Estrutura da Matéria Prof. Fanny Nascimento Costa

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1 Estrutura da Matéria Prof. Fanny Nascimento Costa Aula 04 Elétrons Lei da eletrólise de Faraday Eletrólise Radioatividade

2 A Teoria Atômica (revisão) John Dalton A teoria de Dalton não era perfeitamente correta. Sabemos hoje em dia, por exemplo, que átomos podem ser divididos e que muitos elementos existem como misturas de dois ou mais isótopos, que são átomos de um elemento com massas ligeiramente diferentes. Nenhum destes fatos afeta, no entanto, a capacidade da teoria de explicar as leis das combinações químicas De acordo com esta teoria, uma reação química é simplesmente um rearranjo dos átomos de uma configuração para outra

3 A Descoberta das Partículas Subatômicas Nosso conhecimento atual da estrutura atômica foi construído a partir de fatos obtidos de experiências feitas por cientistas desde o século XIX. Em 1834, Michael Faraday descobriu que a passagem de corrente elétrica através de soluções em água podia causar transformações químicas, evidenciando, pela primeira vez, a natureza elétrica da matéria No mesmo século, os pesquisadores começaram a fazer experiências com tubos de descarga em gases

4 Os gases são condutores ou isolantes? Um gás pode ser condutor ou isolante, dependendo da sua pressão, da distância entre os eletrodos e da diferença de potencial existente entre eles Essa é uma diferença entre o comportamento de um gás e o de um metal. O metal sempre é condutor: por menor que seja a diferença de potencial entre seus extremos, passa por ele um corrente elétrica.

5 Condição para que um gás seja condutor: ionização O íon de um gás pode ser formado por fontes externas de energia como radiação (luz), feixes de elétrons energéticos colidindo com os átomos, descargas elétricas ou então pelo aquecimento do gás. Qualquer um destes processos faz com que elétrons sejam arrancados dos átomos, permitindo que as cargas positivas (íons) e as negativas (elétrons) se movam livremente

6 Descargas nos gases rarefeitos (Tubo de Geissler) Gases, de um modo geral, não conduzem corrente elétrica quando à pressão ambiente. No entanto, no século XIX, os trabalhos de Henrich Geissler (1859), Johann Hittorf (1869) e William Crookes (1886) mostraram experimentalmente que, quando submetidos a baixas pressões, os gases podem se tornar condutores elétricos

7 Descargas nos gases rarefeitos (Tubo de Geissler) A cor dessa luminosidade depende do gás residual usado (gás residual é o gás que resta quando diminui a pressão interna). Vejamos alguns exemplos de tubos de raios catódicos no nosso cotidiano: - Luminosos de neon: onde o gás residual é o neônio. São usados em letreiros comerciais e abajures - Lâmpadas de sódio: o gás residual é o vapor de sódio, que confere uma luz amarela característica. São usadas na iluminação de vias públicas e de túneis - Lâmpadas fluorescentes de mercúrio: utilizam vapor de mercúrio, que emite luz violeta e ultravioleta. O tubo é revestido com uma tinta especial (fluorescente) cuja função é absorver a luz emitida e reemiti-la como luz branca. São usadas em residências, escritórios e algumas vias públicas - Tubo de imagem da televisão: é um tubo de alto vácuo que, com mudanças complexas, é capaz de dar origem às imagens na tela

8 Aspecto da descarga A pressão do gás A natureza do gás Descargas nos gases a alta pressão: Nos gases a alta pressão, os íons iniciais são formados quase que totalmente pela atração de elétrons das moléculas do gás situadas próximas do anodo

9 Raios Catódicos A luminescência esverdeada que aparece na parede do tubo de Crookes sempre aparece no lado oposto ao catodo, em frente a este. Quando este fenômeno foi descoberto, deu-se o nome muito vago de raios catódicos a essa coisa que saía do catodo, isso porque sua natureza era inteiramente desconhecida Os elétrons do vidro emitem então, onda eletromagnética cujo comprimento de onda está nos limites da luz, isto é, onda eletromagnética visível

10 Raios Catódicos No gás a baixa pressão, há um número relativamente grande de moléculas, de maneira que a descarga é formada pelo movimento de íons do gás para o catodo, e elétrons para o anodo. Durante a ionização do gás se produz luz, e é por este motivo que nessas descargas há um feixe luminoso do anodo ao catodo (Tubos de Geissler) Na descarga no vácuo, o número de moléculas de gás que resta no interior do tubo é insignificante, de maneira que o número de íons formados também é insignificante, e não chega a se formar a corrente de íons como no caso anterior. Neste caso, a corrente elétrica no interior do tubo é constituída somente por elétrons que são arrancados do catodo e atraídos pelo anodo, isto é, raios catódicos. E como não há formação de íons, não há produção de luz no interior do tubo, e não há feixe luminoso entre o catodo e o anodo. (Tubo de Crookes)

11 A descoberta da estrutura atômica Os gregos antigos foram os primeiros a postular que a matéria é constituída de elementos indivisíveis (do grego, a = não; tomo = divisão) Mais tarde, os cientistas constataram que o átomo era constituído de entidades carregadas Raios catódicos e elétrons Um tubo de raios catódicos (CRT) é um recipiente profundo com um eletrodo em cada extremidade Uma alta voltagem é aplicada através dos eletrodos

12 A descoberta da estrutura atômica Raios catódicos e elétrons A voltagem faz com que partículas negativas se desloquem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um campo magnético Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo através de um pequeno orifício Se eles interagirem com um campo magnético perpendicular a um campo elétrico aplicado, os raios catódicos podem sofrer diferentes desvios

13 A descoberta da estrutura atômica Raios catódicos e elétrons A quantidade de desvio dos raios catódicos depende dos campos magnético e elétrico aplicados Por sua vez, a quantidade do desvio também depende da proporção carga-massa do elétron Em 1897, Thomson determinou que a proporção cargamassa de um elétron é 1,76 x 10 8 C/g Objetivo: encontrar a carga no elétron para determinar sua massa

14 A descoberta da estrutura atômica Raios catódicos e elétrons

15 Experimento de J.J. Thomson e a descoberta do elétron em 1897 Thomson mostrou que os raios catódicos eram formados por partículas, menores e mais leves que do que os átomos e todas aparentemente idênticas. Ele criou feixes bem estreitos e mediu o seu desvio na presença de campos elétricos e campos magnéticos. Podemos imaginar que o valor do desvio vai depender de três quantidades: a massa da partícula, a rapidez dela e de sua carga. sites.google.com/site/alyssonferrari

16 Experimento de J.J.Thomson Aceleração de elétrons por um campo elétrico muito forte Deflexão de elétrons por um campo elétrico ajustável Medida da deflexão total da trajetória do raio catódico Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

17 Experimento de J.J.Thomson 1º PASSO: aceleração. O campo elétrico de aceleração dá velocidade ao elétron, graças à força elétrica. sites.google.com/site/alyssonferrari

18 Experimento de J.J.Thomson \ 2º PASSO: deflexão. O campo elétrico aplicado provoca uma força perpendicular ao movimento do elétron. sites.google.com/site/alyssonferrari

19 Experimento de J.J.Thomson y 1 : movimento perpendicular durante a deflexão sites.google.com/site/alyssonferrari

20 Experimento de J.J.Thomson y 2 : movimento perpendicular após a deflexão Após a deflexão, o elétron continua andando em linha reta. sites.google.com/site/alyssonferrari

21 Experimento de J.J.Thomson y 1 + y 2 deflexão total

22 Experimento de J.J.Thomson y, l e L podem ser facilmente medidos o campo elétrico E pode ser ajustado, e portanto seu valor também é conhecido. mas como determinar v? Thomson aplicou um campo magnético perpendicular. Pela regra da mão direita, este campo provoca uma força magnética para cima numa partícula de carga negativa que se move para a direita. sites.google.com/site/alyssonferrari

23 Experimento de J.J.Thomson Thomson então ajustou o campo Elétrico E até que a força elétrica para baixo cancelasse exatamente a força magnética para cima, de forma que não houvesse deflexão. sites.google.com/site/alyssonferrari

24 Experimento de J.J.Thomson Com estas duas fórmulas, Thomson foi capaz de determinar experimentalmente a razão carga/massa da partícula negativa da qual os raios catódicos são feitos. Thomson encontrou que Os valores atuais que temos para a razão é Thomson, repetiu o experimento para diferente gases e provou que os corpúsculos que formavam os raios catódicos tinham carga negativa e uma massa aproximadamente vezes menor que a do átomo mais leve e eram parte integrante de todos os átomos. sites.google.com/site/alyssonferrari

25 Experimento de Millikan O próximo a investigar as propriedades do elétron foi Robert Millikan em 1909, que conseguiu medir o valor da carga do elétron. Medindo a carga do elétron, e usando a razão e/m determinada por Thomson, Milikan também possibilitou determinar a massa dos elétrons. Millikan recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por seus experimentos, que estabeleceram definitivamente o elétron como uma partícula elementar da natureza. sites.google.com/site/alyssonferrari

26 A descoberta da estrutura atômica Raios catódicos e elétrons

27 Experimento de Millikan 1. Gotas de óleo são borrifadas sobre uma chapa inicialmente neutra. campo elétrico 2. Durante a queda, as gotas alcançam uma velocidade terminal, que tem que ser medida observando a queda por um pequeno telescópio. sites.google.com/site/alyssonferrari

28 Experimento de Millikan Velocidade Terminal Qualquer corpo em queda sente pelo menos duas forças: F a 1. a força peso 2. uma força de resistência do ar, proporcional à velocidade. P = mg Durante a queda, a velocidade aumenta até que a força de resistência se torna igual ao peso. Deste ponto em diante, o corpo cai com esta velocidade terminal constante. P = F a v 1 = mg b mg = bv sites.google.com/site/alyssonferrari

29 Experimento de Millikan 1. Velocidade terminal 2. (campo elétrico desligado) v 1 = mg b campo elétrico Ligando um campo elétrico para baixo, as gotas carregadas negativamente sentem uma força para cima que se opõe ao peso. A equação para a velocidade terminal modifica-se: mg = bv + qe v 2 = mg qe b sites.google.com/site/alyssonferrari

30 Experimento de Millikan Elimina-se b entre as duas equações: v 1 = mg b v 2 = mg qe b Isola-se a carga da gota q: q = mg Ev 1 v 1 v2 v 2 = mg qe mg v 1 A partir desta fórmula, Millikan conseguiu mostrar que, para todas as gotas de óleo observadas, o valor de q era sempre um múltiplo inteiro de uma carga elementar, que corresponde à carga de um elétron: e = 1, C Com este valor para e, Millikan também pode calcular a massa do elétron: m = 9, g sites.google.com/site/alyssonferrari

31 Eletrólise Eletrólise de soluções aquosas As reações não espontâneas necessitam de uma corrente externa para fazer com que a reação ocorra As reações de eletrólise são não espontâneas Nas células voltaicas e eletrolíticas: a redução ocorre no catodo; a oxidação ocorre no anodo; No entanto, em células eletrolíticas, os elétrons são forçados a fluir do anodo para o catodo.

32 Eletrólise Eletrólise de soluções aquosas Nas células eletrolíticas, o anodo é positivo e o catodo é negativo. Num experimento de eletrólise, uma corrente elétrica aplicada sobre uma solução iônica, por exemplo de Cloreto de Sódio dissolvido em água. O trânsito de elétrons pela corrente faz com que ocorra um depósito de Sódio sobre o cátodo, e a liberação de Cloro gasoso no ânodo. O que acontece é que elétrons são cedidos pelos íons de Cl - no ânodo, transportados até o cátodo, onde são cedidos aos íons de Na +.

33 Eletrólise Eletrólise de soluções aquosas Exemplo: a decomposição de NaCl fundido Catodo: 2Na + (l) + 2e - 2Na(l) Anodo: 2Cl - (l) Cl 2 (g) + 2e - Industrialmente, a eletrólise é usada para produzir metais como o Al.

34 Aspectos quantitativos da eletrólise Queremos saber a quantidade de material que obtemos com a eletrólise Considere a redução do Cu 2+ a Cu Cu 2+ (aq) + 2e - Cu(s) Eletrólise 2 mol de elétrons se depositarão em 1 mol de Cu A carga de 1 mol de elétrons é C (1 F) Uma vez que Q = It, a quantidade de Cu pode ser calculada pela corrente (I) e tempo (t) levado para a deposição

35 Lei de Faraday para a eletrólise Lei de Faraday para a eletrólise: A quantidade de produto formado ou do reagente consumido por uma corrente elétrica é estequiometricamente equivalente à quantidade de elétrons fornecidos

36 Aspectos Quantitativos da Eletrólise Para determinar a quantidade de elétrons fornecida por uma determinada carga, usamos a constante de Faraday, F, a quantidade de carga por mol de elétrons, como fator de conversão. Como a carga fornecida é nf, em que n é o número de elétrons e Q = nf, segue-se que: n = Q/F = I x t / F A constante de Faraday é a magnitude da carga elétrica por mols de elétrons F = N A x e onde: N A = 6, mol -1, e = 1, C

37 Preparando o caminho para a descoberta do núcleo atômico O conhecimento do núcleo atômico teve início com a descoberta acidental da radioatividade em 1986, que foi baseado por sua vez na descoberta dos raios X dois meses antes. Tempos depois da descoberta da radioatividade, ficou evidente que ela era um fenômeno que acontecia no núcleo atômico. Antes do início do século XX, Wilhelm Roentgen descobriu um novo tipo de raio, produzido por um feixe de raios catódicos (que como vimos, mais tarde se descobriu que era formado por elétrons). Ele os denominou raios X, por sua natureza desconhecida. Roentgen descobriu que os raios X: Podiam atravessar materiais sólidos; Podiam ionizar o ar; Não sofriam reflexão no vidro; Não eram defletidos por campos magnéticos. sites.google.com/site/alyssonferrari

38 Os Raios -X Hoje sabemos que os raios X são ondas eletromagnéticas de altíssima frequência (e energia). Roentgen percebeu que os raios X podiam atravessar vários materiais, inclusive tecidos. Colocando a mão da esposa entre a fonte de raios X e um filme fotográfico, ele conseguiu produzir a primeira radiografia da história! Mesmo antes de se compreender a natureza dos raios X, sua utilidade na medicina ficou evidente. Roentgen ganhou o 1º Prêmio Nobel da história, em sites.google.com/site/alyssonferrari

39 Radioatividade Dois meses depois de Roentgen ter descoberto os raios X, Henri Becquerel acidentalmente descobriu um material que emitia raios X espontaneamente. Ele envolveu uma porção de um sal de urânio num papel preto para protegê-lo da luz, e o guardou numa gaveta sobre um filme fotográfico. Dias mais tarde, revelando este filme, ele descobriu que o material havia emitido raios X, que atravessaram o papel preto e marcaram o filme. Nos próximos anos, vários outros elementos radioativos foram descobertos: tório, actínio, polônio e rádio. Estes últimos foram descobertos por Marie e Pierre Curie. Maria Curie foi a primeira mulher a ganhar um prêmio Nobel, e a primeira pessoa a ganhar um Nobel de Física e um de Química. sites.google.com/site/alyssonferrari

40 Radiações alfa, beta e gama Hoje sabemos que todos os elementos com número atômico maior que 82 (chumbo) são radioativos. Eles emitem três diferentes espécies de radiação, que receberam a denominação: alfa, beta e gama. Os raios alfa possuem carga elétrica positiva. Os raios beta possuem carga elétrica negativa. Os raios gama não possuem carga elétrica. A natureza diferente destes raios é evidente quando eles atravessam um campo magnético. sites.google.com/site/alyssonferrari

41 Radiações alfa, beta e gama Os raios alfa são carregados positivamente e pesados (defletem pouco num campo magnético). Na verdade, são núcleos de hélio (2p e 2n). Os raios beta são carregados negativamente e leves (defletem bastante num campo magnético). São elétrons emitidos por materiais radioativos. Os raios gama são radiação eletromagnética, logo são neutros. Sua frequência (e energia) é ainda maior que a do raios X, logo tem poder penetrante ainda maior. Devido a sua natureza (carga e massa) raios alfa são facilmente absorvidos pela matéria. Raios beta tem maior poder de penetração. Raios gama podem atravessar a maioria dos materiais, tendo altíssimo poder de penetração. sites.google.com/site/alyssonferrari

42 Radiações alfa, beta e gama Raios gama são radiação eletromagnética não carregam carga elétrica, carregam apenas energia. Ou seja, um núcleo que emite radiação gama continua mantendo sua identidade. Uma partícula alfa, contudo, é um núcleo de Hélio (2p + 2n), logo o núcleo ao emitir uma partícula alfa muda sua identidade. Como o número total de prótons e nêutrons é preservado, contudo, podemos escrever equações de reações nucleares. Um átomo de Rádio (Ra) tem 88 prótons, e um de seus isótopos tem 138 neutrons, de forma que o número de massa do isótopo é 226. Escrevemos: nº de massa (prótons + neutrons) nº de prótons Ao emitir uma partícula alpha, o Rádio perde dois prótons e 2 neutrons, logo fica com 86 prótons e número de massa 222. Isso corresponde a um isótopo do Radônio, um elemento químico diferente! Partícula alfa sites.google.com/site/alyssonferrari

43 Radioatividade Lembre-se: o que dá a identidade química de um elemento é o seu número de prótons (ou número atômico). diferentes números de massa mesmo número de massa elementos químicos diferentes elementos químicos diferentes diferentes números de massa Dois isótopos de um mesmo elemento químico. mesmo elemento químico sites.google.com/site/alyssonferrari

44 Radioatividade Isso significa que uma equação como essa, representa a transformação de um elemento químico (Rádio) em outro (Radônio): transmutação de elementos. A transformação de elementos químicos era um dos sonhos dos alquimistas, que foram precursores de muitos conhecimentos e técnicas que foram sistematizadas no que conhecemos como química hoje. A radiação beta corresponde a transformação de um nêutron em um próton, emitindo um elétron (partícula beta): A radiação beta também muda a natureza do elemento emissor. Existe também uma radiação beta positiva, que emite um pósitron (anti-elétron, com carga positiva). Toda radiação beta também implica na emissão de neutrinos, que são partículas sem carga e praticamente sem massa, e que não precisam ser levadas em conta nessa descrição simples das transmutações radiativas... sites.google.com/site/alyssonferrari

45 Considere uma certa amostra de um material radiativo, por exemplo Rádio. Suponha que inicialmente tenhamos N 0 átomos de Rádio nesta amostra. Se você observar a amostra com um contador de radiação, verá que átomos de rádio estão continuamente sofrendo decaimento para átomos mais estáveis. Este processo não é regular ou periódico, na verdade, o intervalo entre decaimentos é aleatório. Não há como prever exatamente quando um determinado átomo de Rádio vai decair. Esta não é uma limitação simples da nossa ignorância: as leis fundamentais da Mecânica Quântica, que contam este processo, afirmam que o decaimento é efetivamente aleatório. O que é certo é que, conforme o tempo passa, os átomos de Rádio vão decaindo, então o número de átomos de rádio num certo instante de tempo t, chamado de N(t), vai decrescendo continuamente... sites.google.com/site/alyssonferrari Radioatividade O número de decaimentos por segundo é proporcional ao número de átomos de Rádio presentes na amostra num determinado instante

46 Radioatividade Resolvendo a equação: Encontramos que: Isso significa que o número de átomos de Rádio presentes na amostra decai exponencialmente com o tempo. sites.google.com/site/alyssonferrari

47 Radioatividade Com essa solução em mãos, podemos também determinar quanto tempo demora para que metade dos átomos de rádio tenham decaído. Este tempo é chamado de meia-vida: Cancelando os fatores comuns N 0 e simplificando: Tirando logaritmo dos dois membros da equação: Encontramos assim uma fórmula relacionando a meia-vida com a constante λ que aparece na equação. sites.google.com/site/alyssonferrari

48 Radioatividade Meia vida de alguns elementos: Carbono-11 Carbono-14 Cálcio-41 Urânio ,3 minutos anos 1,02 x 10 5 anos 4,51 x 10 9 anos

49 Bibliografia - Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge, Química: A Ciência Central, Cap. 2, 3 e 4, 9ª. Edição, Pearson Education do Brasil, P. Atkins L. Jones, Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente, Cap. 12, 3ª. Edição, Bookman, 2005.