A DESCOBERTA DO ÁTOMO

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1 A DESCOBERTA DO ÁTOMO Após Dalton ter apresentado sua teoria atômica, em 1808, na qual sugeria que os átomos eram indivisíveis, maciços (rígidos) e esféricos, vários cientistas realizaram diversos experimentos que demonstraram que os átomos são constituídos por partículas ainda menores, subatômicas. A DESCOBERTA DAS PARTÍCULAS SUBATÔMICAS O elétron (e) Em 1897, Joseph John Thomson ( ) conseguiu demonstrar que o átomo não é indivisível, utilizando uma aparelhagem denominada tubo de raios catódicos. Dentro do tubo de vidro havia, além de uma pequena quantidade de gás, dois eletrodos ligados a uma fonte elétrica externa. Quando o circuito era ligado, aparecia um feixe de raios provenientes do cátodo (eletrodo negativo), que se dirigia para o ânodo (eletrodo positivo). Esses raios eram desviados na direção do pólo positivo de um campo elétrico. Com base nesse experimento, Thomson concluiu que: a) os raios eram partículas (corpúsculos) menores que os átomos; b) os raios apresentavam carga elétrica negativa. Essas partículas foram denominadas elétrons (e). O tubo da tela de televisão é uma versão complexa de um tubo de raios catódicos. Embora a televisão já fosse, em 1927, uma realidade em laboratório, somente em 1947 receptores de TV foram produzidos em escala industrial para uso doméstico.

2 Unidade 3 A estrutura do á tomo fluido positivo carga negativa O modelo de Thomson admite que o átomo é divisível. O pró ton (p) Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein, usando uma aparelhagem semelhante à de Thomson, observou o aparecimento de um feixe luminoso no sentido oposto ao dos elétrons. Concluiu que os componentes desse feixe deveriam apresentar carga elétrica positiva. Thomson propôs então um novo modelo, denominado pudim de passas: O átomo é maciço e constituído por um fluido com carga elétrica positiva, no qual estão dispersos os elétrons. Como um todo, o átomo seria eletricamente neutro Posteriormente, em 1904, Ernest Rutherford, ao realizar o mesmo experimento com o gás hidrogênio, detectou a presença de partículas com carga elétrica positiva ainda menores, as quais ele denominou prótons (p). A massa de um próton é aproximadamente vezes maior que a de um elétron. A experiê ncia de Rutherford Para verificar se os átomos eram maciços, Rutherford bombardeou uma finíssima lâmina de ouro (de aproximadamente 0,0001 cm) com pequenas partículas de carga elétrica positiva, denominadas partículas alfa (α), emitidas por um material radioativo. 55 lâmina de sulfeto de zinco c a lâmina de ouro bloco de chumbo b abertura feixe de partículas α As observações feitas durante o experimento levaram Rutherford a tirar uma série de conclusões: Observaç ã o a) A maior parte das partículas α atravessava a lâmina sem sofrer desvios. b) Poucas partículas α (1 em ) não atravessavam a lâmina e voltavam. c) Algumas partículas α sofriam desvios de trajetória ao atravessar a lâmina. Conclusã o A maior parte do átomo deve ser vazio. Nesse espaço (eletrosfera) devem estar localizados os elétrons. Deve existir no átomo uma pequena região onde está concentrada sua massa (o núcleo). O núcleo do átomo deve ser positivo, o que provoca uma repulsão nas partículas α (positivas).

3 56 PARTE 1 QUÍMICA GERAL A comparação do número de partículas que atravessavam a lâmina com o número de partículas que voltavam levou Rutherford a concluir que o raio do átomo é 10 mil vezes maior que o raio do núcleo. A partir dessas conclusões, Rutherford propôs um novo modelo atômico, semelhante ao sistema solar. O nê utron (n) A ilustração mostra um átomo contendo 5 prótons no núcleo e 5 elétrons na eletrosfera. Essas partículas foram descobertas em 1932 por Chadwick, durante experiências com material radioativo. Ele as denominou nêutrons. Os nêutrons estão localizados no núcleo e apresentam mas- sa muito próxima à dos prótons, mas não têm carga elétrica. O modelo atômico mais utilizado até hoje é o de Rutherford, com a inclusão dos nêutrons no núcleo. Núcleo formado por prótons e nêutrons com elétrons girando na eletrosfera. Núcleo Eletrosfera Partícula Massa relativa (u) Carga relativa (uce) Nêutrons 1 0 Prótons Elétrons Teoria dos quarks Hoje considera-se que as únicas partículas elementares constituintes da matéria são os quarks e os léptons. Quarks Interagem fortemente entre si formando outras partículas mais complexas: os hardrons (prótons, nêutrons). Existem somente três tipos de quarks estáveis e somente dois entram na composição da matéria. up down strange carga (uce) +2/3 1/3 1/3 Um próton seria formado por: 2 up (+2/3) = +4/3 1 down ( 1/3) = 1/3 e um nêutron seria formado por: 1 up (+2/3) = +2/3 2 down ( 1/3) = 2/ Léptons São partículas pequenas e leves em comparação com os quarks, e suas interações são fracas. Existem quatro tipos de léptons (elétron, muon, tauon, com carga 1, e pósitron, com carga +1 ).

4 Unidade 3 A estrutura do á tomo PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO ÁTOMO 57 NÚMERO ATÔMICO (Z) Em 1913, ao realizar experiências de bombardeamento de vários elementos químicos com raios X, Moseley percebeu que o comportamento de cada elemento químico estava relacionado com a quantidade de cargas positivas existentes no seu núcleo. Assim, a carga do núcleo, ou seu número de prótons, é a grandeza que caracteriza cada elemento, sendo este número denominado número atômico. Número atômico (Z): o número que indica a quantidade de prótons existentes no núcleo de um átomo. Z = nº de prótons Como os átomos são sistemas eletricamente neutros, o número de prótons é igual ao de elétrons. Vejamos alguns exemplos: cloro (Cl) Z = 17 prótons = 17, elétrons = 17. sódio (Na) Z = 11 prótons = 11, elétrons = 11. NÚMERO DE MASSA (A) Número de massa (A): a soma do número de prótons (p) com o número de nêutrons (n) presentes no núcleo de um átomo. A = p + n Como tanto o número de prótons (p) quanto o de nêutrons (n) são inteiros, o número de massa (A) sempre será um número inteiro. O número de massa é, na verdade, o que determina a massa de um átomo, pois os elétrons são partículas com massa desprezível, não tendo influência significativa na massa dos átomos. Vejamos alguns exemplos: Ca Cl Z = 20 p = 20 A = p + n A = = 20 + n n = 20 Z = 17 p = 17 A = p + n A = = 17 + n n = 18

5 58 ELEMENTO QUÍMICO PARTE 1 QUÍMICA GERAL Elemento químico: é o conjunto formado por átomos de mesmo número atômico (Z). Atualmente, conhecemos um total de 115 elementos químicos, entre naturais e artificiais, com números atômicos variando de 1 a 118. A cada elemento químico corresponde um número atômico (Z) que o identifica. De acordo com a IUPAC (sigla em inglês da União Internacional de Química Pura e Aplicada), ao representar um elemento químico, devem-se indicar, junto ao seu símbolo, seu número atômico e seu número de massa. Uma forma esquemática dessa representação é a seguinte: ÍONS Vejamos um exemplo: A A = 23 Na Z = 11 Z X ou Z X A p = 11 n = A Z n = 12 Os átomos apresentam a capacidade de ganhar ou perder elétrons, formando novos sistemas, eletricamente carregados, denominados íons. Íon: a espécie química que apresenta o número de prótons diferente do número de elétrons. Os átomos, ao ganharem ou perderem elétrons, originam dois tipos de íons: íons positivos = cátions; íons negativos = ânions. Íons positivos ou cá tions Os cátions formam-se quando um átomo perde um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente positivo, em que o número de prótons é maior que o número de elétrons. Aplicando essa definição ao átomo de magnésio (Mg), que apresenta Z = 12, temos: perde 2 e 12Mg 12Mg 2+ p = cargas positivas = +12 p = cargas positivas = +12 e = cargas negativas = 12 e = cargas negativas = 10 carga elétrica total = 0 carga elétrica total = +2 A espécie química Mg 2+ é denominada cátion bivalente ou íon bivalente positivo. Íons negativos ou â nions Os ânions formam-se quando um átomo ganha ou recebe um ou mais elétrons, resultando num sistema eletricamente negativo, em que o número de prótons é menor que o número de elétrons.

6 Unidade 3 A estrutura do á tomo Aplicando essa definição ao átomo de flúor (F), que apresenta Z = 9, temos: ganha 1 e 9F 9F p = 9 9 cargas positivas = +9 p = 9 9 cargas positivas = +9 e = 9 9 cargas negativas = 9 e = cargas negativas = 10 carga elétrica total = 0 carga elétrica total = 1 A espécie química F é denominada ânion monovalente ou íon monovalente negativo. 59 SEMELHANÇAS ATÔMICAS Isó topos Isótopos: são átomos que apresentam o mesmo número atômico (Z), por pertencerem ao mesmo elemento químico, mas diferentes números de massa (A). A maioria dos elementos químicos é constituída por uma mistura de isótopos, os quais podem ser encontrados, na natureza, em proporção praticamente constante. Veja, a seguir, os isótopos naturais de alguns elementos químicos e as proporções nas quais eles são encontrados: Elementos Carbono Oxigênio Potássio 12 C 13 C 14 C* Representaç ã o Abundâ ncia (%) 98,89 1,11 traços** 99,7 0,04 0,2 93,30 0,01 6,70 * Isótopos radioativos. ** Traços = quantidade muito pequena. O único elemento químico cujos isótopos apresentam nome próprio é o hidrogênio (H), que é formado pelos seguintes isótopos naturais: 16 O 17 O 18 O 39 K 40 K* Representaç ã o Nomes Abundâ ncia (%) H* * O trítio é radioativo. hidrogênio leve; hidrogênio comum; prótio 99,985 deutério 0,015 trítio; tricério; tritério K Isó baros Isóbaros: são átomos que apresentam diferentes números atômicos (Z), mas mesmo número de massa (A). Exemplos: 40 Ca p 20 e 20 n 40 Ar p 18 e 22 n Os isóbaros pertencem, portanto, a elementos químicos diferentes.

7 60 Isó tonos PARTE 1 QUÍMICA GERAL Isótonos: são átomos que apresentam o mesmo número de nêutrons (n), mas diferentes números atômicos (Z) e de massa (A). Exemplos: 14 7 N 7 p 7 e 7 n 13 6 C 6 p 6 e 7 n Isoeletrô nicos Isoeletrônicos: átomos e íons que apresentam a mesma quantidade de elétrons. Exemplos: 11 p 8 p 10 p 23 Na e 12 n 16 O e 8 n 20 Ne e 10 n Isótopos radioativos Alguns isótopos emitem determinados tipos de radiação e, por isso, são conhecidos por radioisótopos. Os radioisótopos podem ser usados na Medicina no estudo de certas doenças e distúrbios fisiológicos. Administrados ao paciente, têm a propriedade de se concentrar em determinados órgãos ou tipos específicos de células e permitem, pela sua detecção, determinar a existência de possíveis alterações. Vejamos abaixo alguns exemplos de radioisótopos utilizados em Medicina. Isó topo Aplicaç ã o 51 Cr Estudo das hemácias 131 I Estudo da tireóide 201 Ti Mapeamento do coração 99 Tc Mapeamento de cérebro, fígado, rins, coração 18 F Mapeamento ósseo Outro isótopo radioativo, o iodo-123, quando injetado no organismo em pequenas quantidades, permite-nos obter imagens do cérebro.

8 Unidade 3 A estrutura do á tomo Exercícios de classe O primeiro modelo científico para o átomo foi proposto por Dalton, em Esse modelo poderia ser comparado com: a) uma bola de tênis. b) uma bola de futebol. c) uma bola de pingue-pongue. d) uma bola de bilhar. e) uma bexiga cheia de ar. 2. Relacione os nomes dos cientistas às alternativas a seguir: Demócrito Thomson Rutherford Dalton Chadwick a) É o descobridor do nêutron. b) Seu modelo atômico era semelhante a uma bola de bilhar. c) Seu modelo atômico era semelhante a um pudim de passas. d) Foi o primeiro a utilizar a palavra átomo. e) Criou um modelo para o átomo semelhante ao sistema solar. 3. O elétron foi descoberto por Thomson no final do século XIX. Quais as características gerais do modelo atômico proposto por ele? 4. Faça uma crítica à afirmação: O modelo atômico clássico criado por Rutherford, em 1911, é considerado o modelo definitivo para o átomo. 5. Indique o número de prótons, nêutrons e elétrons presentes em cada átomo dos seguintes elementos: Considere a representação: Fe 3 Li O átomo assim representado apresenta quanto(as): a) prótons? b) nêutrons? c) elétrons? d) partículas nucleares? e) partículas na parte periférica do átomo? f) partículas com carga elétrica positiva? g) partículas com carga elétrica negativa? h) partículas sem massa? i) partículas fundamentais que formam um átomo deste elemento? 7. Um dos principais poluentes atmosféricos é o monóxido de carbono (CO). Determine o número de prótons, nêutrons e elétrons existentes em uma molécula desse poluente. Dados: C (Z = 6) (A = 12); O (Z = 8) (A = 16) 8. Determine o número de prótons, nêutrons e elétrons presentes em cada íon: Fe Os átomos M e N são isóbaros e apresentam as seguintes características: 10. 5x 10 + x M 4x x N Determine os números atômicos e os números de massa de M e N. X é 41 Isótopo do 20 Ca Isótono do 41 K Determine o número de massa de X. 11. (UFSC) Considerando as relações entre os átomos, indicadas no esquema a seguir, Y isóbaros 20 Z pode-se afirmar que o(s) número(s): I de massa de Y é 40. II de massa de Z é 20. III de prótons de Y é 22. IV de nêutrons de X é 20. V de prótons de Z é 22. VI de nêutrons de Y é 20. VII de nêutrons de Z é Considere as representações: 11x x x 2 5x 8 10x x + 10 Sabendo que R e S são isótopos, determine os números atômicos (Z) e os números de massa (A) de R, S e T. 13. (FEI-SP) São dadas as seguintes informações relativas aos átomos Y e Z: I X é isóbaro de Y e isótono de Z. II Y tem número atômico 56, número de massa 137 e é isótopo de Z. IIII O número de massa de Z é 138. O número atômico de X é: a) 53. d) 56. b) 54. e) 57. c)

9 (UFPR) O jornal Folha de São Paulo publicou, em 19/06/94, matéria sobre empresas norte-americanas que estavam falsificando suco de laranja. O produto, vendido como puro, estava sendo diluído com água. A fraude foi descoberta através de medidas de teores de isótopos de oxigênio ( 16 O e 18 O). O isótopo mais pesado fica um pouco mais concentrado na água presente nas plantas em crescimento do que nas águas oriundas de fontes não biológicas. Considere as afirmações: I Os números atômicos destes isótopos são iguais. PARTE 1 QUÍMICA GERAL II O número de massa de 16 O é 16 e indica a soma do número de prótons e de elétrons existentes no átomo. III O número de nêutrons nos isótopos acima é 16 e 18, respectivamente. IV A distribuição eletrônica de 18 à de O. 16 O é igual V O suco puro deve conter maior quantidade de 18 O. Quais são corretas? a) apenas I e II d) apenas I, II e V b) apenas I e III e) apenas I, IV e V c) apenas II e IV Exercícios propostos 1. (Fuvest-SP) Há cerca de 100 anos, J. J. Thomson determinou, pela primeira vez, a relação entre a massa e a carga do elétron, o que pode ser considerado como a descober ta do elétron. É reconhecida como uma contribuição de Thomson ao modelo atômico: a) o átomo ser indivisível. b) a existência de partículas subatômicas. c) os elétrons ocuparem níveis discretos de energia. d) os elétrons girarem em órbitas circulares ao redor do núcleo. e) o átomo possuir um núcleo com carga positiva e uma eletrosfera. 3. (UCDB-MT) No modelo atômico de Rutherford, os átomos são constituídos por um núcleo com carga..., onde... estaria concentrada. Ao redor do núcleo estariam distribuídos os.... A alternativa que completa corretamente a frase é: a) negativa toda a massa elétrons. b) positiva metade da massa elétrons. c) positiva toda a massa elétrons. d) negativa toda a massa nêutrons. e) positiva toda a massa nêutrons. 4. As três partículas fundamentais que compõem um átomo são: prótons, nêutrons e elétrons. 2. (UFSC) Na famosa experiência de Rutherford, Considere um átomo de um elemento X, que no início do século XX, com a lâmina de ouro, é formado por 18 partículas fundamentais e o(s) fato(s) que (isoladamente ou em conjun- que nesse átomo o número de prótons é igual to) indicava(m) o átomo possuir um núcleo ao número de nêutrons. A melhor represenpequeno e positivo foi(foram): tação do número atômico e do número de massa do átomo X é: (01) As par tículas alfa teriam cargas negati vas. a) 6X. c) 12 X. e) 9X. (02) Ao atravessar a lâmina, uma maioria de 9X. d) 6X. partículas alfa sofreria desvio de sua tra- 5. (Fuvest-SP) Quais as semelhanças e as difejetória. 133 renças entre os isótopos de césio (04) Um grande número de partículas alfa 55Cs 137 (estável) e 55Cs (radioativo), com relação ao não atravessaria a lâmina. número de prótons, nêutrons e elétrons? (08) Um pequeno número de partículas alfa, ao atravessar a lâmina, sofreria desvio de sua trajetória. (16) A maioria das partículas alfa atravessaria os átomos da lâmina sem sofrer desvio de sua trajetória. Indique a soma dos itens corretos. 6. (Covest-PE mod.) Observe a tabela. Elemento Th Cl nº de pró tons a 17 nº de elé trons 90 b nº de nê utrons c 19 nº de massa 232 d

10 Unidade 3 A estrutura do á tomo Lendo da esquerda para a direita, formar-se-á, a) Ca e Ca 2+. d) Ni 2+ e Co 2+. com os números indicados, a seguinte b) Ni 2+ e Zn. e) Co 2+ e Zn. seqüência a, b, c e d: c) C e Ca 2+. a) 90, 142, 17, (UEPG-PR) Sobre as representações abaixo, b) 142, 90, 19, 36. indique a soma dos itens corretos. c) 142, 90, 36, 17. (I) 26 (II) 26 (III) d) 90, 142, 36, Fe 3+ e) 89, 152, 7, 36. (IV) (V 57 Fe 3+ (VI) 56 Fe 7. Sabendo-se que o gás clorídrico (HCl) tem suas moléculas formadas pela união de um átomo de hidrogênio com um átomo de cloro e que seus elementos apresentam os seguintes isótopos: 1H 1H 1H e l l determine qual a menor e qual a maior massa para uma molécula de HCl. 8. Recentemente foi sintetizada uma nova forma alotrópica do carbono, de fórmula C 60, chamada Buckminsterfulereno ou simplesmente fulereno, ou ainda buckybola ou futeboleno. Esta forma alotrópica é diferente do diamante e do grafite. Se considerarmos uma molécula do C 60, determine a relação entre o número de prótons e nêutrons. (Dados: número atômico do C = 6; número de massa do C = 12) 9. (UFRS) Em recente experimento com um acelerador de partículas, cientistas norte-americanos conseguiram sintetizar um novo elemento químico. Ele foi produzido a partir de átomos de cálcio (Ca), de número de massa 48, e de átomos de plutônio (Pu), de número de massa 244. Com um choque efetivo entre os núcleos de cada um dos átomos desses elementos, surgiu o novo elemento químico. Sabendo que nesse choque foram perdidos apenas três nêutrons, o número de prótons, nêutrons e elétrons, respectivamente, de um átomo neutro desse novo elemento, são: (números atômicos: Ca = 20; Pu = 94) a) 114; 178; 114. b) 114; 175; 114. c) 114; 289; 114. d) 111; 175; 111. e) 111; 292; 111. (01) I e VI são isótopos, apresentam o mesmo número de elétrons, mas não têm a mesma quantidade de nêutrons. (02) I e II têm o mesmo número de prótons e de elétrons. (04) Embora sejam isótopos isoeletrônicos, II e IV não têm a mesma massa atômica. (08) III e V, que não têm o mesmo número de nêutrons, apresentam menor quantidade de elétrons que o átomo IV. (16) II e IV não têm o mesmo número de nêutrons nem a mesma massa atômica. 12. (UA-AM) Em relação à isotopia, isobaria e isotonia, podemos afirmar que: a) isótonos são entidades químicas que possuem o mesmo número de nêutrons. b) isóbaros são entidades químicas que possuem o mesmo número de prótons. c) isótopos são entidades químicas que possuem o mesmo número de massa. d) são relações que dizem respeito ao núcleo e à eletrosfera do átomo. e) são relações que dizem respeito apenas à eletrosfera do átomo. 13. (UFSC) Dados os átomos: 35Br 36Kr 35Br 36Kr (I) (II) (III) (IV) Indique as proposições verdadeiras. a) I e III são isótopos. b) II e IV possuem o mesmo número de massa. c) I e IV têm igual número de nêutrons. d) I e II possuem o mesmo número de massa. e) II e III são isótopos. 14. (IME-RJ) Sejam os elementos 150 A, B e C de 10. (FURRN) Considerando-se as espécies químicas: números atômicos consecutivos e crescentes na ordem dada. Sabendo que A e B são isóbaros e que B e C são isótonos, podemos 17Cl 20 Ca 20 Ca concluir que o número de massa do elemen to C é igual a: Co 28 Podemos afirmar que as espécies que apresentam o mesmo número de elétrons são: a) 150. c) 153. e) 151. b) 64. d)

11 64 PARTE 1 QUÍMICA GERAL OS NOVOS MODELOS ATÔMICOS Depois de Rutherford ter proposto seu modelo, os cientistas direcionaram seus estudos para a distribuição dos elétrons na elestrofera. Fizeram progressos levando em conta conhecimentos anteriores. Há muito tempo os químicos já sabiam que os compostos de sódio emitem uma luz amarela quando submetidos a uma chama. Em 1855, Robert Bunsen verificou que diferentes elementos, submetidos a uma chama, produziam cores diferentes. K (potássio) Cu (cobre) Na (sódio) Sr (estrôncio) Elementos diferentes produzem luz com cores diferentes. As cores brilhantes dos fogos de artifício são produzidas pela queima de diferentes elementos químicos. O estudo da luz conseguida dessa maneira permitiu a obtenção dos chamados espectros descontínuos, característicos de cada elemento. A cada cor desses espectros foi associada certa quantidade de energia. Sódio Hidrogênio Cálcio Em 1913, Niels Böhr ( ) propôs um novo modelo atômico, relacionando a distribuição dos elétrons na eletrosfera com sua quantidade de energia. O MODELO ATÔMICO DE BÖHR Esse modelo baseia-se nos seguintes postulados: 1. Os elétrons descrevem órbitas circulares ao redor do núcleo. 2. Cada uma dessas órbitas tem energia constante (órbita estacionária). Os elétrons que estão situados em órbitas mais afastadas do núcleo apresentarão maior quantidade de energia. 3. Quando um elétron absorve certa quantidade de energia, salta para uma órbita mais energética. Quando ele retorna à sua órbita original, libera a mesma quantidade de energia, na forma de onda eletromagnética (luz). Essas órbitas foram denominadas níveis de energia. Hoje são conhecidos sete níveis de energia ou camadas, denominadas K, L, M, N, O, P e Q. Assim como um sapo não pode saltar meio degrau, ou seja, números fracionários de degraus, um elétron, ao receber energia, só pode "saltar" um número inteiro de níveis.

12 Unidade 3 A estrutura do á tomo O modelo de Böhr permite relacionar as órbitas (níveis de energia) com os espectros descontínuos dos elementos. 65 nível 1 (n = 1) = K nível 2 (n = 2) = L nível 3 (n = 3) = M nível 4 (n = 4) = N energia crescente N M L K núcleo + e e e e níveis espectro Luminosos Os letreiros luminosos, muito usados em publicidade, utilizam principalmente gás neônio (Ne) e, por isso, são conhecidos por luminosos de neon. O funcionamento desses luminosos é semelhante ao de uma lâmpada fluorescente, ou seja, os elétrons são excitados e, na sua volta à órbita original, emitem luz. As diferentes cores e tonalidades que podem ser obtidas dependem da diferença de potencial, da pressão do gás e de sua composição. Ne puro luz vermelha Ne + mercúrio (Hg) luz azul Ne + gás carbônico (CO 2 ) luz violeta e e e luz OS SUBNÍVEIS O trabalho de Böhr despertou o interesse de vários cientistas para o estudo dos espectros descontínuos. Um deles, Sommerfield, percebeu, em 1916, que as raias obtidas por Böhr eram na verdade um conjunto de raias mais finas e supôs então que os níveis de energia estariam divididos em regiões ainda menores, por ele denominadas subníveis de energia. O número de cada nível indica a quantidade de subníveis nele existentes. Por exemplo, o nível 1 apresenta um subnível, o nível 2 apresenta dois subníveis, e assim por diante. Esses subníveis são representados pelas letras s, p, d, f, g, h,. Estudos específicos para determinar a energia dos subníveis mostraram que: existe uma ordem crescente de energia nos subníveis; s < p < d < f os elétrons de um mesmo subnível contêm a mesma quantidade de energia; os elétrons se distribuem pela eletrosfera ocupando o subnível de menor energia disponível.

13 66 A criação de uma representação gráfica para os subníveis facilitou a visualização da sua ordem crescente de energia. Essa representação é conhecida como diagrama de Linus Pauling. PARTE 1 QUÍMICA GERAL K n = 1 L n = 2 M n = 3 N n = 4 1s 2s 3s 4s 2p 3p 4p 3d 4d 4f O n = 5 5s 5p 5d 5f Linus Pauling ( ) rece- P n = 6 6s 6p 6d beu dois prêmios Nobel: de Química, Q n = 7 7s 7p em 1954, e da Paz, em O preenchimento da eletrosfera pelos elétrons em subníveis obedece à ordem crescente de energia definida pelo diagrama de Pauling: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d Cada um desses subníveis pode acomodar um número máximo de elétrons: Subnível s p d f Nº má ximo de e Observaçã o: Os subníveis g, h, são teóricos. Não são conhecidos átomos que apresentam número de elétrons suficiente para ocupar esses subníveis. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA POR SUBNÍVEL Como num átomo o número de prótons (Z) é igual ao número de elétrons, conhecendo o número atômico poderemos fazer a distribuição dos elétrons nos subníveis. Vejamos alguns exemplos: 1 H: 1 quantidade de e 1s subnível s Z nível 1 (camada K) 12Mg Mg: 1s 2 nível 1 camada K nº de elétrons = 2 K = 2 2s 2 2p 6 nível 2 camada L nº de elétrons = 8 L = 8 3s 2 nível 3 camada M nº de elétrons = 2 M = 2

14 Unidade 3 A estrutura do á tomo 21Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 Perceba que o subnível 4s 2 aparece antes do subnível 3d 1, de acordo com a ordem crescente de energia. No entanto, pode-se escrever essa mesma configuração eletrônica ordenando os subníveis pelo número quântico principal. Assim, obteremos a chama- da ordem geométrica ou ordem de distância: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 Note que, na ordem geométrica, o último subnível mais externo do núcleo é o 4s 2, sendo que esse subnível mais distante indica a camada de valência do átomo. Portanto: 67 O subnível mais energético nem sempre é o mais afastado do núcleo. No caso do escândio, o subnível mais energético é o 3d 1, apresentando 1 elétron, enquanto o mais externo é o 4s 2, com 2 elétrons. A distribuição eletrônica do 21 Sc por camadas pode ser obtida tanto pela ordem energética como pela ordem geométrica e é expressa por: K = 2 L = 8 M = 9 N = 2 EXERCÍCIO RESOLVIDO Considere a seguinte informação: Quando um átomo se transforma em um íon, a variação do número de elétrons, ganho ou perda, ocorre sempre na camada (nível) mais externa, chamada camada de valência. Com base nessa informação, faça a distribuição eletrônica do 26 Fe 2+. SOLUÇÃ O a) O íon Fe 2+ é formado a partir do átomo de ferro, pela perda de 2 e da sua camada de valência. Dessa forma, é necessário, antes de mais nada, determinar a camada de valência do átomo de ferro através da sua distribuição eletrônica. 26Fe { 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ordem energética ordem geométrica O átomo de ferro apresenta quatro níveis (camadas) de energia, sendo o subnível 4s, com 2 e, o mais externo, onde ocorrerá a perda de elétrons. Portanto, a distribuição eletrônica do íon Fe 2+ será: 26Fe 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6

15 68 Exercícios de classe 1. Sobre o modelo atômico de Böhr, podemos tecer as seguintes considerações: I Quando o núcleo recebe energia, salta para um nível mais externo. II Quando o elétron recebe energia, salta para um nível mais energético. III Quando um elétron passa de um estado menos energético para outro mais energético, devolve energia na forma de ondas eletromagnéticas. IV Se um elétron passa do estado A para o estado B, recebendo x unidades de energia, quando voltar de B para A devolverá x unidades de energia na forma de ondas eletromagnéticas. Quais dessas afirmações são falsas? 2. (PUC-MG) As diferentes cores produzidas por distintos elementos são resultado de transições eletrônicas. Ao mudar de camadas, em torno do núcleo atômico, os elétrons emitem energia nos diferentes comprimentos de ondas, as cores. O Estado de S. Paulo, Caderno de Ciências e Tecnologia, dezembro de Este texto está baseado no modelo atômico proposto por: a) Niels Böhr. d) John Dalton. b) Rutherford. e) J. J. Thomson. c) Heisenberg. 3. Faça a distribuição eletrônica em subníveis de energia: a) 8 O c) 18 Ar e) 35 Br b) 11 Na d) 21 Sc f) 40 Zr 4. (UNI-RIO) Os implantes dentários estão mais seguros no Brasil e já atendem às normas internacionais de qualidade. O grande salto de qualidade aconteceu no processo de confecção dos parafusos e pinos de titânio que compõem as próteses. Feitas com ligas de titânio, essas próteses são usadas para fixar coroas dentárias, aparelhos ortodônticos e dentaduras nos ossos da mandíbula e do maxilar. Jornal do Brasil, outubro de Considerando que o número atômico do titânio é 22, sua configuração eletrônica será: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3. b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5. c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2. d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2. e) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6. PARTE 1 QUÍMICA GERAL 5. A pedra ímã natural é a magnetita (Fe 3 O 4 ). O metal ferro pode ser representado por 56 Fe e seu átomo apresenta a seguinte distribuição eletrônica por níveis: a) b) c) d) e) (Unifor-CE) O titânio é metal utilizado na fabricação de motores de avião e de pinos para próteses. Quantos elétrons há no último nível da configuração eletrônica desse metal? (Dado: Ti Z = 22) a) 6. d) 3. b) 5. e) 2. c) Os átomos movem-se no vazio e agarram-se, chocam-se, e alguns ricocheteiam e outros ficam emaranhados (Simplicius, século V d.c.) Hoje sabemos que os átomos emaranhados são resultado de uma ligação entre eles. Nos átomos, os elétrons que par ticipam de uma ligação normalmente fazem par te do nível de valência. Quantos elétrons estão presentes no nível de valência do bromo ( 80 Br)? a) 5. d) 18. b) 7. e) 35. c) (UNI-RIO) O coração artificial colocado em Elói começou a ser desenvolvido há quatro anos nos Estados Unidos e já é usado por cerca de 500 pessoas. O conjunto, chamado de heartmate, é formado por três peças principais. A mais importante é uma bolsa redonda com 1,2 kg, 12 cm de diâmetro e 3 cm de espessura, feita de titânio um metal branco-prateado, leve e resistente. (Revista Veja, julho de 1999.) Entre os metais a seguir, aquele que apresenta, na última camada, número de elétrons igual ao do titânio é o: (Dados os números atômicos: Ti = 22, C = 6, Na = 11, Ga = 31, Mg = 12, Xe = 54) a) C. d) Mg. b) Na. e) Xe. c) Ga.

16 Unidade 3 A estrutura do á tomo 9. (Cesgranrio-RJ) A configuração eletrônica do íon Ca 2+ (Z = 20) é: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4. b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2. c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6. d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2. e) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d (PUC-RJ) As respectivas distribuições eletrônicas do último nível das espécies químicas K, K +, K 2+ só podem ser: (Dado: K = 19) a) 4s 0 ; 4s 1 ; 4s 2. b) 4s 1 ; 3s 2 3p 6 ; 3s 2 3p 5. c) 4s 1 ; 4s 2 ; 4s 2 4p 1. d) 4s 2 ; 4s 1 ; 4s 2 4p 6. e) 4s 1 ; 4s 2 ; 4s Exercícios propostos 1. (PUC-MG) Relacione os nomes dos cientistas com os modelos atômicos. 1. Dalton 3. Niels Böhr 2. Rutherford 4. J. J. Thomson Descoberta do átomo e seu tamanho relativo. Átomos esféricos, maciços, indivisíveis. Modelo semelhante a um pudim de passas com cargas positivas e negativas em igual número. Os elétrons giram em torno do núcleo em determinadas órbitas. Indique a seqüência correta encontrada: a) b) c) d) e) (UFRN) Considere o diagrama a seguir, de níveis de energia para o átomo de hidrogênio: energia (I) (II) (III) (IV) n 4 3 As transições em que ocorre apenas absorção de energia são: a) I, II, III e IV. c) I e II. b) III e IV. d) I e III. 3. (Vunesp-SP) Para o elemento de número atômico 28, a configuração eletrônica é: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10. b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 4p 6. c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 4p 6 5s 2. d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8. e) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d Qual o número atômico de um átomo sabendo-se que o subnível de maior energia da sua distribuição eletrônica no estado fundamental é 4p 2? a) 30. b) 42. c) 34. d) 32. e) Os átomos dos elementos X e Y apresentam, respectivamente, apenas 1 elétron nos subníveis 3d e 4d, logo, podemos afirmar que seus números atômicos são: a) 19 e 39. c) 19 e 42. e) 11 e 26. b) 21 e 39. d) 21 e (Vunesp-SP) Um átomo tem número de massa 31 e 16 nêutrons. Qual é o número de elétrons no seu nível mais externo? a) 2. b) 4. c) 5. d) 3. e) (UFMG) Na crosta terrestre, o segundo elemento mais abundante, em massa, tem no estado fundamental a seguinte configuração eletrônica: nível 1: completo. nível 2: completo. nível 3: 4 elétrons. A alternativa que indica corretamente esse elemento é: a) Al (Z = 13). d) O (Z = 8). b) Fe (Z = 26). e) Si (Z = 14). c) N (Z = 7). 8. (OSEC-SP) O número máximo de elétrons de um átomo que apresenta elétrons distribuídos em cinco níveis de energia é: a) 106. b) 54. c) 92. d) 58. e) A configuração eletrônica de uma espécie química com número atômico 12 é: 1s 2 2s 2 2p 6 que se refere a: a) átomo. b) cátion monovalente. c) ânion monovalente. d) cátion bivalente. e) ânion bivalente.

17 70 PARTE 1 QUÍMICA GERAL 10. (Fuvest-SP) A seguir, são mostradas quatro Qual das configurações corresponde: configurações eletrônicas. a) a cada um dos átomos Cl, Mg, Ne? I 1s 2 2s 2 2p 6 b) a cada um dos íons Cl, K +, Al 3 +? II 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 III 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 (Dados os números atômicos: Cl = 17, K = 19, IV 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Al = 13, Ne = 10, Mg = 12) Material F a ç a v o c ê m e s m o Teste da chama Fio de níquel-cromo (10 cm) Prendedor de roupas (madeira) Sal de cozinha (cloreto de sódio) Observaçã o: Bicarbonato de sódio Sulfato de cobre Cal virgem (óxido de cálcio) O fio de níquel-cromo pode ser adquirido em lojas de material elétrico, enquanto as substâncias que você não tiver em casa podem ser adquiridas em lojas de material de construção ou de artigos para piscina. Procedimento Faça uma argola em uma das extremidades do fio de níquel-cromo. Essa argola tem a finalidade de reter uma pequena amostra da substância. Prenda a outra extremidade do fio no prendedor de roupas. Recolha uma pequena amostra de sulfato de cobre na argola e leve-a à chama de um bico de gás do fogão. Observe a alteração da cor da chama. argola prendedor A seguir, lave bem o fio com o auxílio de uma esponja de aço e repita a operação na seguinte ordem: a) com a cal; b) com o bicarbonato de sódio; c) com o sal de cozinha. Responda: 1. Quais são as cores observadas em cada experimento? 2. Qual o motivo da lavagem do fio após cada experimento? 3. Como você poderia explicar o aparecimento de cores diferentes, relacionando elétrons e níveis de energia? 4. Qual será a cor da chama, se você efetuar o mesmo procedimento utilizando giz branco de escola, sabendo que a sua composição é sulfato de cálcio? Esse fenômeno é empregado desde o século X pelos chineses para efeitos luminosos da queima de fogos de artifício.

18 Unidade 3 A estrutura do á tomo 71 O PRINCÍPIO DA INCERTEZA: HEISENBERG Em 1926, Werner Heisenberg ( ) demonstrou, usando os conceitos quânticos (mecânica quântica), que é impossível determinar, simultaneamente, com absoluta precisão, a velocidade e a posição de um elétron em um átomo. Este princípio, conhecido por Princípio da Incerteza, estabelece que não se pode afirmar que exista uma órbita definida para o elétron. O mais adequado é considerar que existam regiões, denominadas orbitais, em torno do núcleo nas quais é máxima a probabilidade de se encontrar o elétron. Orbital: a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron no átomo. Assim, os orbitais podem ser considerados nuvens que correspondem às regiões em que é máxima a probabilidade de encontrarmos um determinado elétron. O movimento do elétron ao redor do núcleo foi descrito por Erwin Schrödinger, em 1927, mediante equação matemática que relaciona a natureza corpuscular (partícula), a energia, a carga e a massa do elétron. As soluções numéricas para essa equação, denominadas números quânticos, permitem que cada elétron seja caracterizado pela sua quantidade de energia. Números quânticos: códigos matemáticos associados à energia do elétron. A caracterização de cada elétron no átomo é feita por quatro números quânticos: principal, secundário (ou azimutal), magnético e spin. Num mesmo átomo não existem dois elétrons com os mesmos números quânticos. 1) Principal (n) Indica o nível de energia do elétron. n = 1, 2, 3, 7 2) Secundário (l) Está associado ao subnível de energia do elétron. subnível s p d f valores de l

19 72 3) Magnético (m) PARTE 1 QUÍMICA GERAL Está associado à região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron, denominada orbital. Cada orbital comporta no máximo 2 elétrons e é representado graficamente por ou. Os orbitais estão relacionados com os subníveis; por esse motivo, os valores de m variam de l a +l. Tipo de subnível Valores de l Valores de m ou m l Quantidade de orbitais s p d 1 2 1, 0, +1 2, 1, 0, +1, +2 f 3 3, 2, 1, 0, +1, +2, Representaç ã o grá fica dos orbitais Espacialmente, os orbitais s e p apresentam o seguinte aspecto: z z z x y orbital s z z x x x x y y y y orbitais p 4) Spin (s ou m s ) Está relacionado à rotação do elétron. Esse número quântico é utilizado para distinguir os elétrons de um mesmo orbital. A um deles atribui-se arbitrariamente o valor +1/2 e ao outro, o valor 1/2. A representação gráfica dos elétrons num mesmo orbital pode ser feita de duas maneiras: sentido horário sentido anti-horário ou elétron no orbital ou elétrons no orbital

20 Unidade 3 A estrutura do á tomo Nesta unidade, adotamos como convenção particular que o primeiro elétron de um orbital será representado por uma seta para cima ( ), e o valor de seu spin será 1/2. 73 DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA EM ORBITAIS Essa distribuição deve ser feita de acordo com dois conceitos: Princípio da exclusão de Pauli Num orbital existem no máximo 2 elétrons com spins opostos. Regra de Hund Os orbitais de um mesmo subnível são preenchidos de modo que se obtenha o maior número possível de elétrons isolados (desemparelhados). Vejamos alguns exemplos de distribuição com a atribuição dos quatro números quânticos ao elétron de maior energia. n = 2 n = 2 7N 1s 2 2s 2 2p 3 m = l = 1 é o de maior energia m = +1 s = 1/2 8O 1s 2 2s 2 2p 4 m = l = 1 m = 1 s = +1/2 Exercícios 1. (Fafeod-MG) Quais são os valores dos números quânticos n e l do elétron de valência do elemento de Z = 29? n l 2. (UFSC) Indique o(s) elemento(s) químico(s) que apresenta(m) seu átomo com todos os orbitais atômicos completos em sua distribuição eletrônica fundamental. a) cloro (Z = 17); b) níquel (Z = 28); c) nitrogênio (Z = 7); d) neônio (Z = 10); e) lítio (Z = 3); f) zinco (Z = 30). a b c d e 3. (UFMT) Com base no modelo atômico da me cânica quântica, pode-se dizer que o elemen to químico X 50 tem: a) dois elétrons no subnível mais afastado do núcleo. b) três elétrons no subnível mais afastado do núcleo. c) quatro elétrons no nível mais energético. d) dois elétrons emparelhados no subnível de maior energia. e) dois elétrons desemparelhados no subnível de maior energia.

21 74 4. (UNI-RIO) Anualmente cerca de dez milhões de pilhas, além de 500 mil baterias de telefone celular, são jogadas fora na cidade do Rio de Janeiro. ( ) elas têm elementos tóxicos, como o chumbo, mercúrio, zinco e manganês, que provocam grandes problemas de saúde. (O Globo, 05/01/98). Dos quatro elementos citados, os que possuem, em sua distribuição eletrônica, elétrons desemparelhados, são: a) Pb e Zn. b) Pb e Mn. c) Hg e Pb. d) Hg e Zn. e) Zn e Mn. 5. (UFGO) Observe o diagrama a seguir: K 1s L 2s 2p M 3s 3p 3d N 4s 4p 4d 4f O 5s 5p 5d 5f P 6s 6p 6d Q 7s Sobre este diagrama, é correto afirmar-se que: a) as letras s, p, d e f representam o número quântico secundário; b) o número máximo de orbitais por subnível é igual a dois; c) a ordem crescente de energia segue a direção horizontal, da direita para a esquerda; d) o elemento de número atômico 28 possui o subnível 3d completo; e) o nível M possui, no máximo, nove orbitais. 6. (UFGO) Os diagramas, a seguir, representam distribuições eletrônicas para o átomo de nitrogênio: 2p 2s 1s I II III IV PARTE 1 QUÍMICA GERAL Considerando-se essas distribuições eletrônicas: a) I e II seguem a regra de Hund. b) III e IV obedecem ao princípio de Pauli. c) II representa a distribuição do estado fundamental. d) em I, dois elétrons possuem o mesmo conjunto de números quânticos. 7. (UFF-RJ) O Princípio de exclusão de Pauli estabelece que: a) a posição e a velocidade de um elétron não podem ser determinadas simultaneamente. b) elétrons em orbitais atômicos possuem spins paralelos. c) a velocidade de toda radiação eletromagnética é igual à velocidade da luz. d) dois elétrons em um mesmo átomo não podem apresentar os quatro números quânticos iguais. e) numa dada subcamada que contém mais de um orbital, os elétrons são distribuídos sobre os orbitais disponíveis, com seus spins na mesma direção. 8. (UECE) Considere três átomos, A, B e C. Os átomos A e C são isótopos; os átomos B e C são isóbaros e os átomos A e B são isótonos. Sabendo que o átomo A tem 20 prótons e número de massa 41 e que o átomo C tem 22 nêutrons, os números quânticos do elétron mais energético do átomo B são: a) n = 3; l = 0; ml = 2; s = 1/2. b) n = 3; l = 2; ml = 2; s = 1/2. c) n = 3; l = 2; ml = 0; s = 1/2. d) n = 3; l = 2; ml = 1; s = 1/2. e) n = 4; l = 0; ml = 0; s = 1/2. 9. (UFPI) Indique a alternativa que representa um conjunto de números quânticos permitido: a) n = 3; l = 0; m = 1; s = +1/2. b) n = 3; l = 4; m = 1; s = +1/2. c) n = 3; l = 3; m = 0; s = +1/2. d) n = 3; l = 2; m = 1; s = +1/2. e) n = 4; l = 0; m = 3; s = 1/2.