PARTÍCULAS ELEMENTARES e INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

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1 BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA PARTÍCULAS ELEMENTARES e INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS Crédito: Sprace Professor Hugo B. Suffredini hugo.suffredini@ufabc.edu.br Site:

2 BIK0102 Estrutura da Matéria PARTÍCULAS ELEMENTARES Você deve conhecer, do ensino médio, o átomo de Rutherford. Os elétrons, até onde conhecemos hoje, são partículas elementares. ( elementar = indivisível ) O núcleo é composto por prótons e neutrons que, por sua vez, não são elementares. quark up próton neutron quark down Prótons e neutrons contem partículas menores chamadas quarks. Os quarks são, até onde sabemos, elementares. Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

3 BIK0102 Estrutura da Matéria PARTÍCULAS ELEMENTARES Partículas Elementares

4 BIK0102 Estrutura da Matéria 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, com equipamentos resfriados a hélio líquido a uma temperatura de C Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

5 BIK0102 Estrutura da Matéria PARTÍCULAS ELEMENTARES Resumo: 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. Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

6 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES FORÇA INTERAÇÃO interação (s. f.) 1. Influência recíproca de dois ou mais elementos. 2. Psicol. Fenômeno que permite a certo número de indivíduos constituir-se em grupo, e que consiste no fato de que o comportamento de cada indivíduo se torna estímulo para outro. 3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre duas partículas. fonte: Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

7 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES Interações de contato: exigem um contato direto entre os corpos envolvidos. Interações de campo: agem mesmo que não sem contato direto entre os corpos envolvidos. Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra.

8 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) PUXÕES EMPURRÕES ATRITO... INTERAÇÃO GRAVITACIONAL interações de contato interações de campo FORÇAS ELÉTRICAS FORÇAS MAGNÉTICAS

9 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES 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 unam 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 se juntem. Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

10 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES Portanto, 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. 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. Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

11 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES 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 FORÇAS COMO PUXÕES EMPURRÕES ATRITO... não são elementares, mas sim resultados de interações eletromagnéticas. Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

12 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

13 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS 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 Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari FORÇA NUCLEAR FRACA

14 BIK0102 Estrutura da Matéria FORÇAS ELEMENTARES LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA INTERAÇÃO NUCLEAR FRACA INTERAÇÃO NUCLEAR FORTE 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. Mas a lista pode ser ainda menor! Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari

15 BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA Crédito: Sprace HIPÓTESE ATÔMICA

16 Estados da matéria 16

17 Hipótese Atômica O conceito de átomo antecede a ciência moderna: Origem na antiga Grécia Discussão da divisibilidade de matéria A partir do século XVII avanços da ciência na explicação de fenômenos naturais metodologia científica

18 Hipótese na Antiquidade No séc. V e III a.c., conjecturou-se que a matéria seria composta de partículas minúsculas e indestrutíveis que caminham no vazio (vácuo). O filósofo grego Demócrito no século VI a. c. propôs a hipótese de que a matéria é composta de átomos, partículas muito pequenas, indivisíveis, indistingüíveis e eternas. As diferentes propriedades da matéria viriam dos diferentes tipos de arranjos que essas partículas fariam para compor o objeto. Demócrito Leucipo Epicuro Os átomos de Várias formas

19 Conceito de elementos Boyle define elementos como sendo certos corpos não formados por quaisquer outros corpos, ou seja, são ingredientes dos quais todos os corpos são feitos.

20 Origens da Teoria Atômica e da Química Evolução da química: estudos qualitativos ciência exata, estudos quantitativos. Séc. XVIII: contribuição de Lavoisier para a sistematização e quantificação da química. Lavoisier: um elemento químico é a menor porção de uma substância que ainda apresenta as mesmas propriedades químicas e não pode ser subdividido e outros elementos.

21 Bases Experimentais para a Teoria Atômica 1) Lei da conservação das massas 2) Lei das proporções definidas 3) Lei das proporções múltiplas

22 Lei da Conservação de Massas A massa total é a mesma antes e após uma reação química. Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma. CH O 2 CO H 2 O A conservação de massas é compatível com a idéia de que a matéria é composta por unidades básicas (átomos), que não são criados e nem destruídos durante uma transformação química, e sim apenas rearranjados.

23 Modelo Atômico de Dalton (1808) Toda substância é composta de pequenas partículas indivisíveis chamadas átomos.

24 Modelo Atômico de Dalton (1808) Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam as mesmas propriedades. Átomos de diferentes elementos químicos têm propriedades químicas diferentes. Durante uma reação química, nenhum átomo de determinado elemento desaparece ou se transforma em um átomo de outro elemento. Os átomos apenas se reagrupam (lei da conservação de massas). Formam-se substâncias compostas quando se combinam átomos distintos de mais de um elemento. Num dado composto químico, os números relativos de átomos de cada elemento são definidos e constantes e podem expressar-se como inteiros ou frações simples (lei das proporções definidas e múltiplas).

25 Lei das Combinações Volumétricas Lei de Gay-Lussac: a pressão e temperatura constantes, os volumes de gases que se combinam quimicamente guardam entre si proporções simples. 2m³ de gás hidrogênio + 1m³ de gás oxigênio 1m³ de gás nitrogênio + 3 m³ de gás hidrogênio = 2m³ de vapor de água = 2m³ de vapor de amônia 1m³ de gás hidrogênio + 1m³ de gás cloro = 2m³ de cloreto de hidrogênio

26 Quantidade de Matéria e o Conceito de mol 1 mol de átomos = 6, átomos constante de Avogadro (número de átomos presentes em 12 g de 12 C) Unidades Básicas do Sistema Internacional

27 1 mol de Átomos de Diversos Elementos 1 mol de átomos = 6, átomos C 12 g S 32 g Cu 64 g Pb 207 g Hg 201 g Número de grãos de areia numa quadra de vôlei de praia: ~

28 Estequiometria Relações de massa entre os componentes de uma reação química: CH O 2 CO H 2 O 1 mol 2 mol 1 mol 2 mol 16 g 2 32 g 44 g 2 18 g massa dos reagentes: 80 g massa dos produtos: 80 g CONSERVAÇÃO DE MASSA

29 Equações Químicas hidrogênio + oxigênio água 1 passo: representação de átomos e moléculas envolvidos na reação H + O H 2 O H 2 + O 2 H 2 O CORRETO: INCORRETO: as substâncias hidrogênio e oxigênio não são formadas por átomos isolados, e sim por moléculas diatômicas porém ainda incompleto (falta o balanceamento)

30 Equações Químicas hidrogênio + oxigênio água 2 passo: balanceamento da equação (encontrar a proporção entre os componentes, de modo que nenhum átomo seja criado nem destruído durante a reação química) H 2 + O 2 H 2 O 2 2 H 2 + O 2 2 H 2 O INCORRETO: H 2 O 2 representa a substância peróxido de hidrogênio, e não água H 2 + ½ O 2 H 2 O CORRETOS H 2 O 2 2 H 2 O

31 Exemplo: Produção de Ferro? Fe 2 O 3 +? C? Fe +? CO 2 Qual a massa de ferro metálico que pode ser obtida de 1 t de minério? Massas molares: Fe (56 g/mol), C (12 g/mol), O (16 g/mol)

32 Elemento Químico: Conceito Atual (IUPAC) 1. Espécie de átomos, todos os átomos com o mesmo número de prótons no núcleo. 2. A substância química pura constituída por átomos com o mesmo número de prótons no núcleo. Às vezes, este conceito é chamado de substância elementar, distinta do conceito de elemento químico tal como definido no ítem 1. Usualmente, o termo elemento químico é usado para ambos os conceitos.

33 Substância Química Matéria de composição constante, caracterizada pelas entidades (moléculas, unidades de fórmula, átomos) de que é constituída. Propriedades físicas, como densidade, índice de refração, condutividade elétrica, ponto de fusão, etc caracterizam a substância química. Substâncias simples: formadas por átomos do mesmo elemento. Substâncias compostas: formadas por dois ou mais elementos

34 Mistura Formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo denominada componente. Como as misturas apresentam composição variável, têm propriedades como ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade diferentes daquelas apresentadas pelas substâncias quando estudadas separadamente.

35 Imagens: Química volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform. Mistura Composição do ar: gás nitrogênio (N 2 ) = 78%; gás oxigênio (O 2 ) = 21%; gás argônio (Ar) = 1%; gás carbônico (CO 2 ) = 0,03%.

36 Tipos de Misturas Fase: cada uma das porções que apresenta aspecto visual homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não, mesmo quando observado ao microscópio comum.

37 Tipos de Misturas Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase As misturas homogêneas são chamadas soluções. Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool hidratado, pinga, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e algumas ligas metálicas. Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são sempre misturas homogêneas.

38 Tipos de Misturas Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases Alguns exemplos: água e óleo, areia, granito, madeira, sangue, leite, água com gás. As misturas formadas por n sólidos apresentam n fases, desde que estes sólidos não formem uma liga ou um cristal misto.

39 Imagens: Química volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform. Tipos de Misturas Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases

40 Soluções versus Colóides/Suspensões açúcar + água: moléculas individuais dispersas no solvente tamanho das partículas: ordem de 0,1 1 nm (moléculas pequenas) óleo + sabão + água: aglomerados de moléculas de óleo (pequenas gotas) dispersas em água COLÓIDES E SUSPENSÕES tamanho das gotas: ordem de 1 nm 1 m

41 Efeito Tyndall

42 espalhamento de luz Efeito Tyndall

43 Vídeo:

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46 Mais informações: Vídeo:

47 PARA CASA: A ferrugem é uma mistura de dois compostos de ferro. Em uma peça de ferrugem foram analisados esses dois compostos e verificaram-se dois arranjos possíveis de ferro, oxigênio e hidrogênio: (1) com 52.12% de ferro, 45.04% de oxigênio e 2.84% de hidrogênio; (2) com 62.20% de ferro, 35.73% de oxigênio e 2.25% de hidrogênio (porcentagens de massa!). Identifique os compostos químicos e diga como esses dados estão relacionados com a lei das proporções múltiplas Massas molares em g/mol: Fe (56); O (16), H (1)