CAPÍTULO 5 ESTUDO DA TABELA PERIÓDICA O QUE VOCÊ JÁ SABE? Antes de estudar a Tabela Periódica, os elementos que a compõe, bem como suas propriedades, pense nas seguintes questões: Se todos os materiais naturais conhecidos são formados por substâncias constituídas aproximadamente de 90 elementos químicos, como é possível termos mais de 4000 minerais diferentes? O que surgiu primeiro: os átomos dos elementos químicos ou o Universo? Qual é a importância de classificar os elementos químicos? Que características você observa nos metais que usa em seu dia-a-dia? Quais seriam os possíveis símbolos para os seguintes elementos: cálcio, lítio, ferro e oxigênio? Os elementos químicos Os macro e micronutrientes essenciais aos vegetais são átomos de elementos químicos que são absorvidos pelos vegetais na forma de diferentes substâncias, como sais minerais, que se encontram misturadas ao solo. O solo é um material constituído por uma mistura de minerais e matéria orgânica. Na litosfera, estão presentes cerca de 4000 minerais conhecidos. A maior parte deles é classificada como silicatos, por conterem substâncias constituídas por átomos de silício, oxigênio e um ou mais metais. Além desses átomos, são encontrados átomos de um pouco mais de 70 elementos químicos em todos os minerais conhecidos. Na verdade, a composição de todo e qualquer material, seja de origem mineral ou de ser vivo, corresponde à soma de diversas substâncias. Já todas as substâncias são constituídas, na maioria das vezes, pela combinação de átomos de diferentes elementos químicos ou do mesmo elemento químico, ou ainda, em alguns casos, por átomos isolados de alguns elementos químicos.
Ou seja, tudo no Universo é resultante de átomos de elementos químicos ou de sua combinação. A Química e a Cosmologia, qual seria a relação? As duas ciências parecem opostas. Enquanto a Cosmologia trata da natureza dos imensos astros do Cosmos, a Química se debruça sobre as estruturas microscópicas de substâncias e suas interações. No entanto, essas duas ciências estão intimamente ligadas. Afinal, o Universo é formado por matéria e toda a matéria é formada por átomos. Uma das teorias mais aceitas sobre a formação do Universo é a do Big-Bang. Segundo essa teoria, há uns 15 bilhões de anos teria ocorrido uma grande concentração da matéria e da energia cósmica. Dentro desse bolo de matéria condensada, a temperatura começou a subir até que houve uma grande explosão, espalhando partículas de matéria para todo lado. Aos poucos, essas partículas se combinaram e formaram núcleos, átomos e moléculas, que por sua vez formaram os materiais dos corpos e astros celestes. Os cientistas acreditam que os átomos de diferentes elementos químicos tenham sido formados a partir de átomos de hidrogênio. Reações de fusão de átomos menores produziram átomos mais complexos, cujos núcleos atômicos tem maior quantidade de partículas, constituindo outros elementos. Os átomos começaram a se combinar, formando os constituintes das primeiras
substâncias. Surgiram as estrelas e os planetas. Assim nasceu a Terra: resultado de transformações milenares incessantes, ocorridas com a combinação das partículas primordiais, que constituíram os átomos dos diferentes elementos químicos, os quais, por meio de reações que constituíram os átomos dos diferentes elementos químicos, os quais, por meio de reações químicas, se combinaram em diferentes proporções, formando toda a matéria que nos rodeia. A História de Tudo No inicio do universo estava quente e denso E então há 14 bilhões de anos a expansão começou, espere A Terra começou a esfriar Os autótrofos começaram a babar Neandertais desenvolveram ferramentas Nós construímos a Muralha da China (nós construímos as pirâmides) Matemática, Ciência, História, desvendamos os mistérios Tudo começou com o Big Bang... Trecho da música The History Of Everything. Classificação dos Elementos Químicos Quanto mais informações sobre os elementos químicos surgiram, maior foi a necessidade de organizá-los. Mendeleev analisou a composição das substâncias, ou seja, quantos átomos de cada elemento químico formavam seus constituintes. Comparou também esses dados com as propriedades químicas apresentadas por essas substâncias. A partir dos dados obtidos, Mendeleev buscou encontrar uma regularidade entre os diversos trabalhos já existentes sobre classificação dos elementos químicos e propôs uma nova forma de classificação, fundamentada nas propriedades das substâncias simples dos elementos químicos. Uma das conclusões desses estudos foi: se os elementos químicos estiverem ordenados de acordo com seus pesos atômicos, suas propriedades seguirão uma periodicidade, ou seja, após um determinado número de elementos, os que se seguem repetem as propriedades dos primeiros. A partir dessa descoberta, Mendeleev propôs uma lei que ficou conhecida como Lei
Periódica dos Elementos Químicos, que afirma: As propriedades das substâncias dos elementos se apresentam em função de seus pesos atômicos. Com base na Lei Periódica e nos demais estudos que desenvolvera, Mendeleev propôs, em 1869, uma classificação dos elementos químicos, que resultaria na hoje conhecida Tabela Periódica. No século XIX, quando Mendeleev propôs a sua classificação periódica, os estudos estabeleciam a relação entre propriedades das substâncias simples e suas massas. No entanto, no século XX, com o surgimento dos novos modelos atômicos, foi possível constatar que as propriedades das substâncias estão relacionadas com os números atômicos (número de prótons), conceito introduzido pelo físico britânico Henry. G. J. Moseley (1887-1915). Portanto, na moderna tabela periódica, os elementos estão organizados em ordem crescente de número atômico. Ela é organizada por colunas, denominadas grupos ou famílias, e linhas horizontais, denominadas períodos. Os grupos correspondem a conjuntos de elementos, cujos átomos formam substancias com propriedades físicas e químicas semelhantes. Organização dos elementos químicos Os grupos da tabela periódica, também chamados famílias, apresentam propriedades químicas e físicas que distinguem uns dos outros. As substâncias simples dos elementos de alguns grupos são muito reativas; outras praticamente não reagem. Algumas são sólidas, outras gasosas; duas são líquidas como mostra a tabela abaixo.
O quadro abaixo apresenta as principais propriedades das substâncias e dos átomos dos grupos:
Hidrogênio (H) O hidrogênio, cujos átomos são responsáveis por aproximadamente 70% da massa do Universo, é um caso especial na classificação dos grupos: seus átomos e substâncias possuem algumas propriedades semelhantes às dos elementos do grupo 17 (halogênios) e configuração eletrônica semelhante à dos elementos do grupo 1 em várias tabelas, lembre-se de que ele não pertence a esse grupo. Seu estudo é feito de maneira isolada dos demais. Nas condições ambientes é um gás extremamente inflamável. O hidrogênio liquefeito é utilizado como combustível de foguetes. Em algumas tabelas, chega-se a colocar o hidrogênio separado de todos os outros elementos. Elementos representativos e de transição Os elementos dos grupos 1 e 2 e os de 13 a 18 são chamados representativos e seus dois primeiros elementos, exceto no caso do grupo 18, são denominados típicos, por representarem bem as propriedades químicas dos demais componentes de seus grupos. Os átomos desses elementos constituem a maior parte das substâncias que nos rodeiam. Os elementos dos grupos de 3 a 12 são chamados elementos de transição, pois as suas substâncias possuem propriedades entre os dois primeiros grupos dos elementos representativos. Os elementos das duas linhas separadas da tabela periódica pertencem, respectivamente, ao sexto e ao sétimo períodos e são denominados lantanídios e actinídios (nomes dados pelo primeiro elemento de cada série: lantânio e actínio) ou elementos de transição interna. Antigamente, essas séries eram denominadas terras raras, por causa da baixa incidência de minerais contendo átomos de seus elementos. Observações: A palavra alcalino é de origem grega e significa cinzas de plantas. As principais substâncias presentes nessas cinzas são o carbonato de sódio e o do potássio. Alcalino também está associado ao caráter básico das substâncias.
Os alquimistas denominavam terra as substâncias não-metálicas que não se decompunham pela ação do fogo e eram insolúveis em água, como o óxido de cálcio (CaO), cal) e o de magnésio (MgO). Como essas substâncias também apresentavam caráter básico, os elementos da família foram denominados alcalino-terrosos. A palavra halogênio é de origem grega e significa formador de sais. Metais, não metais (ametais), semi metais e gases nobres De acordo com a IUPAC, os elementos são classificados também, conforme as características de suas substâncias simples, em metais, não metais ou ametais, semi metais e gases nobres. A maioria dos elementos químicos é classificada como metal, por suas substâncias apresentarem propriedades metálicas. Olhe ao redor. Com certeza você vai ver alguma coisa feita de metal: o ferro dos parafusos, o cobre dos fios elétricos, o alumínio das panelas, a prata e o ouro das joias. E você não deve ter nenhuma dificuldade em distinguir um produto feito de metal. Mas você saberia dizer em que um metal é diferente de outros materiais? Eis as propriedades que caracterizam os materiais metálicos: Boa condutibilidade térmica (calor) e elétrica; Brilho característico; Ductibilidade (capacidade de formar fios); Maleabilidade (capacidade de formas lâminas finas). Fonte: Química no cotidiano volume 1
Observação: A linha vermelha, de acordo com sugestão da Sociedade Brasileira de Química, separa os metais dos ametais. Os elementos próximos à linha são conhecidos por semi-metais. Fonte: Química no cotidiano volume 1 Gases nobres Como o próprio nome sugere, nas condições ambientes apresentamse no estado gasoso e sua principal característica química é a grande estabilidade, ou seja, possuem pequena capacidade de se combinar com outros elementos. O argônio é um gás nobre e está presente nas lâmpadas de filamento. Fonte: Química no cotidiano volume 1 A tabela periódica e a configuração eletrônica As propriedades químicas estão relacionadas com a possibilidade de os átomos de um elemento interagirem com os de outros elementos, causando
modificações em suas eletrosferas. Dessa forma, podemos dizer que a eletrosfera do átomo define o comportamento químico. A configuração eletrônica, de acordo com Bohr, indica como os elétrons se distribuem nos átomos. A compreensão de como os elétrons estão distribuídos nos níveis eletrônicos dos átomos, ou seja, o conhecimento de sua configuração eletrônica é fundamental, pois, essa configuração é responsável pela repetição das propriedades dos átomos e das substâncias dos elementos. Os elétrons se distribuem na eletrosfera em posições diferentes, uns mais perto do núcleo e outros mais afastados, formando as chamadas camadas eletrônicas que são designadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q, sendo K a primeira camada, a mais próxima do núcleo como mostra a figura abaixo. Quanto mais próxima do núcleo está uma camada, maior é a atração que o núcleo exerce sobre os elétrons dela e menos energia potencial esses elétrons possuem. Em compensação, os elétrons das camadas mais afastadas do núcleo são atraídos por ele com intensidade menor, portanto possuem mais energia potencial. Isso significa que os elétrons mais próximos do núcleo, ou seja, os das camadas mais internas, são mais presos a ele, enquanto os elétrons das camadas mais externas são mais livres. Em outras palavras, um nível é mais energético quanto mais afastado ele estiver do núcleo, desta forma, podemos concluir que a energia potencial dos elétrons é crescente do nível mais interno para o nível mais externo da eletrosfera. Cada nível energético (ou camada) comporta um número máximo de elétrons, conforme mostra a tabela abaixo:
Dentro dos níveis energéticos, os elétrons apresentam quantidades de energia características. Cada uma dessas quantidades corresponde a uma subdivisão do nível, dando origem aos chamados subníveis energéticos. Eles são quatro, designados pelas letras minúsculas s, p, d, f. O esquema a seguir mostra o subnível ocupado pelo elétron mais energético dos elementos da tabela periódica. Fonte: Química no cotidiano volume 1 Também de maneira semelhante aos níveis, cada subnível comporta uma quantidade máxima de elétrons. O químico norte-americano Linus Pauling elaborou um diagrama que permite fazer a distribuição eletrônica segundo essa ordem crescente. O dispositivo ficou conhecido como Diagrama de Linus Pauling. De cima para
baixo, ele traz os níveis de energia em ordem crescente, representados pelos números de 1 a 7. Os subníveis que cada nível possui são representados pelas letras s, p, d, f. À direita de cada letra, um número sobrescrito indica a quantidade máxima de elétrons que o subnível comporta. As setas indicam o sentido em que o diagrama deve ser lido. Cada seta deve ser percorrida até o fim, para só então passarmos para o início da próxima. Fonte: Química no cotidiano volume 1 A leitura do diagrama nos fornece a ordem crescente dos subníveis de energia, que é a seguinte: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 10 7p 6 eletrônica: Desta forma, a tabela periódica apresenta a seguinte disposição
Observe também que os elementos representativos possuem subníveis mais energéticos: s ou p. Já os metais de transição, o subnível mais energético é o d, e nos metais de transição interna é o subnível f. A configuração eletrônica também está associada à posição dos átomos dos elementos na tabela periódica. Átomos de um mesmo grupo possuem o mesmo número de elétrons nos seus últimos níveis e subníveis. Com essas informações, podemos identificar a localização de um átomo de elemento químico na tabela. Por exemplo: O átomo de cálcio (Ca), metal alcalino terroso, possui Z= 20; sendo assim, ele possui 20 elétrons que estão distribuídos desta forma: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 Observe que, conforme a distribuição eletrônica em níveis energéticos, o átomo de cálcio possui quatro níveis e tem seu último elétron localizado no quarto nível. Com essa informação, sua localização na tabela periódica é no quarto período e no grupo dois, classificado como elemento representativo. Propriedades periódicas As propriedades periódicas são aquelas que, à medida que o número atômico aumenta, assumem valores crescentes ou decrescentes em cada período, ou seja, repetem-se periodicamente. Exemplo: o número de elétrons na camada de valência. Raio atômico: o tamanho do átomo O tamanho do átomo é uma característica difícil de ser determinada, pois a eletrosfera de um átomo não tem fronteira definida. De maneira geral, para comparar o tamanho dos átomos, devemos levar em conta dois fatores: 1) Número de níveis (camadas): quanto maior o número de níveis, maior será o tamanho do átomo. Caso os átomos comparados apresentem o mesmo número de níveis (camadas), devemos usar outro critério.
2) Número de prótons: o átomo que apresenta maior número de prótons exerce uma maior atração sobre seus elétrons, o que ocasiona uma redução no seu tamanho. Generalizando: Numa mesma família: o raio atômico (tamanho do átomo) aumenta de cima para baixo na tabela, devido ao aumento do número de níveis; Num mesmo período: o raio atômico aumenta da direita para a esquerda na tabela, devido a diminuição do número de prótons nesse sentido, o que diminui a força de atração entre os elétrons. Energia de ionização A energia de ionização (E.I) é a energia necessária para remover um ou mais elétrons de um átomo isolado no estado gasoso. Quanto maior o raio atômico, menor será a atração exercida pelo núcleo sobre o elétron mais afastado; portanto, menor será a energia necessária para remover esse elétron. Desta forma, quanto maior o tamanho do átomo, menor será a sua primeira energia de ionização. Generalizando: Numa mesma família: a energia de ionização aumenta de baixo para cima; Num mesmo período: a E.I. aumenta da esquerda para a direita.
Ao retirarmos o primeiro elétron de um átomo, ocorre uma diminuição do raio. Por esse motivo, a energia necessária para retirar o segundo elétron é maior. Assim, para um mesmo átomo, temos: 1ªE.I.<2ªE.I.<3ªE.I. Afinidade eletrônica ou eletroafinidade Afinidade eletrônica é a energia liberada quando um átomo isolado, no estado gasoso, captura um elétron. Numa família ou período, quanto menor o raio, maior a afinidade eletrônica. Eletronegatividade A eletronegatividade é a força de atração exercida sobre os elétrons de uma ligação. Não é uma grandeza absoluta, mas, sim, relativa. Ao estudá-la, na verdade estamos comparando a força de atração exercida pelos átomos sobre os elétrons de uma ligação. Essa força de atração tem relação com o raio atômico: quanto menor o tamanho do átomo, maior será a força de atração, pois a distância núcleo-elétron da ligação é menor. A eletronegatividade não é definida para os gases nobres. ilustração a seguir: As variações de eletronegatividade podem ser representadas pela Note que: Em uma mesma família, os elementos situados nos primeiros períodos apresentam valores maiores de eletronegatividade. Um dos elementos
situado acima do outro é mais eletronegativo. (A eletronegatividade do flúor do (2 período) é 4 e a do iodo (5e período) é 2,5). Em um período, de maneira geral, a eletronegatividade aumenta da família dos metais alcalinos para a dos halogênios. Sódio e cloro situamse no 3 período e a eletronegatividade do sódio é 0,9 e a do cloro é 3,0. Os gases nobres, por serem inertes, não tem tendência em atrair elétrons de outros átomos; portanto, não apresentam valores de eletronegatividade. Observe o gráfico abaixo da variação da eletronegatividade em função do número atômico: Podemos visualizar que, de maneira geral, à medida que o número atômico aumenta, a eletronegatividade apresenta valores crescentes para, em seguida, diminuir e, depois, voltar a crescer. Densidade Experimentalmente verifica-se que: 1) Entre os elementos das famílias IA e VIIA, a densidade aumenta, de maneira geral, de acordo com o aumento das massas atômicas, ou seja, de cima para baixo. 2) Num mesmo período, de maneira geral, a densidade aumenta das extremidades para o centro da tabela.
Assim, os elementos de maior densidade estão situados na parte central e inferior da tabela periódica, sendo o ósmio (Os) o elemento mais denso (22,5 g/cm 3 ). Difícil de ser trabalhado, mesmo a altas temperaturas, o ósmio é usado principalmente como endurecedor em ligas de metais platínicos, antes de ser substituído pelo rutênio. Na forma de ligas, emprega-se na fabricação de contatos elétricos e de pontas de canetas. O tetróxido de ósmio (OsO4) (substância tóxica, perigosa aos olhos, oxidante energético e volátil com um forte odor) é usado como agente oxidante em química orgânica e como corante para gorduras em biologia. O metal foi ainda amplamente usado como filamento das primeiras lâmpadas elétricas incandescentes, antes do uso do tungstênio. Temperatura de fusão (TF) e temperatura de ebulição (TE) Experimentalmente verifica-se que: 1) Nas famílias IA e IIA, os elementos de maiores TF e TE estão situados na parte superior da tabela. Na maioria das famílias, os elementos com maiores TF e TE estão situados geralmente na parte inferior. 2) Num mesmo período, de maneira geral a TF e a TE crescem das extremidades para o centro da tabela. Assim, a variação da TF e TE na tabela periódica pode ser representado pelo esquema abaixo. Entre os metais, o tungstênio (W) é o que apresenta maior TF: 3410 C. O carbono (C) pode formar estruturas com grande número de átomos, apresenta TF (3550 C) e TE (4287 C) elevados.
Volume atômico Quando usamos a expressão volume atômico, não estamos nos referindo ao volume de um átomo. Na verdade, usamos essa expressão para designar para qualquer elemento o volume ocupado por uma quantidade fixa de número de átomos. O volume atômico sempre se refere ao volume ocupado por 6,02 10 23 átomos, e pode ser calculado relacionando-se a massa desse número de átomos com a sua densidade. Assim, temos: Por meio das medidas experimentais, verifica-se que: 1) Numa mesma família, o volume atômico aumenta com o aumento do raio atômico; 2) Num mesmo período, o volume atômico cresce do centro para as extremidades. De maneira geral, a variação do volume atômico pode ser representada pelo seguinte esquema:
O quadro a seguir apresenta alguns elementos e suas características: Fonte: Química no cotidiano volume 1
Em foco... Os elementos e a manutenção da vida Prof. : Drielle Caroline Para facilitar o estudo da constituição da Terra, os geólogos costumam dividi-la em três camadas: núcleo, manto e crosta terrestre. O núcleo é a camada mais profunda, e acredita-se ser formada por níquel e ferro (NiFe), provavelmente fundidos. O manto localiza-se entre o núcleo e a crosta. Supõe-se que seja formado por oxigênio, silício e alumínio (OSiAl). A crosta terrestre é a camada mais externa, cuja profundidade é estimada em 40 km. Os 12 elementos que constituem 99,7% da crosta terrestre são (em ordem decrescente de abundância): O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti, H, P e Mn. A exemplo da Terra, o nosso corpo também é constituído por muitos elementos, os quais podem ser encontrados em quantidades muito grandes ou extremamente pequenas, chamadas traços. Independentemente da quantidade, todos esses elementos são fundamentais à manutenção da vida. Os oito elementos mais abundantes em nosso corpo são (em ordem decrescente de abundância): O, C, H, N, Ca, P, K e S. Outros elementos, denominados microelementos, são encontrados em nosso corpo em quantidades muito pequenas, o que não os torna menos importantes, pois sua ausência ou deficiência pode provocar sérias alterações nos processos biológicos. Observe, na tabela a seguir, alguns desses microelementos e a sua importância para o nosso corpo: Fonte: Química no cotidiano volume 1
O QUE VOCÊ APRENDEU? Uma das teorias mais aceitas sobre a origem do Universo afirma que o mesmo surgiu de uma grande explosão: o big-bangue. Essa grande sequência de eventos espalhou partículas de matéria que, aos poucos, se combinaram para constituírem átomos de diferentes elementos químicos. Atualmente, os elementos químicos são organizados na ordem crescente de número atômico, na tabela periódica. A tabela periódica é formada por linhas (períodos) e colunas (grupos ou famílias). Cada grupo apresenta propriedades químicas e físicas semelhantes que os diferencia dos demais. Na tabela periódica, os elementos são classificados em metais, não metais e gases nobres. Para compreender as informações disponíveis na tabela periódica é importante conhecer a forma como essa é organizada. E um dos padrões de organização é a periodicidade. As propriedades das substâncias dos elementos se repetem nas colunas quando estão em ordem crescente de número atômico. A forma como variam várias substâncias dos átomos, como o raio atômico, também se repetem de período a período. São chamadas propriedades periódicas que estão relacionadas com a configuração eletrônica dos átomos de cada elemento. Referências Bibliográficas: NÓBREGA, Olívio Salgado; SILVA, Eduardo Roberto; SILVA, Ruth Hashimoto. Química - Volume único. Ed. Ética, São Paulo, 2007. PERUZZO, Francisco Miragaia; CANTO, Eduardo Leite. Química na abordagem do cotidiano. Ed. Moderna, v.1, São Paulo, 2010. SANTOS, Wildson; MOL, Gerson. Química Cidadã. Ed. Nova Geração, v.1, São Paulo, 2010. USBERCO, João; SALVADOR, Edgard. Química Volume único. Ed. Saraiva, São Paulo, 2013.