Disciplina de Didáctica da Química I

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1 Disciplina de Didáctica da Química I Texto de Apoio Estrutura dos átomos no ensino básico e secundário

2 Visão crítica / síntese dos tópicos de química nos ensinos básico e secundário A - ESTRUTURA DOS ÁTOMOS NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO 8º ano 1. Estrutura corpuscular da matéria a. Base experimental geral b. Corpúsculos e estados físicos da matéria c. Corpúsculos e diferenças de temperatura de amostras materiais d. Corpúsculos, pressão e volume de um gás e. Corpúsculos, temperatura e pressão de um gás 2. Constituição dos átomos: núcleo (e respectivas partículas) + electrões 3. Átomos e agrupamentos de átomos (moléculas com vários átomos) 4. Elementos, substâncias elementares e compostas 5. Iões monoatómicos e poliatómicos 6. Símbolos atómicos e fórmulas químicas 9º ano 7. Estrutura e constituição dos átomos: evolução dos modelos atómicos 8. Base experimental para o modelo actual: núcleo + electrões 9. Número atómico e número de massa 10. Isótopos 11. Tamanho e massa dos átomos: electrões e núcleos 12. Massa atómica relativa (cf. átomo mais leve) 13. A questão da energia dos electrões nos átomos 14. Distribuição electrónica por níveis de energia para átomos de pequeno número atómico: até Z=18, com extensão a Z=19 e 20 (por analogia) 15. Electrões de valência e distâncias médias ao núcleo 16. Níveis completos e estabilidade dos átomos dos gases nobres: uma correlação simples 17. Carga eléctrica de iões monoatómicos: número de electrões em comparação com átomos (estáveis) de gases raros 18. Número de electrões de valência em metais alcalinos e alcalino-terrosos e em halogéneos (e gases raros) em relação com a formação de iões 19. Semelhanças de estrutura electrónica e semelhança de propriedades, nos átomos

3 10º ano 20. O átomo na arquitectura das substâncias 21. Número atómico e número de massa revisitados 22. Massa atómica relativa e padrão Carbono Isótopos e massa atómica média 24. A formação dos primeiros átomos do Universo e o Big Bang 25. As estrelas como fábricas de átomos: fusão nuclear 26. Outras transformações dos núcleos atómicos: breve introdução à radioactividade, fissão nuclear e transmutação nuclear por bombardeamento 27. Alteração da energia dos electrões e espectros como "impressões digitais" de cada elemento: espectros de absorção e espectros de emissão 28. Estado fundamental e estados excitados 29. Absorção de radiações e efeito fotoeléctrico 30. Energia de ionização de átomos 31. Quantização da energia do electrão no átomo H 32. Níveis de energia para o electrão do átomo H e número quântico principal: equação de Bohr 33. Outros números quânticos e orbitais (s, p, d, f) 34. Diagramas de energia e configurações electrónicas 35. Número máximo de electrões por orbital e Princípio de Pauli 35. Spin do electrão e número quântico de spin 36. Propriedades dos elementos e configurações electrónicas (até Z=18) 37. Configurações electrónicas para Z=19 e Z=20, por analogia com outros metais alcalinos e alcalino-terrosos de menor Z 38. Interpretação de diferenças em raio atómico e em energia de ionização 39. Interpretação da estabilidade de átomos de gases raros em termos de energia de ionização própria e de um suposto ião negativo 12º ano 40. As configurações electrónicas dos átomos revisitadas 41. A questão da energia de orbitais 3d e 4s, em relação com as configurações electrónicas de K e Ca e dos elementos da 1ª série de metais de transição 42. Breve extensão às outras séries de metais de transição 42. As propriedades especiais dos metais de transição em relação com a ocorrência de sub-camada d incompleta 43. Caso particular do átomo de crómio, com sub-camada 3d semi- preenchida, interpretado em termos de spin do electrão e regra de Hund 44. Interpretação da cor de complexos octaédricos de metais da 1ª série de transição em termos de transição de electrões entre dois sub-grupos de orbitais 3d

4 B - TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO 8º ano 1. Elementos e símbolos dos átomos reunidos numa tabela 9º ano 2. Famílias de substâncias elementares e grupos de elementos 3. Semelhanças de estrutura electrónica e semelhança de propriedades, nos átomos 4. Períodos e grupos 5. Peridocidade de 8 no número atómico para elementos de baixo Z 6. Periodicidade do tamanho atómico e variação ao longo de grupos e períodos 7. Número de electrões de valência e grupos da TP 8. Metais, não-metais e semimetais 9. A estrutura geral da TP(incluindo referência às séries dos lantanóides e dos actinóides) 10. A distinção entres propriedades atómicas (para os elementos) e propriedades macroscópicas de substâncias elementares 11. Tipo de reactividade de metais (especialmente, alcalinos e alcalino-terrosos) e de não-metais (especialmente, halogéneos) 12. Comparação de reactividade ao longo do grupo, nos casos acima 13. Comportamento ácido-base de óxidos de metais e de não-metais 10º ano 14. Os 18 grupos da TP 15. Propriedades e classes de substâncias elementares: metais, não-metais e semimetais 16. Famílias de substâncias elementares e TP 17. A história e organização da TP 18. Os blocos da TP 19. Uma propriedade periódica fundamental: energia de ionização 20. Outra propriedade periódica fundamental: raio atómico 12º ano 21. Os elementos metálicos na TP 22. Propriedades físicas e comportamento químico dos metais, em comparação com os não-metais 23. Formação de compostos em que o metal ocorre como ião positivo ou como oxoião postivo ou negativo 24. Configurações electrónicas e as propriedades periódicas energia de ionização e raio atómico, tomadas quantitativamente 25. A grandeza afinidade electrónica

5 C - LIGAÇÃO QUÍMICA NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO 8º ano 1. Modelos moleculares e geometria de moléculas simples 2. Rearranjo de átomos nas reacções químicas e sua representação em equações químicas 9º ano 3. Estrutura, constituição das moléculas e massa molecular 4. Moléculas simples representadas por vários núcleos atómicos envolvidos por uma nuvem electrónica 4. Partilha de electrões na molécula de hidrogénio 5. Forças electrostáticas em presença e respectivo balanço 6. Representação esquemática da ligação em H2: fórmula de estrutura da molécula 7. Noção de ligação covalente 8. Extensão a outras ligações com átomos H, com intervenção dos electrões de valência dos átomos: HF, HCl, H2O, NH3, CH4 9. Reconhecimento de que, por partilha dos dois electrões de valência responsáveis por cada ligação X-H, o átomo H como que adquire a estrutura electrónica de um átomo He (com 2 electrões) e cada átomo X a de um outro gás raro (Ne, Ar) (com 8 electrões) 10. Correlação/analogia da estabilidade das moléculas acima (face à decomposição em átomos) com a estabilidade dos átomos dos gases raros (face à formação de iões) 11. Interpretação da ligação simples em F2 (e em Cl2) em termos de um balanço das múltiplas interacções electrostáticas, sem prejuízo da partilha de todos os (14) electrões de valência 12. Correlação/analogia da estabilidade das moléculas F2 e Cl2 (face à decomposição em átomos) com a estabilidade dos átomos dos gases raros Ne e Ar, respectivamente (face à formação de iões) 13. Previsão de ligação dupla em O2 e tripla em N2 a partir das ligações em H2O e NH3 e respectiva representação, sem prejuízo da partilha de todos os electrões de valência 14. Correlação/analogia da estabilidade das moléculas O2 e N2 (face à decomposição em átomos) com a estabilidade do átomo do gás raro Ne (face à formação de iões) 15. Previsão de ligações duplas em CO2 a partir das ligações em CH4 e respectiva representação 16. Previsão de ligação múltipla CC em eteno e etino 17. Confirmação da presença de ligações múltiplas em hidrocarbonetos insaturados por reacção com água de bromo 17. Interpretação da polaridade da ligação covalente em HF 18. Interpretação da polaridade da molécula de água e relação com a geometria molecular 19. Noção de ligação covalente polar

6 20. Extensão da noção de ligação covalente ao fulereno C60 e a estruturas gigantes - diamante, grafite, e sílica - e relação com algumas propriedades 21. Caracterização da ligação em metais pela partilha de electrões de valência em estruturas gigantes 22. Interpretação das principais propriedades físicas dos metais em termos da ligação metálica 23. Caracterização da ligação em compostos iónicos, como balanço entre repulsões de iões idênticos e atracções de iões de carga oposta 24. Extensão da noção de ligação covalente, simples ou múltipla, polar ou não-polar, a compostos orgânicos 10º ano 25. A ligação covalente revisitada 26. Interpretação da ligação em H2 em termos da variação da energia potencial de um sistema constituído por dois átomos H em função da distância entre os respectivos núcleos 27. Comprimento de ligação e ângulos de ligação em termos quantitativos: modelos moleculares à escala 28. Energia de ligação em moléculas diatómicas em termos quantitativos 29. Relação entre energia de ligação CC e comprimento de ligação, conforme se trate de liagção simples, dupla ou tripla 30. Interpretação do carácter simples ou múltiplo das ligações em moléculas simples em termos da relação com a estrutura de átomos de gases raros (camada de valência completa): notação de Lewis e regra do octeto 31. Representação da estrutura de moléculas por fórmulas que incluam referência a todos os electrões de valência: questão dos traços que representam electrões (efectivamente) não-ligantes 12º ano 32. Ligação metálica revisitada em relação com propriedades de metais e formação de ligas metálicas 33. Cristais metálicos e não-metálicos (covalentes, moleculares e iónicos) 34. Energia de rede cristalina em compostos iónicos 35. Ligação de hidrogénio 36. Ligação covalente dativa em complexos de metais 37. Fórmulas de estrutura, geometria molecular e energias de ligação revisitadas 38. Interpretação da ligação química com base no conceito de orbital: breve referência à teoria das ligações de valência e à teoria das orbitais moleculares 39. Noção de orbital molecular 40. Distinção entre orbitais moleculares ligantes, anti-ligantes e não-ligantes em termos de energia

7 41. Definição de ordem de ligação em moléculas diatómicas a partir da distribuição dos electrões de valência num diagrama de orbitais moleculares (OM) 42. Caracterização da OM ligante e da OM anti-ligante na molécula H2 43. Extensão a H2+, H2- e He2+ e interpretação da inexistência de moléculas diatómicas de hélio 44. Definição de OM pi em N2, O2 e F2 e comparação com OM sigma 45. Aplicação dos diagramas de energia para as OM de N2, O2 e F2 e justificação das respectivas ordens de ligação: 3, 2 e 1, respectivamente 46. Distinção entre espécies paramagnéticas e diamagnéticas, justificando os exemplos O2 e N2 47. Estabelecimento da ordem de ligação em moléculas poliatómicas com base na regra do octeto 48. Caso particular da estrutura molecular do ozono e noção de híbrido de ressonância 49. Extensão a casos como a estrutura do ião carbonato 50. Interpretação das ligações na molécula de metano em termos da teoria das ligações de valência, na sua versão simplificada: referência a orbitais híbridas sp3 por parte do átomo de carbono 51. Aplicação simplificada da teoria das orbitais moleculares ao caso especial dos hidrocarbonetos, considerando que é sempre par o número de OM, sendo metade ligantes e metade anti-ligantes, com aquelas totalmente preenchidas e estas vazias 52. Aplicação ao caso particular do benzeno, como híbrido de ressonância 53. Ligações sigma e ligações pi nas moléculas de eteno e de etino, com referência a orbitais híbridas sp2 e sp por parte dos átomos de carbono 54. Ligações sigma e orbitais moleculares pi no benzeno 55. Ligação covalente polar e noção de electronegatividade dos átomos 56. Dipolo eléctrico e momento dipolar em moléculas polares simples 57. Geometria molecular e momento dipolar resultante 58. Geometria molecular interpretada em termos de energia 59. Distinção entre modelos explicativos da geometria das moléculas e modelos de previsão 60. Previsão da geometria de moléculas (ou grupos) do tipo AXn contando o número de traços (simples ou múltiplos) à volta do símbolo A na fórmula de estrutura 61. Aplicação das noções acima sobre ligação química às várias famílias de compostos orgânicos 62. Ligações intermoleculares em comparação com ligações intramoleculares 63. Vários tipos de ligações intermoleculares: interacção de dipolos flutuantes, interacção de dipolos permanentes, interacção dipolo permanente-dipolo induzido e ligação de hidrogénio 64. Exemplos e relação com propriedades das substâncias

8 D - GEOMETRIA MOLECULAR NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO, segundo os programas actuais 8º ano 1. Modelos moleculares e geometria de moléculas simples 9º ano 2. Geometria molecular definida pela posição relativa dos núcleos dos respectivos átomos 3. Utilização de vários tipos de modelos moleculares 4. Referência a geometria média, devido aos incessantes movimentos vibracionais das moléculas 5. Interpretação da polaridade da molécula de água e relação com a geometria molecular 10º ano 6. Comprimento de ligação e ângulos de ligação em termos quantitativos: modelos moleculares à escala 7. Breve interpretação da geometria molecular em termos de energia potencial mínima para o arranjo de átomos 8. Reconhecimento de que as moléculas dos gases possuem não só vibrações como rotações e translações, relacionadas com a temperatura 12º ano 9. Geometria molecular e momento dipolar resultante 10. Geometria molecular interpretada em termos de energia 11. Distinção entre modelos explicativos da geometria das moléculas e modelos de previsão 12. Previsão da geometria de moléculas (ou grupos) do tipo AXn contando o número de traços (simples ou múltiplos) à volta do símbolo A na fórmula de estrutura

9 E Outros assuntos a explorar E1 - NOMENCLATURA QUÍMICA NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E2 - FÓRMULAS E EQUAÇÕES QUÍMICAS NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E3 - TIPOS DE REACÇÕES QUÍMICAS NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E4 - CINÉTICA DAS REACÇÕES QUÍMICAS NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E5 - EXTENSÃO DAS REACÇÕES E EQUILÍBRIO QUÍMICO NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E6 - TROCAS DE ENERGIA EM REACÇÕES QUÍMICAS NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E7 - MOLE E QUANTIDADE QUÍMICA NO ENSINO SECUNDÁRIO E8 - CÁLCULOS QUÍMICOS (CONCENTRAÇÕES, ph, ESTEQUIOMÉTRICOS,...) NO ENSINO BÁSICO E SECUNDÁRIO E9 - RADIAÇÃO ELECTROMAGNÉTICA