ESTRUTURA ATÔMICA

- ÁTOMOS, MOLÉCULAS E ÍONS

- MODELOS ATÔMICOS

Prof. Julliana Izabelle Simionato

POR QUE AS SUBSTÂNCIAS POSSUEM DIFERENTES PROPRIEDADES?

• POR QUE A ÁGUA É LÍQUIDA?

• POR QUE DOIS ÁTOMOS DE HIDROGÊNIO FORMAM MOLÉCULAS QUE DÃO ORIGEM A

UM GÁS?

• POR QUE O CLORO PODE FORMAR COMPOSTOS SÓLIDOS, LÍQUIDOS OU

GASOSOS À TEMPERATURA AMBIENTE?

MATÉRIA =

MASSA

+

ENERGIA

+

VOLUME

Os Elementos Químicos

• Final do Séc. XVIII e início do Séc. XIX:

– Trabalhos de Lavoisier, Proust e Dalton:

• Conclusão: “todo e qualquer tipo de matéria é formada por partículas extremamente pequenas denominadas átomos”.

Tentativa de explicar o “mundo como se vê” (macroscópico) através da hipótese de um “mundo

invisível” (microscópico) formado pelos átomos.

QUÍMICA DO MACRO AO MICRO

ÁTOMOS

MOLÉCULAS

SUBSTÂNCIA ou composto molecular

TODAS AS SUBSTÂNCIAS QUE EXISTEM NO MUNDO SÃO FORMADAS A PARTIR DA COMBINAÇÃO DE POUCO MAIS DE 100

DIFERENTES ELEMENTOS QUÍMICOS

U

C É

L N D

U C

É

L N

Evolução

LEUCIPO E DEMÓCRITO

Mais de 2400 anos atrás: GRÉCIA

ÁTOMO = (A) NÃO (TOMO) DIVIDIR

Os Fundamentos da Teoria de Dalton

Dalton fundamentava seu modelo através de alguns conceitos: • Tudo que existe na natureza é formado por pequenas partículas

microscópicas denominadas átomos; • Estas partículas, os átomos, são indivisíveis (não é possível seccionar um

átomo) e indestrutíveis (não se consegue destruir mecanicamente um átomo);

• O número de tipos de átomos (respectivos a cada elemento) diferentes possíveis é pequeno;

• Átomos de elementos iguais sempre apresentam características iguais, bem como átomos de elementos diferentes apresentam características diferentes. Sendo que, ao combiná-los, em proporções definidas, definimos toda a matéria existente no universo;

• Os átomos assemelham-se a esferas maciças que se dispõem através de empilhamento;

• Durante as reações químicas, os átomos permaneciam inalterados. Apenas configuram outro arranjo;

Experimentos Clássicos (Thomson, Rutherford, Chadwick):

OS EXPERIMENTOS CLÁSSICOS DERAM UMA “ESTRUTURA” PARA ESTE ÁTOMO

• Algo formado por um grande espaço vazio, ocupado por minúsculos elétrons, que permanecem em prováveis regiões nas

proximidades do núcleo – um pequeno e massivo conjunto de prótons (+) e nêutrons,

mais de 100.000 vezes menor que o átomo ao qual pertence.

• Tanto os prótons como os nêutrons, por sua vez, são formados por outras subpartículas: os

quarks - cada próton ou nêutron é formado por 3 quarks. A energia que mantém todas

estas partículas e subpartículas unidas é muito grande, e pode ser aproveitada, tal como

ocorre em processos de obtenção de energia nuclear (usinas e bombas nucleares).

Na extensão de 1 milímetro, algo da ordem de 10.000.000 átomos estão enfileirados,

um junto ao outro

Analogia ao sistema planetário em miniatura: os prótons e nêutrons estão muito próximos uns dos outros, numa região central muito pequena do átomo (imagine o Sol) chamada núcleo, enquanto os

elétrons giram ao seu redor (imagine os planetas do sistema solar) a distâncias variáveis e relativamente grandes.

Considerações importantes... • O átomo é dinâmico, uma vez que todos seus constituintes se movimentam: os elétrons

estão sempre girando em torno do núcleo, enquanto que os prótons e nêutrons vibram dentro do núcleo e os quarks dentro dos prótons e dos nêutrons.

• O núcleo possui carga positiva devido somente a carga dos prótons, já que os nêutrons não possuem carga alguma. O número de prótons e, consequentemente, a carga do núcleo, são características fundamental do átomo: o que identifica um elemento é justamente o número de prótons (Z) do seu núcleo.

• Embora o número de prótons seja sempre o mesmo, o número de nêutrons pode diferir em átomos de um mesmo elemento, gerando átomos com massas atômicas (A) ligeiramente diferentes.

• Dois átomos com o mesmo Z, porém com diferente A, são chamados de isótopos. Alguns isótopos são muito estáveis: a combinação adequada entre nêutrons e prótons parece conferir sua estabilidade.

• Outros, entretanto, possuem núcleos particularmente instáveis: os núcleos se "quebram" espontaneamente, por vários processos, resultando na emissão de radiação, sob a forma de partículas e/ou energia.

Um determinado isótopo do Rádio (A=226), por exemplo, pode sofrer um decaimento

espontâneo para outro elemento (Radônio A=222 Z=86), liberando partículas alfa (núcleos

de Hélio).

Afinal qual é a partícula elementar que compõe a matéria?

• Entretanto, é importante ressaltar que os quarks não vivem isolados; eles só existem quando confinados

no interior de prótons e nêutrons, enquanto os elétrons são partículas solitárias vagando ao redor do núcleo. É usual utilizar a denominação núcleons para

prótons e nêutrons.

QUARKS

Os quarks são partículas elementares que se combinam

para formar os prótons e os nêutrons nos núcleos

atômicos. Já foram identificados seis tipos de quarks: up (u),

down (d), charmoso (c), estranho (s), top (t) e o

bottom (b), sendo o próton constituído por dois quarks up e um down enquanto o nêutron é

formado por um quark up e dois quarks down.

• Os quarks apresentam duas características interessantes: têm carga fracionária e só existem em grupos e dentro do núcleo.

• As partículas que mantém os quarks unidos no interior de prótons e nêutrons no núcleo são denominadas glúons. Os quarks e os glúons

são tão unidos que ainda não foi possível separá-los.

Que tipo de partícula é o Quark?

• Partículas formadas por quarks, como é o caso dos prótons e nêutrons, são chamadas de Hádrons.

• Na verdade existem dois tipos de hádrons: os compostos por TRÊS quarks denominados bárions e

representados por (qqq) e os compostos por um quark (q) e um antiquark, (-q), chamados de mésons.

Só para ter ideia do universo complexo que é a estrutura interna do núcleo, já foram identificadas a

ordem de 140 tipos de MÉSONS!

Antimatéria

• Uma partícula e sua respectiva antipartícula possuem a mesma massa e mesmo

comportamento; o que as difere é o fato de terem cargas opostas. Além disso, quando se

encontram se anulam, convertendo-se em PURA ENERGIA, e podendo formar outras

partículas

Falamos do núcleo. E os elétrons?

• Enquanto os núcleons (prótons e nêutrons) são classificados como hádrons, pois são constituídos

por grupos de quarks, os elétrons, que são solitários, pertencem à categoria de Léptons.

• Além do elétron, existem mais cinco léptons: o múon (m) e o tau (t), que como elétron possuem

carga, e três tipos de neutrinos (n), com massa muito pequena e sem carga. "Suspeita-se" que os

léptons não possuam estrutura interna.

• No caso dos neutrinos, o que já se sabe é que são em grande número no Universo. Para se ter ideia estima-se que para cada próton existam bilhões de neutrinos.

• Os pesquisadores acreditam que os neutrinos sejam provenientes de reações nucleares que ocorrem nas estrelas, e que eles podem atravessar não só a Terra mas o Universo inteiro sem que sua trajetória seja interrompida!!!

• Para se ter uma ideia, estima-se que a cada 100 trilhões de neutrinos que cruzam a Terra, somente um sofre alguma colisão por aqui!

• Outra descoberta importante com relação aos léptons é que, ao contrário do elétron que é um dos constituintes fundamentais, tanto o múon como o tau, não são encontrados em

toda matéria pois, por serem instáveis (isto é, radioativos), decaem rapidamente formando

outras partículas. Mas os físicos ainda não conhecem todos os modos de decaimentos

desses léptons instáveis. O que se pode afirmar é que para cada lépton há um

antilépton.

Quanto pesa o átomo?

• É intuitiva a ideia de que a massa do átomo deve ser igual à soma de seus constituintes, isto é:

Massa do átomo

=

massa do núcleo

+

massa dos elétrons

Errado!!!!

• Na realidade, a massa do átomo é menor que a soma da massa dos seus constituintes.

Por quê?

• Quando prótons e nêutrons se unem para formar um núcleo eles transformam parte de sua massa em energia e, desta forma, a massa do átomo é dada por:

Como a massa do próton é praticamente igual à do nêutron e a massa do elétron é ~1836 vezes menor que massa do próton, pode-se considerar que a massa do átomo está

concentrada praticamente na região do núcleo. Isto significa que o núcleo deve ser muito denso!!