Estrutura dos átomos O número quântico principal n define o nível energético de base. Os outros números quânticos especificam o tipo de orbitais mas a relação com a energia pode ser complicada. Exemplos: K: Ca: Sc: Ti: V: Cr: Mn: Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2... Link to Periodic Table Energy 3d 3s 3p 2s 1s 2p 4s 4p
Transições atómicas Nas transições atómicas entre dois níveis de uma átomo dá-se a absorção ou emissão de um fotão com energia igual à diferença de energias das órbitas atómicas. No caso do átomo de hidrogénio, temos: h ν= hc 1 1 = 13.6 ev 2 2 λ ni n j ( ) ou seja (hc=1.986x10-25 Jm 1240 ev nm) 1 13.6 ev 1 1 1 1 = = R 2 2 2 2 λ hc ni n j ni n j ( ) ( ) onde R=13.6/1240 nm-1 = 1.097x10-2 nm-1 chama-se constante de Rydberg.
Espectro de emissão do átomo de Hidrogénio Lyman (nf=1) ni 2 3 4 5 6 λ [nm] 122 103 97.3 95.0 93.8 Balmer (ni=2) ni 3 4 5 6 7 λ [nm] 656 486 434 410 397 Paschen (ni=3) ni 4 5 6 7 8 λ [nm] 1875 1282 1094 1005 955
Espectro de emissão do átomo de Hidrogénio Paschen (nf=3) ni 4 5 6 7 8 λ [nm] 1875 1282 1094 1005 955 Brackett (ni=4) ni 5 6 7 8 9 λ [nm] 4050 2624 2165 1944 1817 Pfund (ni=5) ni 6 7 8 9 10 λ [nm] 7460 4650 3740 3300 3040
Exercício Identifique em que zona do espectro electromagnético se situam as séries de: Lyman; Balmer; Paschen; Brackett; Pfund.
Exercício Identifique em que zona do espectro electromagnético se situam as séries de: Lyman; [ultravioleta] Balmer; [visível] Paschen; [infravermelho] Brackett; [infravermelho] Pfund; [Infravermelho]
Exercício Por um átomo hidrogenoide (ou seja com um só electrão) podemos escrever: E n = Z 2 13.6 ev n2 1 1 1 1 1 2 13.6 ev 2 = Z 2 = Z R 2 2 2 λ hc ni n j ni n j ( ) ( ) Exemplos de átomos hidrogenoides: H, He+, Li2+, Be3+, B4+, Qual é a energia e o comprimento de onda pela transição entre n1 e n2 para um átomo de hidrogeno e para um ião He+? E para um ião Li2+? Para átomos com mais electrões, usa-se um Z eficaz que tem em conta dos efeitos de blindagem dos electrões das camadas mais internas.
Espectros de absorção e emissão
Emissão de corpo negro (ou black body) Um corpo quente emite radiação electromagnética. Esta radiação é devida ao movimento das cargas eléctricas (átomos, moléculas,...). O Sol ilumina a Terra porque tem uma temperatura superficial de 5770K, portanto emite no espectro do visível.
Espectros de absorção e emissão Quando a radiação emitida por um corpo muito quente atravessa uma nuvem de gás (ex: H a baixa densidade) a temperatura baixas acontecem duas coisas: 1. A radiação é absorvida na frequência (ou cdo) correspondente às energias características dos átomos do gás espectro de absorção: Um fotão de frequência ν é absorvido.
Espectros de absorção e emissão Quando a radiação emitida por um corpo muito quente atravessa uma nuvem de gás (ex: H a baixa densidade) a temperatura baixas acontecem duas coisas: 2. Subsequentemente radiação é emitida com frequências (ou cdo) correspondentes às energias característica dos átomos do gás espectro emissão: Um fotão de frequência ν é emitido.
Espectros de absorção e emissão
Espectros de absorção e emissão Temos portanto dois tipos de espectro: o espectro de emissão e de absorção. Espectro de emissão e absorção do hidrogénio (séries de Balmer)
Energia de ionização É possível tirar electrões de um átomo utilizando fotões (radiação EM) com energias de algumas dezenas de ev. A energia de ionização (W) de um nível n de um átomo equivale à energia de absorção necessária para efetuar uma transição desse nível para o nível infinito (n=oo)! O cdo da radiação absorvida tem de ser (no máximo) igual a: hc λ n= Wn com Z 2 13.6 ev W n = E n= 2 n
Energia de ionização Calcular as energias de ionização dos átomos: H He+ Li2+ Um átomo de Lítio tem 3 electrões: - Em qual orbital se encontram? - Devido à presencia dos dois electrões no orbital 1s, este electrão pode ser descrito como um electrão num átomo hidrogenoide com un Z eficaz de 1.26 Calcular a energia de ionização.
Energia de ionização Calcular as energias de ionização W1 dos átomos: H [13.6 ev] He+ [54.4 ev] Li2+ [122.4 ev] Um átomo de Lítio tem 3 electrões: - Em qual orbital se encontram? [1s2 2s1] - Devido à presencia dos dois electrões no orbital 1s, este electrão pode ser descrito como um electrão num átomo hidrogenoide com un Z eficaz de 1.26 Calcular a energia de ionização. [5.40 ev]
Efeito fotoeléctrico (revisitado) Vimos que que no efeito fotoeléctrico existia uma energia mínima da radiação incidente para arrancar os electrões de um material. Essa energia depende do nível atómico do qual o electrão é arrancado: h ν min =W n = E n Se o fotão tiver energia superior à energia mínima necessária para arrancar um electrão do nível n (ou equivalentemente, una frequência mais alta), mas não suficiente para arrancar o electrão do nível n-1, então o excedente transfere-se para o electrão com energia cinética: E c=h ν W n Neste processo cria-se uma lacuna (buraco) no nível n do átomo.
Radiação de fluorescência O processo de fluorescência acontece em dois passos: 1. O átomo é ionizado por radiação e um electrão de um nível interno e emitido; 2. A lacuna do nível interno é preenchida por um electrão de um nível acima e dá-se a emissão de radiação (normalmente raios-x) radiação de fluorescência.
Radiação de fluorescência As energias dos fotões (de fluorescência) emitidos são características de cada átomo, pois resultam da diferença das energias de cada nível atómico: h ν fluo = E i E j Assim, medindo a energia dos fotões de fluorescência podemos determinar os elementos (átomos) de uma amostra.
XRF et al. http://www.themorgan.org/collection/rome-after-raphael/holy-family