes regiões. Quanto mais íons de um dado tipo, maior é a resposta do detetor (intensidade de linha na placa fotográfica).

17 Espectrometria de massas - determinação da massa atômica Espectrometria de massas - determinação da massa atômica Espectro de massa do mercúrio. A abundância relativa percentual dos isótopos do mercúrio são 196 Hg, 0,146%; 198 Hg, 10,02%; 199 Hg, 16,84%; 200 Hg, 23,13%; 201 Hg, 13,22%; 202 Hg, 29,80%; 204 Hg, 6,85%.

18 Tabela periódica Mais da metade dos elementos hoje conhecidos foi descoberto entre 1800 e 1900; O descobrimento da regularidade periódica nas propriedades físicas e químicas e a necessidade de organizar um grande volume de informações acerca das propriedades das substâncias levaram ao desenvolvimento da tabela periódica; A tabela periódica é um quadro em que os elementos com propriedades físicas e químicas semelhantes encontram-se agrupados; Tabela periódica As colunas na tabela periódica chamam-se grupos ou famílias de acordo com semelhanças nas suas propriedades químicas. As linhas na tabela periódica chamam-se períodos. Os metais estão localizados no lado esquerdo da tabela periódica (a maioria dos elementos são metais). Os não-metais estão localizados na parte superior do lado direito da tabela periódica. Os elementos com propriedades similares, tanto com os metais quanto com os não-metais, são chamados metalóides e estão localizados no espaço entre os metais e os não-metais.

19 Metais Alcalinos Tabela periódica Gases Nobres Alcalinos Terrosos Halogêneos Grupo Principal Metais de transição Grupo Principal Lantanídeos e Actinídeos Tabela periódica Alguns dos grupos na tabela periódica recebem nomes especiais. Estes nomes indicam as similaridades entre os membros de um grupo: Grupo 1A: Metais alcalinos Grupo 2A: Metais alcalinos terrosos Grupo 6A: Calcogênios Grupo 7A: Halogênios Grupo 8A: Gases nobres

20 Moléculas e íons De todos os elementos da tabela periódica, apenas os gases nobres do grupo 18 (8A) existem na natureza como átomos isolados (monoatômicos); Uma molécula é um agregado de pelo menos dois átomos ligados em um arranjo definido por forças químicas (interatômicas) chamadas de ligações químicas; uma molécula pode conter átomos idênticos ou átomos diferentes unidos por uma razão fixa. Moléculas e íons Cada molécula tem uma fórmula química. A fórmula química indica - quais átomos são encontrados na molécula e - em qual proporção eles são encontrados. Compostos formados a partir de moléculas são compostos moleculares. As moléculas que contêm dois átomos ligados entre si são chamadas moléculas diatômicas e com mais de dois átomos são ditas poliatômicas; As fórmulas moleculares fornecem os números e tipos reais de átomos em uma molécula. Ex: H 2 O, CO2, CH4, H2O2, e O2.

21 Moléculas e íons Esquema padrão de cores Moléculas e íons H 2 O 2 CH 3 CH 2 Cl P 4 O 10 CH 3 CH(OH)CH 3 HCO 2 H

22 Moléculas e íons Um íon é um átomo ou grupo de átomos eletricamente carregado; o número de prótons no núcleo permanece o mesmo durante transformações químicas, mas um átomo poderá ganhar ou perder elétrons; A perda de elétrons gera um cátion ou seja, um íon de carga positiva; o ganho de elétrons gera um ânion ou seja, um íon de carga negativa; Um átomo pode ganhar ou perder mais de um elétron tornando-se um íon polivalente; Moléculas e íons O número de elétrons que um átomo perde ou ganha está relacionado com a sua posição na tabela periódica. Em geral: átomos metálicos tendem a perder elétrons para se transformarem em cátions; íons não-metálicos tendem a ganhar elétrons para formarem ânions.

23 Moléculas e íons Compostos iônicos são formados por cátions e ânions; Muitos compostos iônicos são binários formados por apenas dois elementos; Moléculas e íons

24 Moléculas e íons Para formar o NaCl, o átomo de sódio neutro, Na, deve perder um elétron para se transformar em um cátion: Na +. O elétron não pode ser totalmente perdido, dessa forma ele é transferido para um átomo de cloro, Cl, que então se transforma em um ânion: o Cl -. Os íons Na + e Cl - ligam-se para formar o cloreto de sódio (NaCl), Importante: observe que não existem moléculas de NaCl facilmente identificáveis na rede iônica. Portanto, não podemos usar fórmulas moleculares para descrevermos substâncias iônicas. Nomenclatura dos compostos A nomenclatura de compostos é dividida em compostos orgânicos (aqueles que contêm C) e compostos inorgânicos (o resto da tabela periódica). Os cátions formados a partir de um metal têm o mesmo nome do metal. Ex: Na + = íon de sódio. Se o metal puder formar mais de um cátion, a carga é indicada entre parênteses no nome. Ex: Cu + = cobre(i); Cu 2+ = cobre(ii). Os cátions formados de não-metais têm a terminação - io. Ex: NH 4+ íon amônio.

25 Nomenclatura dos compostos Nomenclatura dos compostos Os ânions monoatômicos têm terminação $eto. Ex: Cl! é o íon cloreto. Exceções: hidróxido(oh! ), cianeto(cn! ), peróxido (O 2 2!). Os ânions poliatômicos que contêm oxigênio têm a terminação -ato ou -ito. (Aquele com mais oxigênio é chamado -ato). Ex: NO 3 - é o nitrato, NO 2 - é o nitrito. Os ânions poliatômicos contendo oxigênio com mais de dois membros na série são denominados em ordem decrescente de oxigênio: - per-.-ato - -ato - -ito - hipo-.-ito

26 Nomenclatura dos compostos Os ânions poliatômicos que contêm oxigênio com hidrogênios adicionais recebem o nome adicionando-se hidrogeno ou bi- (um H), dihidrogeno (dois H), etc., ao nome: CO3 2- é o ânion carbonato HCO 3 - é o ânion hidrogenocarbonato (ou bicarbonato). H 2 PO 4 - é o ânion dihidrogenofosfato. Para o composto iônico dá-se o nome para o ânion seguido do prefixo de e do nome do cátion. Ex: BaBr 2 = brometo de bário. Nomenclatura dos compostos

27 Nomenclatura dos compostos Os nomes dos ácidos estão relacionados com os nomes dos ânions: -eto transforma-se em ácido.-ídrico; -ato transforma-se em ácido -ico; -ito transforma-se em ácido -oso. Nomenclatura dos compostos Os compostos moleculares binários têm dois elementos. O elemento mais metálico é normalmente escrito antes (por exemplo, o que se encontra mais à esquerda na tabela periódica). Exceção: NH 3. Se ambos os elementos estiverem no mesmo grupo, o que fica mais abaixo é escrito primeiro. Os prefixos gregos são utilizados para indicar o número de átomos.

28 Nomenclatura dos compostos Fim da Aula