Estrutura da Matéria Profª. Fanny Nascimento Costa

Transcrição

1 Estrutura da Matéria Profª. Fanny Nascimento Costa Aula 01 Do macro ao micro Partículas elementares Interações fundamentais

2 Horário das aulas Terça-Feira: 19:00 h às 21:00 Quinta-Feira (quinzenal): 19:00 h às 21:00 h Provas Serão aplicadas duas provas regulares (P1 e P2). Para o conceito final, será considerado o conceito médio das duas provas. A prova substitutiva (SUB) será aplicada apenas aos alunos que tiverem justificativa legal. A prova de recuperação (REC): estudantes que obtiverem conceito D ou F terão direito de realizar esta prova. O conceito final neste caso será determinado pela média ponderada: (P1+P2+2REC)/4.

3 Conceitos Conceito De Até A 85% 100% B 70% 85% C 50% 70% D 40% 50% F 0 40% A: desempenho excepcional, demonstrando excelente compreensão da disciplina B: bom desempenho, demonstrando capacidade boa de uso dos conceitos da disciplina; C: desempenho adequado, demonstrando capacidade de uso dos conceitos da disciplina e capacidade para seguir em estudos mais avançados; D: aproveitamento mínimo dos conceitos da disciplina, com familiaridade parcial do assunto, mas demonstrando deficiências que exigem trabalho adicional para prosseguir em estudos avançados; F: reprovado. A disciplina deve ser cursada novamente para a obtenção de crédito; O: reprovado por falta se tiver mais de 25% de falta. A disciplina deve ser cursada novamente para a obtenção de crédito.

4 Datas e conteúdo das provas P1-06/07/2017 Partículas e forças fundamentais da natureza; Unidades e dimensões; Evidências do Átomo na Química; Lei dos Gases, gases reais, o número de Avogrado; Experiência de Thomson e Milikan, descoberta do Elétron; Radioatividade; Descoberta do núcleo; Modelos atômicos; Modelo de Bohr e espectros atômicos; Radiação de corpo negro; Efeito Fotoelétrico; Mecânica Quântica: Dualidade onda partícula; Princípio da Incerteza. P2-03/08/2017 Orbitais, números quânticos e o átomo de hidrogênio; Átomos multieletrônicos, spin, princípio da exclusão e periodicidade; Representação de Lewis, Regra do Octeto e ligações químicas; Modelo de repulsão dos pares de elétrons da camada de valência, geometria molecular e polaridade; Hibridização e teoria da ligação de valência; Teoria dos orbitais moleculares; Interações intermoleculares. SUB - 08/08/2017 Toda a matéria. REC - 22/08/2017 Toda a matéria.

5 Bibliografia Básica ATKINS, P. W.; JONES, Loretta. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3 ed. Porto Alegre: Bookman, p. CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor. Física Moderna: origens clássicas e fundamentos quânticos. Rio de Janeiro: Elsevier, p. MAHAN, Bruce M.; MYERS, Rollie J. Química: um Curso Universitário. 4º Ed. São Paulo: Edgard Blücher, p.

6 O Desde sempre, o ser humano olha ao seu redor e faz perguntas. Por que existe uma mancha clara, de formato alongado, no céu? Do que ela é feita? Como surgiu?

7 Muitas respostas que foram dadas a estas perguntas são profundamente ligadas à cultura e história dos povos, às suas crenças religiosas e sua organização social.

8 ... aprendemos que o sol é apenas uma entre uma infinidade de estrelas que se aglomeram em galáxias. A faixa iluminada no céu é a imagem que temos de nossa galáxia, vista de dentro. A ciência é uma forma de abordar questões como essa. Ela procura primar pela objetividade, pela clareza e pela precisão. É uma tradição de pensamento em que estas qualidades são buscadas e valorizadas, e onde a verificação experimental é considerada como o argumento fundamental.

9 A ciência nasce de uma característica fundamental do espírito humano: a CURIOSIDADE. Além disso, a ciência também é muito útil e permite aprimorar nossa TECNOLOGIA.

10 Para atender aos critérios de objetividade, clareza e precisão, a MATEMÁTICA tornou-se uma ferramenta básica da ciência. O livro da natureza é escrito em caracteres matemáticos. A ciência permite ao conhecimento humano ultrapassar seus próprios limites físicos. A ciência consegue estender a compreensão do ser humano para estruturas extremamente grandes e pequenas.

11 Do macro ao micro Estruturas Átomo Interações Tecnologias

12 Da teoria atômica Estruturas: (do macro ao micro) universo, galáxias, estrelas/planetas, matéria macroscópica, moléculas, átomos, elétrons e núcleo, prótons e nêutrons, hádrons e léptons, quarks; Interações: 4 fundamentais (eletromagnética, gravitacional, nuclear forte, nuclear fraca), ligações químicas, forças intermoleculares, estados da matéria, matéria macroscópica, domínio da gravidade (órbitas, formação de planetas, estrelas e galáxias, síntese de elementos químicos, anãs-brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros); Tecnologias: aceleradores e reatores nucleares, RMN, laser, nanotecnologia, química, bioquímica, semicondutores, microeletrônica, computação, microbiologia, eletrônica, mecânica, aviação, astronáutica, etc.

13 Imagine um lugar muito distante! 10 milhões de anosluz (10 23 m) de distância da Via Láctea. 13

14 Vamos nos aproximar e entender a estrutura daquilo que nos cerca. 1 milhão de anos-luz (10 22 m) Torna-se visível o espiral 14

15 anos-luz (10 21 m) Nosso sol mal pode ser vista! 15

16 100 anos-luz (10 18 m) Nada além de estrelas 16

17 1 ano-luz (10 16 m) O Sol aparece bem pequeno

18 1 trilhão de quilômetros (10 15 m) O Sol um pouco maior

19 100 bilhões de quilômetros (10 14 m) O Sistema Solar começa a aparecer

20 10 bilhões de quilômetros (10 13 m) Nosso Sistema Solar mais definido

21 1 bilhão de quilômetros (10 12 m) Órbitas de: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e Júpiter

22 100 milhões de quilômetros (10 11 m) Órbitas de: Vênus, Terra e Marte

23 10 milhões de quilômetros (10 10 m) Parte da órbita da Terra

24 1 milhão de quilômetros (10 9 m) Órbita da Lua Pode ser vista a órbita da Lua

25 quilômetros (10 8 m) A Terra ainda pequena

26 quilômetros (10 7 m) O Hemisfério Norte da Terra

27 1.000 quilômetros (10 6 m) Foto característica de satélite (estado da Flórida, USA)

28 100 quilômetros (10 5 m) da superfície. Cidade de Tallahassee na Flórida USA, um pouco mais próximo...

29 10 quilômetros (10 4 m) Os quarteirões mal são vistos

30 1 quilômetro (10 3 m) É possível a prática de paraquedismo

31 UFABC!!! Campus SA

32 100 metros (10 2 m) Vista típica de helicóptero

33 10 metros (10 1 m) Vista típica de edifício

34 1 metro (10 0 m) Quando olhamos algo com o braço esticado...

35 10 centímetros (10-1 m) Pode-se tocar nas folhas

36 1 centímetro (10-2 m) É possível sentir o cheiro da folha

37 100 mícrons (10-4 m) As células praticamente estão definidas

38 10 mícrons (10-5 m) As células aparecem

39 1 mícron (10-6 m). O núcleo da célula já fica visível

40 1.000 angstroms (10-7 m) Os cromossomas aparecem

41 100 angstroms (10-8 m) A cadeia de DNA pode ser visualizada

42 1 nanometro (10-9 m) Os blocos cromossômicos

43 1 Angstrom (10-10 m)

44 10 picometros (10-11 m)

45 1 picometro (10-12 m)

46 100 fermis (10-13 m)

47 10 fermis (10-14 m)

48 1 fermi (10-15 m)

49 Neste curso, vamos mostrar um pouco da resposta que a ciência forneceu a duas perguntas: Do que a matéria é feita? (átomos, moléculas) Por que a matéria se organiza da forma como ela se organiza? ( Interações ) Estas respostas não são simples. A humanidade levou séculos para desenvolvê-las. Muitas partes destas respostas envolvem uma matemática muito complicada, que não podemos descrever neste curso. Muitas vezes vamos apresentar regras que não poderemos justificar por não dominar a matemática necessária.

50 Estrutura da Matéria Matéria Molécula Átomo Núcleo Hádron Quark (Bárion) u 10-2 m 10-9 m m m m Matéria condensada/nanociência/química Física Atômica prótons, nêutrons, mésons, etc. <10-19 m top, bottom, charm, strange, up, down Física Nuclear Elétron (Lepton) <10-18 m Física de Altas Energias

51 PARTÍCULAS ELEMENTARES A natureza elementar da matéria é estudada através de experimentos de colisões. LHC, próximo a Genebra, na fronteira Suíça - França. Túnel de 27Km de circunferência, a 100 metros de profundidade, com equipamentos resfriados a hélio líquido a uma temperatura de C

52 PARTÍCULAS ELEMENTARES Detectores de partículas

53 PARTÍCULAS ELEMENTARES Experimentos mostraram um zoológico de partículas que podem ser criadas em determinadas condições mas que não existem normalmente na natureza. quark up quark charm quark top quark down quark strange quark botton neutrino do elétron neutrino do múon neutrino do tau elétron múon tau sites.google.com/site/alyssonferrari

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55 Estrutura interna do átomo Tudo que existe no universo é feito de átomos, que por sua vez são feitos por partículas menores, indivisíveis, chamadas de partículas elementares. Pergunta: como as partículas elementares conseguem se organizar em estruturas de tamanhos tão diferentes, e tão complexas, como observamos na natureza? Resposta: em última instância, graças às interações fundamentais (ou forças elementares) que são sentidas por estas partículas elementares.

56 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS FORÇA INTERAÇÃO A noção de interação está ligada basicamente aquilo que conhecemos, na física de Newton, como força, isto é, uma influência exercida por um corpo sobre o outro. Sabemos, pela 3ª lei de Newton, que esta influência sempre é recíproca. interação (s. f.) 1. Influência recíproca de dois ou mais elementos. ( ) 3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre duas partículas. fonte: sites.google.com/site/alyssonferrari

57 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS A maior parte das interações (forças) que vemos no dia-a-dia exigem um contato direto entre os corpos envolvidos. Algumas forças, contudo, agem mesmo que não haja contato direto entre os dois corpos envolvidos. Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra devido à força gravitacional. sites.google.com/site/alyssonferrari

58 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS INTERAÇÕES DE CONTATO INTERAÇÕES MEDIADAS POR UM CAMPO sites.google.com/site/alyssonferrari

59 GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES PUXÕES EMPURRÕES ATRITO... INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS INTERAÇÃO GRAVITACIONAL interações de contato interações de campo FORÇAS ELÉTRICAS FORÇAS MAGNÉTICAS sites.google.com/site/alyssonferrari

60 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS Ao longo do século XIX descobriu-se profundas relações entre o campo elétrico e o campo magnético. Na verdade, não são dois campos separados: são dois aspectos de um único fenômeno, o que se chama campo eletromagnético. James Clerk Maxwell foi o descobridor deste fato, formulando as chamadas equações de Maxwell, que você futuramente estudará. GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES PUXÕES EMPURRÕES ATRITO interações de contato INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA interações de campo sites.google.com/site/alyssonferrari

61 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS Relembremos que o átomo é composto por partículas com carga negativa (elétrons) e positiva (prótons) em igual número, ou seja, tipicamente o átomo é eletricamente neutro. Uma vez que os átomos são neutros, o que faz com que eles se unem formando moléculas estáveis? Resposta: A força residual eletromagnética. As partes carregadas de um átomo podem interagir com as partes carregadas de outro átomo. Isso permite que diferentes átomos mantenham-se ligados.

62 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS A força eletromagnética é responsável, em última instância, por todas as ligações químicas entre átomos. Ou seja, toda a química existe porque existe a interação eletromagnéticas. Ela é responsável por todas as propriedades químicas dos diferentes elementos. sites.google.com/site/alyssonferrari

63 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS A vida depende necessariamente de um conjunto extremamente complexo de reações químicas. Por isto, a existência da interação eletromagnética é também, em última instância, o que propicia a existência da vida. sites.google.com/site/alyssonferrari

64 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS Além disso, sempre que temos duas superfícies em contato, os átomos que compõem as duas superfícies estão tão próximos que podem exercer forças eletromagnéticas uns entre os outros... FORÇAS DE CONTATO não são mais que o produto das interações eletromagnéticas entre os átomos da superfície dos materiais. sites.google.com/site/alyssonferrari FORÇAS COMO PUXÕES EMPURRÕES ATRITO não são elementares, mas sim resultados de interações eletromagnéticas.

65 INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES PUXÕES EMPURRÕES ATRITO interações de contato INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA interações de campo LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA sites.google.com/site/alyssonferrari

66 INTERAÇÕES ELEMENTARES A lista de interações fundamentais está quase completa. Existem só mais duas interações, que foram descobertas mais recentemente, e que basicamente só funcionam dentro do núcleo atômico. próton neutron FORÇA NUCLEAR FORTE sites.google.com/site/alyssonferrari FORÇA NUCLEAR FRACA

67 INTERAÇÕES ELEMENTARES O núcleo é formado de prótons e nêutrons. Os nêutrons tem carga nula os prótons tem carga positiva e se repelem uns aos outros. Por que então o núcleo não explode? A força eletromagnética tenderia a fazer o núcleo se despedaçar. Por outro lado, a força gravitacional é sempre atrativa, mas é fraca demais para vencer a força eletromagnética. A força nuclear forte é responsável por colar os quarks formando prótons e neutrons, e também pela força de atração que mantêm os prótons e neutrons juntos no núcleo. sites.google.com/site/alyssonferrari

68 INTERAÇÕES ELEMENTARES Toda máteria estável no universo é composta por quarks mais leves (up e down) e pelo elétron que é o lépton carregado mais leve. Interações fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves. Decaimento beta: um neutron transforma-se num próton, liberando um elétron e um neutrino. sites.google.com/site/alyssonferrari

69 Interações Elementares Interação gravitacional Interação eletromagnética Interação forte (ou nuclear forte) Interação fraca (ou nuclear fraca) Esta é, até onde sabemos, uma lista completa de todas as interações elementares observadas no universo. É uma lista surpreendentemente curta representa uma grande síntese do conhecimento físico acerca do universo!

70 Bibliografia 1 Revista Scientific American Brasil, Edição Especial sobre o, Vol. 2, 3, 4 e 5. 2 Daltamir Justino Maia, J. C. de A. Bianchi, Química Geral :Fundamentos, Pearson Education do Brasil, Cap. 1 e 2, Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge, Química a Ciência Central, Pearson Education do Brasil, Cap. 3, 9ª. Ed., 2005.