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QUÍMICA TECNOLÓGICAGERAL – Aula 5

PROF. JORGE WILSON

profjwps@gmail.com

OS ELÉTRONSO MODELO DA MECÂNICA QUANTICA E AS

ENERGIAS ELETRÔNICAS

• Durante a primeira parte do século XX, afísica sofreu uma revolução que acabou por

influenciar todas as outras ciências. Estarevolução teve início na mecânica, parte dafísica que estuda as forças e seus efeitos

sobre o movimento dos objetos.

O INSUCESSO DA MECÂNICA CLÁSSICA

Embora uma comparação superficial entre a mecânicaclássica e a mecânica quântica mostre poucassemelhanças, quando se aplica a mecânica quântica aobjetos grandes, suas relações matemáticas podem sersimplificadas e reduzidas às da mecânica clássica. Assimsendo, a mecânica clássica pode ser considerada comouma versão simplificada da mecânica quântica, que éperfeitamente adequada para a explicação e previsão do

movimento de objetos grandes. Entretanto, para objetospequenos como os elétrons, a simplificação é falha.

O PRINCÍPIO DA INCERTEZA DE HEISENBERG“É impossível conhecer

simultaneamente e com certeza aposição e o momento (é o produtoda massa vezes a velocidade) deuma pequena partícula, tal como

um elétron”.

EM OUTRAS PALAVRAS

Quanto mais de perto tentarmosolhar uma partícula diminuta,

tanto mais difusa se toma a visãoda mesma!

OS NÍVEIS ELETRÔNICOS DE ENERGIAORBITAIS

• Os orbitais correspondem aos estados individuais que

podem ser ocupados por um elétron em um átomo.• É conveniente imaginar um orbital simplesmente como

um nível de energia.

• Cada orbital no átomo acomoda no máximo dois elétronse, quando dois elétrons ocupam o mesmo orbital, sãoditos emparelhados.

• Orbital é a região onde é mais provável encontrar umelétron.

OS NÍVEIS ELETRÔNICOS DE ENERGIA

Dirac calculou estas regiões deprobabilidade e determinou osquatro Números Quânticos, que são:principal (n), secundário (l),magnético (m

l) e de spin (m

Número Quântico Principal (n):• Este número quântico localiza o elétron em seu

nível de energia. Ele assume valores que vão de1 até o infinito, mas para os átomos conhecidosatualmente com, no máximo, 7 camadas

teremos uma variação de 1 até 7.n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

NÍVEL 1 2 3 4 5 6 7

CAMADA K L M N O P Q

Número Quântico Secundário ou

Momento Angular ou Azimutal (l):• Localiza o elétron no seu subnível de energia e

dá o formato do orbital. Pode assumir valoresque vão desde ZERO até n - 1. Para átomosconhecidos: l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6

• Cada valor de nível "l" indica a presença de umsubnível. Os subníveis são representados pelas

letras minúsculas (s, p, d, f, g, h, i, etc...)

VALOR DE “l” 0 1 2 3 4 5 6

SUBNÍVEL s p d f g h i

Número Quântico Secundário ou

Azimutal (l):Sempre existirá, para cada nível: 1 orbital s, 3

orbitais p e 5 orbitais d e 7 orbitais f. Como cadaum destes podem comportar até 2 elétrons pode-se esperar que o número de elétrons que estes

orbitais podem acomodar é:

Em relação aos níveis de energia temos o seguinte:Em relação aos níveis de energia temos o seguinte:

1º Nível --> existe apenas o orbital atômico s• 2º Nível --> existem os orbitais s e p

3º Nível --> existem os orbitais s, p e d• 4º Nível --> existem os orbitais s, p, d e f

• 5º Nível --> existem os orbitais s, p, d, f e g

• 6º Nível --> existem os orbitais s, p, d, f, g e h

• 7º Nível --> existem os orbitais s, p, d, f, g, h e i

Formas dos OrbitaisORBITAL s

Formas dos OrbitaisORBITAL p

Formas dos OrbitaisORBITAL d

Formas dos Orbitais

ORBITAL f

Número Quântico Magnético(ml):• Localiza o elétron no orbital e dá a orientação

espacial dos orbitais. O número quânticomagnético pode assumir valores que vão desde - laté + l, passando pelo zero.

ml = - l,....0,....+l• Sendo l = n° quântico secundário

Se l = 0, então ml= 0

l = 1, então ml = -1, 0, +1

Se l = 2, então ml = -2, -1, 0, +1, +2

Número Quântico Magnético(ml):

Valores de l Subnível Valores ml n. Deorbitais/

orientação

0 s 0 1

1 p -1, 0, +1 3

2 d -2, -1, 0, 1, 2 5

3 f -3, -2, -1 , 0, 1, 2, 3 7

Número Quântico Magnético(ml):

Diagrama de Níveis de Energia

Cada orbital é representado por umtraço;

A energia da subcamada aumentacom o valor de n;

Com o aumento de n, o espaço entreas subcamadas diminui ;

A partir de n=3 ocorre sobreposiçãode camadas;

Os orbitais de uma mesmasubcamada possuem a mesma

energia nos átomos isolados.

Atkins, P. e Jones, L., Princípios de Química.

Questionando a Vida Moderna e o Meio

Ambiente. Trad. Ignez Caracelli, et. al. Porto

Alegre: Bookman, 2001. 914p.

Número Quântico SPIN(ms):

Está relacionado à rotação do elétron. Esse númeroquântico é utilizado para distinguir os elétrons de

um mesmo orbital, refere-se a duas orientaçõespossíveis para o eixo do spin de um elétron.

Número Quântico SPIN(ms):• O quarto número quântico é o número

quântico spin, ms.• Ele especifica o spin do elétron e possui um

valor de + 1/2 ou - 1/2.

A EXPERIÊNCIA DE OTTO STERN E WALTHER GERLACH.

Em uma série de experimentos, eles empregaram amostras de

diferentes metais aquecidos a altas temperaturas em um forno, com umpequeno orifício lateral. A experiência consiste na passagem de umfeixe de átomos metálicos, vaporizados, por um campo magnético não-homogêneo (não-uniforme).

RESULTADOS

Com alguns metais não houve desvio dofeixe. Com outros, tais como o sódio, Stern eGerlach observaram que o feixe dividiu-seem dois componentes, um sendo desviadopara cima e outro para baixo.

O que causa o desvio de um feixe de

átomos neutros, como o observadona experiência de Stern-Gerlach?

O Átomo de Sódio “Na”

1 s 2 s 2p 3 s

RESULTADOS•

De acordo com os princípios da física, qualquer partículacom carga ou com spin tem um momento magnético. (Istosignifica que ela atua como se fosse um pequenino ímã);

Se tal partícula atravessar um campo magnético não-homogêneo, uma força é exercida sobre ela e a direçãodesta força depende da direção do spin da partícula;

Estas considerações explicam o desvio do feixe de átomosde sódio na experiência citada, do seguinte modo: umátomo de sódio contém 11 elétrons dos quais 10 estão

emparelhados em 5 orbitais;• O spin do último elétron está em uma das duas direções.

(Imagine-o movendo-se no sentido horário ou anti-

horário); 27

RESULTADOS•

Quando dois elétrons estão aos pares em um mesmo orbital,seus spins estão em direções opostas, havendo assim umacompensação de forças magnéticas.

• Entretanto, o décimo - primeiro elétron do átomo de sódio

está desemparelhado em um sexto orbital, e a força noátomo devido à presença deste elétron produz o desvio dofeixe.

• O fato de que o feixe de átomos de sódio é dividido em doiscomponentes mostra que numa metade dos átomos os spins,inclusive do elétron desemparelhado, estão em uma direção,

e na outra metade os spins estão na direção oposta.• Os átomos com todos os elétrons emparelhados não sofrem

desvio;• A experiência de Stern-Gerlach é a mais direta evidência de

que os elétrons possuem spin. 28

A REGRA DE HUNDA regra de Hund, como o próprio nome indica, foi formuladapela primeira vez, em 1927, pelo físico alemão Friedrich Hundque nasceu a 4 de Fevereiro de 1896, em Karlsruhe na

Alemanha, e faleceu a 31 de Março de 1997, também emKarlsruhe.A Regra de Hund diz que:

"Os elétrons são distribuídos isoladamente e com o mesmo

spin."“Os elétrons são emparelhados com spins contrários”

Ou seja, durante o preenchimento das orbitais de um mesmo

nível energético, deve-se colocar em primeiro lugar em todaselas um só elétron, todos com o mesmo spin, antes de seproceder à lotação completa dessas orbitais. Os próximos

elétrons a serem colocados deverão apresentar spinsantiparalelos em relação aos já presentes. 29

RESUMO DOS NÚMEROS QUÂNTICOS

Distribuição EletrônicaMáximo por Camadas

• K - Suporta 2 Elétrons

• L - Suporta 8 Elétrons

• M - Suporta 18 Elétrons

N - Suporta 32 Elétrons• O - Suporta 32 Elétrons

• P - Suporta 18 Elétrons

• Q - Suporta 8 Elétrons

Máximo por Subníveis•s - 2 elétrons•p - 6 elétrons•d - 10 elétrons•f - 14 elétrons•g - 18 elétrons

Distribuição Eletrônica

• O diagrama é representado assim: – K: 1s2

– L: 2s2 2p6

– M: 3s2 3p6 3d10

– N: 4s2 4p6 4d10 4f 14

– O: 5s2 5p6 5d10 5f 14

– P: 6s2 6p6 6d10

– Q: 7s2 7p6

– R: 8s2 8p6 7d10 6f 14 5g18

• A ordem do diagrama que se lê é: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2,3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d10, 5p6, 6s2, 4f 14, 5d10, 6p6,7s2, 5f 14, 6d10, 7p6, 8s2, 5g18, 6f 14, 7d10, 8p6.

Diagrama de Linus Pauling

O PRINCÍPIO DE EXCLUSÃO DE PAULI• Não podem existir dois elétrons num dado

átomo no mesmo estado.• Este é um enunciado grosseiro do princípio de

exclusão de Pauli, que, em geral, é escrito daseguinte maneira:

Não existem dois elétrons num átomo que

possuam os mesmos valores para todos osnúmeros quânticos.

Números quânticos para cada um dos 17

elétrons de um átomo de cloro.

A TABELA PERIÓDICAA lei periódica estabelece que quando os

elementos são listados,sequencialmente, em ordem crescente

do número atômico, é observada umarepetição periódica em suas propriedades.

BREVE HISTÓRICO• Em suas tabelas periódicas, Meyer e Mendeleev

listaram os elementos em ordem crescente demassa atômica.

• Atualmente sabemos que a periodicidade é mais

facilmente visualizada se a listagem for feita emordem crescente do número atômico.

TABELA PERIÓDICA - GRUPOS• Os grupos maiores consistem em cinco ou seis elementos e são

chamados grupos representativos, principais ou grupos A.• São enumerados de IA até VIIA, mais o grupo 0.•

O grupo 0 consiste nos gases nobres e algumas vezes é chamadogrupo VIIIA;• Comumente, o "A" é omitido nestas designações, e assim os

halogênios correspondem ao grupo VIIA ou grupo VII. Os

elementos destes grupos são conhecidos como elementosrepresentativos.

• Os grupos menores encontrados na região central da tabela

periódica são chamados grupos de transição, subgrupos ougrupos B. São enumerados por algarismos romanos e pela letra B.• Os elementos deste grupo são conhecidos como elementos de

transição.39

TABELA PERIÓDICA PERÍODOS

TABELA PERIÓDICA - PERÍODOS•

As filas horizontais da tabela periódica são chamadasperíodos e são enumeradas com algarismos arábicos de 1 a7.

• Observe que os períodos variam grandemente em

comprimento: o primeiro período consiste em somentedois elementos, o sexto período consiste em 32 elementos,em parte porque estão incluídos os lantanóides;

• O termo lantanóide é recomendado pela IUPAC, embora

não seja de uso comum dos Estados Unidos. Um termomais antigo é elemento terra-rara.

• O sétimo período também consiste (potencialmente) em 32elementos, pois estão incluídos os 14 elementos actinóides;

• A IUPAC recomenda o termo actinóide. Um termo maisantigo é elemento terra-rara pesado.

• Os lantanóides e actinóides são conjuntamente chamados

elementos de transição interna. 40

HIDROGÊNIO UMA EXCESSÃO• Observe que o hidrogênio é posicionado,

isoladamente, na parte superior da tabela periódica.• Isto é feito porque as propriedades do hidrogênio

são particulares.

• Algumas versões da tabela periódica posicionam ohidrogênio acima do lítio (grupo IA) e/ou acima doflúor (grupo VIIA).

• Contudo, o hidrogênio pouco apresenta daspropriedades dos metais alcalinos ou dos halogênios.

NOMENCLATURAS USUAIS DAS FAMÍLIAS OU

NOMENCLATURAS USUAIS DAS FAMÍLIAS OUGRUPOS

• Cada novo período, após o primeiro natabela periódica, tem início com um metal

alcalino (grupo IA) e termina com um gásnobre (grupo 0 ou VIIIA).

Entre os elementos, alguns têm nomesespeciais:

– Metais alcalinos terrosos, do grupo IIA;

– Calcogênios do grupo VIA;

– Os elementos do grupo VIIA são denominados

halogênios. 42

A TABELA PERIÓDICA

A TABELA PERIÓDICA E A ORDEM DE PREENCHIMENTO

EXERCÍCIOS

01. (ACAFE) Considerando-se um elemento M genérico qualquer,que apresenta configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5,pode-se afirmar que:

I. seu número atômico é 25;II. possui 7 elétrons na última camada;III. apresenta 5 elétrons desemparelhados;IV. pertencem a família 7A.

Estão corretas as afirmações:

a) I, II e III somenteb) I e III somentec) II e IV somented) I e IV somente

e) II, III e IV somente 45

02. (UFSC) O número de elétrons em cada subnível

02. (UFSC) O número de elétrons em cada subníveldo átomo estrôncio (38Sr) em ordem crescente de

energia é:

a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2

b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p6 3d10 5s2

c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s2

d) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4p6 4s2 3d10 5s2

e) 1s2 2s2 2p6 3p6 3s2 4s2 4p6 3d10 5s2

3. (OSEC) Sendo o subnível 4s1 (com um elétron) o maisé d á d f

energético de um átomo, podemos afirmar que:

I. o número total de elétrons desse átomo é igual a 19;II. esse apresenta quatro camadas eletrônicas;III. a sua configuração eletrônica é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1

a) Apenas a firmação I é correta.b) Apenas a firmação II é correta.c) Apenas a firmação III é correta.

d) As afirmações I e II são corretas.e) As afirmações II e III são corretas.

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