1 ESTRUTURA ATÓMICA. Classificiação de materiais - Estrutura atómica. Ciências Físico-químicas 9º ano de escolaridade. Docente Marília Silva Soares 1

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1 Ciências Físico-químicas - 9º ano de 1 ESTRUTURA ATÓMICA A origem dos átomos Estrutura Número atómico, número de massa e isótopos Massa das partículas Formação de iões OBJETIVOS Identificar as partículas constituintes dos átomos; Visualizar os átomos em termos de nuvem eletrónica; Comparar tamanhos e massas de átomos diferentes; Identificar os iões a partir dos átomos correspondentes; Distribuição dos eletrões nos átomos e nos iões; Relacionar a organização da Tabela Periódica com a estrutura dos elementos; Reconhecer o átomo como unidade estrutural básica de toda a matéria; Conhecer a constituição do átomo; Identificar propriedades das partículas subs; Descrever o modelo da nuvem ; Estabelecer comparações entre as massas e/ou as dimensões dos átomos e das partículas subs. 2 Docente Marília Silva Soares 1

2 3 Prof. Marília Silva Soares Ciências Físicoquímicas 9º ano de QUESTÃO: O QUE SÃO ÁTOMOS? Os átomos são uma das unidades estruturais da matéria; Têm dimensões ínfimas e só detetáveis ao microscópio eletrónico especial que amplia milhões de vezes. QUESTÃO: COMO SÃO OS ÁTOMOS? Os átomos são partículas microscópicas constituídas por partículas subs: protões, neutrões e eletrões. Os protões são partículas de carga positiva(+); Os neutrões não têm carga. Os eletrões são partículas de carga negativa (-). Os protões e os neutrões formam o núcleo dos átomos. Os eletrões movem-se num espaço em volta do núcleo nuvem eletrónica. 4 Docente Marília Silva Soares 2

3 QUESTÃO: COMO SÃO OS ÁTOMOS? Os átomos são eletricamente neutros, isto é, o número de protões é igual ao número de eletrões (nº de cargas (+) = nº de cargas (-). Todos os átomos com o mesmo número de protões têm as mesmas caraterísticas, são átomos do mesmo elemento químico. A cada elemento químico corresponde um nome e um símbolo químico. Todos os átomos do mesmo elemento têm o mesmo n.º de protões; Átomos de elementos diferentes têm n.º atómico diferente; Os átomos são partículas globalmente neutra; Carga total positiva = Carga total negativa N.º de protões = N.º de electrões 5 QUESTÃO: EM QUE DIFEREM OS ÁTOMOS DOS ELEMENTOS? Nº atómico (Z) = N.º de protões Todos os átomos do mesmo elemento têm o mesmo n.º de protões; Átomos de elementos diferentes têm n.º atómico diferente; Os átomos são partículas globalmente neutra; Carga total positiva = Carga total negativa A partir do n.º atómico é, também, possível saber o n.º de eletrões desse átomo; N.º de protões = N.º de electrões Conhecendo o número atómico de um elemento químico ficamos a saber a sua carga nuclear; Carga nuclear: corresponde ao número de protões existente no núcleo desse elemento, pois, apesar de existirem protões e neutrões, apenas os protões possuem carga elétrica. 6 Docente Marília Silva Soares 3

4 QUESTÃO: EM QUE DIFEREM OS ÁTOMOS DOS ELEMENTOS? Cada átomo de um elemento tem o seu próprio número de massa (A); N.º total de nucleões ou n.º total de partículas no seu núcleo (protões/neutrões) O n.º atómico e o n.º de massa são números positivos e inteiros. Se quisermos determinar o número de neutrões (N), sabendo o número atómico (Z) e o número de massa (A): N.º de massa (A) = n.º atómico (Z) + n.º de neutrões (N) A = Z + N Ou N.º de massa (A) = N.º protões + N.º neutrões n.º de neutrões (N) = N.º de massa (A) - n.º atómico (Z) N = A - Z Ou N.º neutrões (N) = N.º de massa (A) - N.º protões 7 QUESTÃO: COMO SE REPRESENTAM OS ELEMENTOS QUÍMICOS? Por convenção, os químicos representam os átomos, indicando: X símbolo químico do elemento Z - N.º atómico, em índice à esquerda do símbolo químico do elemento químico; A - N.º de massa, em expoente à esquerda do símbolo químico do elemento químico. A Z X Esta representação (nuclido) permite-nos conhecer o número de protões, de neutrões e de eletrões que constituem um determinado átomo. 8 Docente Marília Silva Soares 4

5 9 Prof. Marília Silva Soares Ciências Físicoquímicas 9º ano de QUESTÃO: O QUE SÃO ISÓTOPOS? Isótopos: O mesmo elemento pode apresentar átomos diferentes (n.º de massa) pois podem ter número de neutrões diferentes. Isto é, os isótopos são átomos do mesmo elemento químico que têm o mesmo número atómico (Z) mas diferente número de massa (A), por possuírem diferente número de neutrões (N). 1 1H 2 1H 3 1H Hidrogénio-1 ou Prótio Hidrogénio-2 ou Deutério Hidrogénio-3 ou Trítio Mesmo Z; Mesmo X; Diferente A; n.º de protões = 1 n.º de eletrões = 1 n.º de massa = 1 n.º de neutrões = A Z =1-1 = 0 n.º de protões = 1 n.º de eletrões = 1 n.º de massa = 2 n.º de neutrões = A Z =2-1 = 1 n.º de protões = 1 n.º de eletrões = 1 n.º de massa = 3 n.º de neutrões = A Z =3-1 = 2 10 Docente Marília Silva Soares 5

6 QUESTÃO: O QUE SÃO ISÓTOPOS? Como as características químicas dos elementos dependem quase exclusivamente do seu número de protões e electrões, e não do número de neutrões, os isótopos de um mesmo elemento têm propriedades químicas muito semelhantes A massa dos isótopos é diferente, pois o número de neutrões é diferente. A abundância relativa dos isótopos de Hidrogénio não é a mesma. O mais abundante é o Prótio e o menos abundante é o Trítio. O Trítio é o mais instável, devido ao elevado número de neutrões, em relação ao número de protões, o que provoca emissão de radiação nuclear (átomos tendem a transforma-se espontaneamente em elementos mais estáveis) 11 PRATICA: Copia, para o teu caderno, a seguinte tabela. Representação simbólica 20 10A N.º atómico (Z) n.º de massa (A) n.º de protões (P) n.º de eletrões (e) n.º de neutrões (N) Carga nuclear (a) (b) (c) (d) (e) (f) B 8 15 (g) (h) (i) (j) C (l) (m) (n) (o) D (p) 13 (q) 6 (r) (s) E (t) (u) 10 (v) 12 (x) 1.1. Completa a tabela Indica, justificando: quais destes átomos podem ser isótopos qual o isótopo com menor massa qual poderá ser um isótopo radioativo. 12 Docente Marília Silva Soares 6

7 PRATICA: (Resolução) Representação simbólica 20 10A N.º atómico (Z) n.º de massa (A) n.º de protões (P) n.º de eletrões (e) n.º de neutrões (N) Carga nuclear = B =7 +8 C = D =7 +6 E = Indica, justificando: A e E, têm o mesmo número atómico mas diferente n.º de massa é o A é o E, devido ao elevado número e neutrões no seu núcleo Prof. Marília Silva Soares Ciências Físicoquímicas 9º ano de Docente Marília Silva Soares 7

8 QUESTÃO: OS ÁTOMOS TERÃO MASSA? E TAMANHO? A massa é uma propriedade específica de um corpo, por isso, os átomos que constituem a matéria possuem massa. A massa de um átomo está praticamente toda centrada no núcleo, uma vez que a massa dos electrões é desprezível quando comparada com a massa dos protões e dos neutrões. MAS massa do protão, massa de neutrão e massa do átomo são muito pequenas, pelo que não é possível calculá-los diretamente. Como um átomo é extremamente pequeno, a sua massa também o é. O cálculo do valor relativo das massas dos vários elementos, toma a massa de um deles como termo de comparação. Por convenção termo de comparação: massa do átomo de isótopos Carbono-12. É a partir desta massa que se define a unidade de massa (u.m.a.) 1 u.m.a. = 1/12 massa do átomo de Carbono QUESTÃO: OS ÁTOMOS TERÃO MASSA? E TAMANHO? A comparação da massa dos átomos com 1/12 da massa do átomo de Carbono-12, corresponde à massa relativa (A r ) que é uma grandeza adimensional (sem unidades) Átomo de Carbono-12 : 6 protões e 6 neutrões Massa de um átomo de Carbono-12 = 12 u.m.a. Logo, massa de um átomo de Carbono -12 1u.m.a. 12 As medidas experimentais mostram que, em média, um átomo de hidrogénio tem apenas 8,400% da massa do Carbono -12. Isto é Massa /massa do átomo de carbono em unidades de massa do hidrogénio é: 0,08400 x12 = 1,008 u.m.a. (valor tabelado, o que encontramos na Tabela Periódica) 16 Docente Marília Silva Soares 8

9 QUESTÃO: OS ÁTOMOS TERÃO MASSA? E TAMANHO? A massa relativa é uma média das massas s relativas dos vários isótopos que ocorrem naturalmente para cada elemento químico. A massa de um elemento depende da abundância relativa de cada um dos seus isótopos existentes na natureza, pois cada isótopo tem uma massa característica. Exemplo: o cobre apresenta dois exemplos naturais, o cobre-63 e o cobre-65. Isótopo Massa (u. m. a.) Abundância relativa (%) 63 Cu 62,93 69,09 65 Cu 64,93 30,91 A massa relativa do elemento cobre, é obtida a partir da média da multiplicação dos valores das massas relativas dos isótopos pelas respetivas abundâncias: A r (Cu) = 62,93 x 0, ,93 x 0,3091 A r (Cu) = 96,55 17 QUESTÃO: OS ÁTOMOS TERÃO MASSA? E TAMANHO? Os átomos têm dimensões extraordinariamente pequenas, tal que a ordem de grandeza do seu raio é de m (0, m). Os átomos não são todos do mesmo tamanho, pois se se são constituídos por protões, neutrões e eletrões, é de esperar que os átomos de elementos diferentes tenham tamanhos diferentes. Se considerarmos que têm forma esférica, podemos comparar os seus tamanhos através dos valores dos raios atómicos. Exemplo: O raio atómico dos átomos de hidrogénio é 0, m (3,7x10-11 m); O raio atómico dos átomos de sódio é 0, m (1,86x10-10 m); O raio atómico dos átomos de potássio é 0, m (2,27x10-10 m); Ver fig. 19 página 188 Os raios atómicos exprimem-se, habitualmente, em picómetros, pm, sendo: 1 pm = 0, m 1 pm = 1x10-12 m 18 Docente Marília Silva Soares 9

10 19 Prof. Marília Silva Soares Ciências Físicoquímicas 9º ano de QUESTÃO: COMO SE DISTRIBUEM OS ELETRÕES NOS ÁTOMOS E NOS IÕES? Os eletrões de um átomo não têm todos a mesma energia; distribuem-se por níveis de energia diferentes. Os níveis de energia são caraterizados por um numero, n, que pode tomar valores inteiros de 1 a 7. A energia dos eletrões que se encontram mais próximos do núcleo é menor do que a energia dos eletrões que se encontram mais afastados, visto estes estarem menos atraídos pelo núcleo. Cada nível de energia também pode ser designado por camada, K, L, M N Nível 1 camada K Nível 2 camada L Nível 3 camada M Nível 4 camada N Num átomo, os eletrões estão distribuídos por níveis de energia; há um número máximo de eletrões por nível de energia: 2n 2 20 Docente Marília Silva Soares 10

11 Energia crescente QUESTÃO: QUAL O NÚMERO MÁXIMO DE ELETRÕES POR NÍVEL ENERGÉTICO? Cada nível de energia tem um valor de energia bem definido, ou seja, está quantificado, e só pode conter um determinado número máximo de eletrões, dado pela expressão 2n 2, em que n é o número do nível energético. Os eletrões distribuem-se por ordem crescente de energia, isto é, ocupam primeiro níveis de energia mais próximos do núcleo. No último nível de energia a ser preenchido, o número máximo de eletrões permitido é oito. Nível de energia (n) Número máximo de eletrões (2n 2 ) Camada 1 2 x 1 2 = 2 x 1 = 2 K 2 2 x 2 2 = 2 x 4 = 8 L 3 2 x 3 2 = 2 x 9 = 18 M O número máximo de eletrões de um nível de energia é dado pela expressão 2n 2, 4 2 x 4 2 = 2 x 16 =32 N 21 QUESTÃO: COMO SE FAZ A DISTRIBUIÇÃO DOS ELETRÕES DE UM ÁTOMO? Para se proceder à distribuição electrónica de um átomo no estado fundamental (estado de menor energia): primeiro completa-se o preenchimento do nível de menor energia, ou seja, o nível n = 1; Depois passa-se para o preenchimento do nível seguinte, ou seja, o nível n = 2; E assim sucessivamente, até se proceder à distribuição de todos os eletrões do átomo, nunca esquecendo que o último nível de energia não pode conter mais do que oito eletrões. n = 3 n = 2 NÚC LEO ( ) n = 1 22 Docente Marília Silva Soares 11

12 A distribuição ou configuração eletrónica de um átomo mostra como estão distribuídos os seus eletrões pelos vários níveis de energia. O último nível de energia preenchido não pode ter mais de oito eletrões, com exceção do primeiro nível, que só pode conter dois eletrões. Principio da energia mínima Os átomos têm tendência a encontrar-se no estado mais estável, que é aquele a que corresponde a menor energia possível, ou seja, o nível de menor energia é o nível 1. Exemplo: Sódio 11Na : Exemplo: Potássio 19K : Nível 1 tem (2 x 1 2 ) = 2 eletrões Nível 2 tem (2 x 2 2 ) = 8 eletrões Nível 3 tem 1 eletrão Esta é a configuração eletrónica para o átomo de sódio no estado de menor energia possível ou estado mais estável Nível 1 tem (2 x 1 2 ) = 2 eletrões Nível 2 tem (2 x 2 2 ) = 8 eletrões Nível 3 tem (2 x 3 2 ) = 18 eletrões Mas, o último nível não pode conter mais do que 8 eletrões o último eletrão deve passar para o nível seguinte!!! 23 Exemplo: Bromo 35Br : Nível 3 tem (2 x 3 2 ) = 18 eletrões, uma vez que não é o último nível preenchido. Exemplo: Estrôncio Sr : Sr : Os eletrões do último nível de energia de um átomo (nível mais externo) designam-se por eletrões de valência; Os átomos dos gases nobres, átomos mais estáveis que se conhecem, possuem todos 8 eletrões de valência exceção do hélio que só tem 2 eletrões. O número máximo de eletrões no último nível de energia é oito. 24 Docente Marília Silva Soares 12

13 Os eletrões de um átomo podem transitar de um nível de energia para outro. Para que os eletrões transitem de um nível de menor energia para outro de maior energia é necessário que haja absorção de energia por parte do átomo. Para que os eletrões transitem de um nível de maior energia para outro de menor energia é necessário que haja emissão de energia por parte do átomo. n = 4 n = 3 n = 2 Energia absorvida n = 4 n = 3 n = 2 Energia emitida n = 1 n = 1 25 A distribuição eletrónica do estado de menor energia de um determinado átomo corresponde ao estado fundamental desse átomo. Porém, os átomos podem também encontrar-se em estados excitados quando um ou mais eletrões transitam para níveis de energia superiores, por absorção de energia por parte dos átomos. Normalmente, os estados excitados dos átomos são transitórios, isto é, os eletrões rapidamente transitam para níveis de menor energia, emitindo energia que têm a mais. Exemplo: Distribuição eletrónica de um possível estado excitado para o átomo de potássio: 19K : Partículas isoeletrónicas: são partículas que apresentam igual distribuição eletrónica (mas diferente número atómico). 26 Docente Marília Silva Soares 13

14 27 Prof. Marília Silva Soares Ciências Físicoquímicas 9º ano de QUESTÃO: O QUE SÃO IÕES? Os átomos são partículas eletricamente neutras, pois o número de protões que existe no núcleo é igual ao número de electrões que existe na nuvem eletrónica. Os átomos podem perder ou captar (ganhar) eletrões, transformando-se em partículas eletricamente carregadas - os iões. A alteração ocorre apenas na núvem eletrónica; a carga do núcleo mantém-se. Num ião, o número e eletrões não é igual ao número de protões. O raio catiónico é inferior ao raio atómico do respetivo átomo, pois diminui o número de eletrões da núvem eletrónica, diminuindo, deste modo, a repulsão eletrónica e provocando uma contração da nuvem eletrónica. O raio aniónico é superior ao raio atómico do repetivo átomo. Como aumenta o número de eletrões na nuvem eletrónica, aumenta a repulsão eletrónica, provocando uma expansão na nuvem eletrónica. 28 Docente Marília Silva Soares 14

15 QUESTÃO: COMO SE FORMAM OS IÕES? 29 QUESTÃO: COMO SE FORMAM OS IÕES? Catião ou ião positivo Anião ou ião negativo Se átomo perde eletrões torna-se uma partícula positiva; Ao perder eletrões, fica com mais protões do que eletrões Nº protões > nº eletrões Se átomo ganha eletrões torna-se uma partícula negativa; Ao ganhar eletrões, fica com menos protões do que eletrões Nº protões < nº eletrões Exemplo: magnésio, perde dois eletrões, forma um ião dipositivo. Exemplo: Flúor, ganha um eletrão, forma um ião mononegativo. 30 Docente Marília Silva Soares 15

16 QUESTÃO: QUE ÁTOMOS TÊM TENDÊNCIA A FORMAR CATIÕES E ANIÕES? Num átomo o número de eletrões no último nível de energia é oito (eletrões de valência); Todos os átomos com oito eletrões de valência são muito estáveis (gases nobres, exceto hélio. Há átomos que têm tendência a transformar-se em iões, cedendo ou recebendo eletrões, logo, a sua nuvem eletrónica passa a ter 8 eletrões de valência, e tornam-se mais estáveis. Exemplo: O átomo de sódio, 11 Na, tem tendência a transformar-se no catião 11 Na+, cedendo um eletrão, fica com 8 eletrões de valência, portanto, mais estáveis. 11Na : (1 eletrão de valência) 11Na+: 2-8 (8 eletrões de valência) * O átomo de cloro, 17 Cl, tem tendência a transformar-se no anião cloreto, 17 Cl -, captando um eletrão ficando com 8 eletrões de valência, e mais estável. 17Cl : (7 eletrões de valência) 11Cl - : (8 eletrões de valência) 31 Matriz do teste Da página 38 à página 61: O que são forças; como se representam; como se caracterizam; Forças de atrito; Cálculo da força resultante de um sistema de forças; Leis de Newton (Lei da Inércia, Lei fundamental da dinâmica e lei da ação-reação); Pressão e impulsão. Da página 180 à página 192: O que são e como são os átomos; O que são isótopos; A massa e o tamanho dos átomos;. Podem utilizar o formulário do teste passado e a tabela periódica! 32 Docente Marília Silva Soares 16