Profª.. Carla da Silva Meireles

Transcrição

1 Estrutura eletrônica dos átomos Profª.. Carla da Silva Meireles

2 O que fazem os elétrons? Como eles se mantém em órbita? As leis da física eram insatisfatórias para descrever movimento de partículas tão pequenas quanto os átomos. Bohr propôs a elucidação da estrutura atômica pelo estudo da natureza da luz emitida pelas substâncias a temperatura alta ou sob influência de descarga elétrica

3 Radiação eletromagnética tica Radiação eletromagnética- luz, microondas, sinais de rádio, raios-x Luz visível- ondas em movimento PROPRIEDADES DAS ONDAS Todas as ondas têm um comprimento de onda característico, λ, e uma amplitude, A. A frequência, ν, de uma onda é o número de ciclos que passam por um ponto em um segundo. A velocidade de uma onda, v, é dada por sua frequência multiplicada pelo seu comprimento de onda. Para a luz, velocidade = c = 2,99x10 8 m.s -1.

4 Natureza ondulatória da luz

5 Natureza ondulatória da luz

6 Natureza ondulatória da luz

7 Natureza ondulatória da luz

8 Planck, Einstein, energia e fótons Planck: a energia só pode ser liberada (ou absorvida) por átomos em certos pedaços de tamanhos mínimos, chamados quantum. A relação entre a energia e a frequência é E= hν onde h é a constante de Planck (6, J s). Para entender a quantização, considere a subida em uma rampa versus a subida em uma escada: Para a rampa, há uma alteração constante na altura, enquanto na escada há uma alteração gradual e quantizada na altura.

9 Energia quantizada e fótons Einstein supôs que a luz trafega em pacotes de energia denominados fótons. A energia de um fóton: ν E = h = hc λ À medida que frequência aumenta, energia aumenta À medida que comprimento de onda aumenta, energia diminui

10 Espectros de linhas e o modelo de Bohr O modelo de Bohr Rutherford supôs que os elétrons orbitavam o núcleo da mesma forma que os planetas orbitam em torno do sol. Entretanto, uma partícula carregada movendo em uma trajetória circular deve perder energia. Isso significa que o átomo deve ser instável de acordo com a teoria de Rutherford.

11 O Comportamento ondulatório da matéria Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória. Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie mostrou: λ= h mv O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquantoλéuma propriedade ondulatória. de Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas, com efeitos notáveis se os objetos são pequenos.

12 Considere uma bola (0,150 Kg) se movendo a 41,6 m/s λ= 34 6,626x10 J / s (0,150Kg)(41,6m / s) J = Kgm 2 s 2 λ= ,626x10 Kgm s / s (0,150Kg)(41,6m / s) = 1,06x10 34 m Indetectável Um elétron na mesma velocidade: λ= 34 6,626x10 J / s 31 (9,109x10 Kg)(41,6m / s) J = Kgm 2 s 2 λ= 6,626x10 (9,109x Kgm s / s Kg)(41,6m / s) = 1,75x10 5 m Região IV

13 O Comportamento ondulatório da matéria O princípio da incerteza O princípio da incerteza de Heisenberg: na escala de massa de partículas atômicas, não podemos determinar exatamente a posição, a direção do movimento e a velocidade simultaneamente. Para os elétrons: não podemos determinar seu momento e sua posição simultaneamente. Nova abordagem da estrutura atômica leva em conta natureza ondulatória do elétron, seu comportamento é descrito em termos apropriados para ondas. Modelo descreve precisamente a energia do elétron e define sua localização em termos de probabilidades.

14 Mecânica quântica e orbitais atômicos Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula. A resolução da equação leva às funções de onda. A função de onda fornece o contorno do orbital eletrônico. O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo.

15 Mecânica quântica e orbitais atômicos

16 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos Se resolvermos a equação de Schrödinger, teremos as funções de onda e as energias para as funções de onda. Chamamos as funções de onda de orbitais. A equação de Schrödinger necessita de três números quânticos: 1. Número quântico principal, n. Este é o mesmo n de Bohr. À medida que n aumenta, o orbital torna-se maior e o elétron passa mais tempo mais distante do núcleo.

17 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos 2. O número quântico azimuthal, l. Esse número quântico depende do valor de n. Os valores de l começam de 0 e aumentam até n -1. Normalmente utilizamos letras para l (s, p, d e f para l = 0, 1, 2, e 3). Geralmente nos referimos aos orbitais s, p, d e f. 3. O número quântico magnético, m l. Esse número quântico depende de l. O número quântico magnético tem valores inteiros entre -l e +l. Fornecem a orientação do orbital no espaço. Conjunto de orbitais com mesmo valor de n nível eletrônico Mesmo valor de n e l- subnível (n=3 e l=2, orbitais 3d e subnível 3d)

18 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos

19 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos Os orbitais podem ser classificados em termos de energia para produzir um diagrama de Aufbau. Observe que o seguinte diagrama de Aufbau é para um sistema de um só elétron. À medida que n aumenta, o espaçamento entre os níveis de energia torna-se menor.

20 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos

21 Mecânica quântica e orbitais atômicos Orbitais e números quânticos

22 Representações dos orbitais Orbitaiss Todos os orbitais s são esféricos. À medida que n aumenta, os orbitais s ficam maiores.

23 Representações dos orbitais Orbitaisp Existem três orbitais p, p x, p y, e p z. Os três orbitais p localizam-se ao longo dos eixos x-, y- e z- de um sistema cartesiano. As letras correspondem aos valores permitidos de m l, -1, 0, e +1. Os orbitais têm a forma de halteres. À medida que n aumenta, os orbitais p ficam maiores. Todos os orbitais p têm um nó no núcleo.

24 Representações dos orbitais Orbitaisp

25 Representações dos orbitais Orbitaisde f Existem cinco orbitais d e sete orbitais f. Três dos orbitais d encontram-se em um plano bissecante aos eixos x-, y- e z. Dois dos orbitais d se encontram em um plano alinhado ao longo dos eixos x-, y- e z. Quatro dos orbitais d têm quatro lóbulos cada. Um orbital d tem dois lóbulos e um anel.

26 Representações dos orbitais

27 Spin eletrônico Elétron comporta-se como se tivesse uma rotação, como a Terra. A descrição completa de um eletron em um átomo requer quatro números quânticos: n, l, m l, m s

28 Princípio da exclusão de Pauli Spin eletrônico é quantizado, definimos m s = número quântico de rotação = ± ½. O princípio da exclusão de Pauli: dois elétrons não podem ter a mesma série de 4 números quânticos. Portanto, dois elétrons no mesmo orbital devem ter spins opostos.

29 Configurações eletrônicas Regra de Hund As configurações eletrônicas nos dizem em quais orbitais os elétrons de um elemento estão localizados. Três regras: - Os orbitais são preenchidos em ordem crescente de n. - Dois elétrons com o mesmo spin não podem ocupar o mesmo orbital (Pauli). - Os elétrons preenchem cada orbital isoladamente antes de qualquer orbital receber um segundo elétron (regra de Hund).

30 Atribuição dos elétrons

31 Configuração eletrônica dos átomos Notação spdf H: 1s 1 Li: 1s 2 2s 1 Be: 1s 2 2s 2 B: 1s 2 2s 2 2p 1 C: 1s 2 2s 2 2p 2 N: 1s 2 2s 2 2p 3 O: 1s 2 2s 2 2p 4 Notação orbitais em caixa H: Li: Be: B: C: N: O:

32 Configuração eletrônica dos íons Para formar um cátion a partir de um átomo neutro, um ou mais elétrons de valência são removidos: Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Na + : [1s 2 2s 2 2p 6 ]+ e- Átomos e íons com elétrons desemparelhados são paramagnéticos (podem ser atraídos por um campo magnético). Do contrário são ditos diamagnéticos

33 Configurações eletrônicas Configurações eletrônica condensadas O neônio tem o subnível 2p completo. O sódio marca o início de um novo período. Logo, escrevemos a configuração eletrônica condensada para o sódio como Na: [Ne] 3s 1 [Ne] representa a configuração eletrônica do neônio. Elétrons mais internos: os elétrons no [Gás Nobre]. Elétrons de valência: os elétrons fora do [Gás Nobre].

34 Configurações eletrônicas e a tabela periódica A tabela periódica pode ser utilizada como um guia para as configurações eletrônicas. O número do período é o valor de n. Os grupos 1A e 2A têm o orbital s preenchido. Os grupos 3A -8A têm o orbital p preenchido. Os grupos 3B -2B têm o orbital d preenchido. Os lantanídeos e os actinídeos têm o orbital f preenchido.

35 Configurações eletrônicas e a tabela periódica

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37 Configurações eletrônicas Metais de transição Depois de Ar, os orbitais d começam a ser preenchidos. Depois que os orbitais 3d estiverem preenchidos, os orbitais 4p começam a ser preenchidos. Metais de transição: são os elementos nos quais os elétrons d são os elétrons de valência.

38 Exercícios 1- Dê a configuração eletrônica do enxofre, usando as notações spdf, do gás nobre e de orbitais em caixas. Z=16 2- Dê a configuração eletrônica do cobre, e dos seus íons +1 e +2. Algum desses é paramagnético? Quantos elétrons desemparelhados há em cada um deles? Z=29 3- Utilizando a configuração eletrônica condensada para elétrons mais internos e de quadrículas para elétrons de valência, determine o número de elétrons desemparelhados nos seguintes átomos: Ti - (Z=22) Ga - (Z=31) Rh - (Z=45) I - (Z=53) 4- Dê a configuração de orbitais em caixas para K + e Cl -.