EstruturaEstrutura AtômicaAtômicaEstruturaEstrutura AtômicaAtômica

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica

• Os gregos antigos foram os primeiros a postular que a matéria é constituída de elementos indivisíveis.

Th l á • Thales – água

• Anaxímenes – ar

H á lit f• Heráclito – fogo

• Empédocles – terra, ar, água e fogo (grande erro do pensamento humano )pensamento humano…)

• Leupico – “a matéria é discreta ou contínua?” - átomos

• Demócrito – existem muitos tipos de átomos (V AC)Demócrito existem muitos tipos de átomos (V AC)

Teoria atômica da matériaTeoria atômica da matéria• John Dalton:

Cada elemento é composto de átomos– Cada elemento é composto de átomos.– Todos os átomos de um elemento são idênticos.– Nas reações químicas os átomos não são alterados– Nas reações químicas, os átomos não são alterados.

• Os compostos são formados quando átomos de mais de um elemento se combinam.

• Lei de Dalton das proporções múltiplas: Quando dois elementos formam diferentes compostos, a proporção da massa dos elementos

t tá l i d à ã d d t em um composto está relacionada à proporção da massa do outro através de um número inteiro pequeno.

• Mais tarde, os cientistas constataram que o átomo era constituído de entidades carregadas. – Faraday e seus co st tu do de e t dades ca egadas a aday e seusexperimentos de eletroquímica…

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

Raios catódicos e elétrons

atômicaatômicaRaios catódicos e elétrons

• Um tubo de raios catódicos é um recipiente com um eletrodo em cada extremidade.

• Uma voltagem alta é aplicada através dos eletrodos.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R i tódi lét

atômicaatômica

Raios catódicos e elétrons

A lt f tí l ti d l d • A voltagem faz com que partículas negativas se desloquem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo.

• A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença de um campo magnético.

• Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo através de um pequeno orifício.– Se eles interagirem com um campo magnético perpendicular a

um campo elétrico aplicado os raios catódicos podem sofrer um campo elétrico aplicado, os raios catódicos podem sofrer diferentes desvios.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R i tódi lét

atômicaatômica

Raios catódicos e elétrons

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R i tódi lét

atômicaatômica

Raios catódicos e elétrons

A tid d d d i d i tódi d d d – A quantidade de desvio dos raios catódicos depende dos campos magnético e elétrico aplicados.

– Por sua vez, a quantidade do desvio também depende da Por sua vez, a quantidade do desvio também depende da proporção carga-massa do elétron.

• Em 1897, Thomson determinou que a proporção carga-massa de um elétron é 1,76 × 108 C/g.

• Objetivo: encontrar a carga no elétron para determinar sua massa.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R di ti id d

atômicaatômica

RadioatividadeConsidere o seguinte experimento:• Uma substância radioativa é colocada em um anteparo contendo • Uma substância radioativa é colocada em um anteparo contendo

um pequeno orifício de tal forma que um feixe de radiação seja emitido pelo orifício.p

• A radiação passa entre duas chapas eletricamente carregadas e é detectada.T ê b d d• Três pontos são observados no detector:– um ponto no sentido da chapa positiva, – um ponto que não é afetado pelo campo elétricoum ponto que não é afetado pelo campo elétrico,– um ponto no sentido da chapa negativa.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica

Radioatividade

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R di ti id d

atômicaatômica

Radioatividade• Um alto desvio no sentido da chapa positiva corresponde à

radiação que é negativamente carregada e tem massa baixa Essa se radiação que é negativamente carregada e tem massa baixa. Essa se chama radiação β (consiste de elétrons).

• Nenhum desvio corresponde a uma radiação neutra. Essa se chama p çradiação γ.

• Um pequeno desvio no sentido da chapa carregada negativamente corresponde à radiação carregada positivamente e de massa alta. Essa se chama radiação α.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R i tódi lét

atômicaatômica

Raios catódicos e elétrons

C id i t i tConsidere o seguinte experimento:• Gotas de óleo são borrifadas sobre uma chapa carregada

positivamente contendo um pequeno orifício. positivamente contendo um pequeno orifício. • À medida que as gotas de óleo passam através do orifício, elas são

carregadas negativamente.• A gravidade força as gotas para baixo. O campo elétrico aplicado

força as gotas para cima.• Quando uma gota está perfeitamente equilibrada seu peso é igual à • Quando uma gota está perfeitamente equilibrada, seu peso é igual à

força de atração eletrostática entre a gota e a chapa positiva.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R i tódi lét

atômicaatômica

Raios catódicos e elétrons

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

R i tódi lét

atômicaatômica

Raios catódicos e elétrons

Utili d t i t Millik d t i • Utilizando este experimento, Millikan determinou que a carga no elétron é 1,60 x 10-19 C.

• Conhecendo a proporção carga-massa, 1,76 x 108 C/g, Millikan calculou a massa do elétron: 9,10 x 10-28 g.

• Com números mais exatos, concluimos que a massa do elétron é 9 10939 x 10-28 g9,10939 x 10 28 g.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

O át ú l

atômicaatômica

O átomo com núcleo• Pela separação da radiação,

conclui se que o átomo consiste de conclui-se que o átomo consiste de entidades neutras e carregadas negativa e positivamente.g p

• Thomson supôs que todas essas espécies carregadas eram

d fencontradas em uma esfera.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

O át ú l

atômicaatômica

O átomo com núcleo Rutherford executou o seguinte experimento:• Uma fonte de partículas α foi colocada na boca de um detector • Uma fonte de partículas α foi colocada na boca de um detector

circular.• As partículas α foram lançadas através de um pedaço de chapa de p ç p ç p

ouro.• A maioria das partículas α passou diretamente através da chapa,

d isem desviar.• Algumas partículas α foram desviadas com ângulos grandes.• Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto o resultado Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto, o resultado

de Rutherford seria impossível.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

O át ú l

atômicaatômica

O átomo com núcleo

P f i i d tí l t é d • Para fazer com que a maioria das partículas α passe através de um pedaço de chapa sem sofrer desvio, a maior parte do átomo deve consistir de carga negativa difusa de massa baixa − o elétron.consistir de carga negativa difusa de massa baixa o elétron.

• Para explicar o pequeno número de desvios grandes das partículas α, o centro ou núcleo do átomo deve ser constituído de uma carga positiva densa.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô i

O át ú l

atômicaatômica

O átomo com núcleo• Rutherford modificou o modelo de

Thomson da seguinte maneira:Thomson da seguinte maneira:

– Suponha que o átomo é esférico p qmas a carga positiva deve estar localizada no centro, com uma

i dif carga negativa difusa em torno dele.

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica

A descoberta da estrutura A descoberta da estrutura tô itô iatômicaatômica

• O átomo consite de entidades neutras, positivas e negativas (prótons elétrons e nêutrons)(prótons, elétrons e nêutrons).

• Os prótons e nêutrons estão localizados no núcleo do átomo, que é p , qpequeno. A maior parte da massa do átomo se deve ao núcleo.– Pode haver um número variável de nêutrons para o mesmo

ú d ó O i ó ê ú d número de prótons. Os isótopos têm o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons.

• Os elétrons estão localizados fora do núcleo. Grande parte do volume do átomo se deve aos elétrons.

A visão moderna da estrutura A visão moderna da estrutura tô itô i

Isótopos números atômicos e números de massa

atômicaatômicaIsótopos, números atômicos e números de massa

• Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo Número de Número atômico (Z) = número de prótons no núcleo. Número de massa (A) = número total de núcleos no núcleo (por exemplo, prótons e nêutrons).

• Por convenção, para um elemento X, escreve-se XAZ

• Isótopos têm o mesmo Z, porém A é diferente.Z

• Encontramos o Z na tabela periódica.

Pesos atômicosPesos atômicosA escala de massa atômica

• A massa do 1H é 1,6735 x 10-24 g e do 16O é 2,6560 x 10-23 g.

• Definimos: a massa de 12C = exatamente 12 u.

• Usando unidades de massa atômica:

1 u = 1,66054 x 10-24 g1 g = 6,02214 x 1023 u

Como 1mol = 6,02214 x 1023 unidades, Podemos associar u e g para 1 mol de substânciaPodemos associar u e g para 1 mol de substância

Pesos atômicosPesos atômicosMassas atômicas médias

• A massa atômica relativa: massas médias dos isótopos:– O C natural: 98,892 % de 12C + 1,107 % de 13C., ,

• A massa média do C: (0 9893)(12 ) (0 010 )(13 00335) 12 01 • (0,9893)(12 u) + (0,0107)(13,00335) = 12,01 u

• A massa atômica (MA) é também conhecida como massa atômica • A massa atômica (MA) é também conhecida como massa atômica média, ou simplesmente peso atômico.

• As massas atômicas estão relacionadas na tabela periódica.

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

O d l d B h

modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohr• Rutherford supôs que os elétrons orbitavam o núcleo da mesma

forma que os planetas orbitam em torno do sol.

• Entretanto, uma partícula carregada movendo em uma trajetória circular deve perder energia.

• Isso significa que o átomo deve ser instável de acordo com a teoria d R h f dde Rutherford.

Natureza ondulatória da luzNatureza ondulatória da luz

Natureza ondulatória da luzNatureza ondulatória da luz

• Todas as ondas têm um comprimento de onda característico, λ, e uma amplitude, A.

• A frequência, ν, de uma onda é o número de ciclos que passam por dum ponto em um segundo.

• A velocidade de uma onda, V, é dada por sua frequência lti li d l i t d d V λmultiplicada pelo seu comprimento de onda. V=ν. λ

• Para a luz, velocidade = c = ν. λ

Natureza ondulatória da luzNatureza ondulatória da luz

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohrmodelo de Bohrmodelo de Bohr

• Bohr observou o espectro de linhas de determinados elementos e admitiu que os elétrons estavam confinados em estados específicos de energia Esses foram denominados órbitas ou camadasde energia. Esses foram denominados órbitas, ou camadas.

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohrmodelo de Bohrmodelo de Bohr

Espectros de linhas• Balmer: descobriu que as linhas no espectro de linhas visíveis do

hidrogênio se encaixam em uma simples equação.

• Mais tarde Rydberg generalizou a equação de Balmer• Mais tarde, Rydberg generalizou a equação de Balmer para:

⎞⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅= 2

221

111096781nnλ

em que 109678 é uma constante empírica.

⎠⎝ 21

q p

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohr

modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohr• Já que os estados de energia são quantizados, a luz emitida por

át it d d ti d t dátomos excitados deve ser quantizada e aparecer como espectro de linhas.

• Após muita matemática Bohr mostrou que• Após muita matemática, Bohr mostrou que

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×−= −

218 1J 1018.2E

onde n representa o número da camada em que se encontra o elétron mais tade conhecida como número quântico principal (por

( )⎠⎝ 2n

elétron, mais tade conhecida como número quântico principal (por exemplo, n = 1, 2, 3, … e nada mais).

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohr

modelo de Bohrmodelo de BohrO modelo de Bohr

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

OO ensaioensaio dede chamaschamas

modelo de Bohrmodelo de Bohr

O O ensaioensaio de de chamaschamas

Li Na K

Energia quantizada e fótonsEnergia quantizada e fótons

• Planck: a energia só pode ser liberada (ou absorvida) por átomos em certos pedaços de tamanhos mínimos, chamados quantum.

• A relação entre a energia e a frequência éonde h é a constante de Planck (6,626 × 10-34 J s).

ν= hE

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohr

modelo de Bohrmodelo de Bohr

O modelo de Bohr• Podemos mostrar que

( )⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−×−=

λ=ν=Δ −

2218 11J 1018.2

nnhchE

• Quando ni > nf, a energia é emitida.

⎟⎠

⎜⎝λ if nn

f

• Quando nf > ni, a energia é absorvida.

( ) ⎞⎛18( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

×−=

−

22

18 11J1018.21

if nnhcλ

109730

ExercícioExercício

Espectros de linhas e o Espectros de linhas e o modelo de Bohrmodelo de Bohr

Limitações do modelo de Bohr

modelo de Bohrmodelo de Bohr

Limitações do modelo de Bohr

• Pode explicar adequadamente apenas o espectro de linhas do átomo de hidrogênio.

• Os elétrons não são completamente descritos como partículas pequenas.

O Comportamento O Comportamento ondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matéria

• Sabendo-se que a luz tem uma natureza de partícula, parece razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória.razoável perguntar se a matéria tem natureza ondulatória.

• Utilizando as equações de Einstein e de Planck, De Broglie mostrou:

m vh

=λ

• O momento, mv, é uma propriedade de partícula, enquanto λ é uma propriedade ondulatória.d B li i i d d í l f i• de Broglie resumiu os conceitos de ondas e partículas, com efeitos notáveis se os objetos são pequenos.

O Comportamento O Comportamento ondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matériaondulatório da matéria

O Comportamento O Comportamento ondulatório da matériaondulatório da matéria

O princípio da incerteza

ondulatório da matériaondulatório da matéria

O princípio da incerteza• O princípio da incerteza de Heisenberg: na escala de massa de

tí l tô i ã d d t i t tpartículas atômicas, não podemos determinar exatamente a posição, a direção do movimento e a velocidade simultaneamente.

• Para os elétrons: não podemos determinar seu momento e sua posição simultaneamenteposição simultaneamente.

• Mas podemos baseando nos na estatística determinar a• Mas podemos, baseando-nos na estatística, determinar a probabilidade de encontrar um elétron em determinada região.

Mecânica quântica e Mecânica quântica e orbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicos

• Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e tí l f t tí tipartícula, com enfoque estatístico.

A l d l à f d d d fi• A resolução da equação leva às funções de onda, que definem o elétron em termos de energia, posição espacial no átomo, etc.

• O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de se encontrar o elétron isto é dá a densidade eletrônica para o átomo eencontrar o elétron, isto é, dá a densidade eletrônica para o átomo e nos leva à definição de orbital.

Mecânica quântica e Mecânica quântica e orbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicosorbitais atômicos

• Equações de Schrödinger:

PartículasPartículas elementareselementares……

• O Modelo Padrão: