Estrutura at³mica e Tabela Peri³dica

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INSTITUTO POLITCNICO DE TOMAR ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA E DO AMBIENTE

ESTRUTURA ATMICA E TABELA PERIDICA

Valentim Maria Brunheta Nunes

Tomar (2007)

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1.1. A evoluo dos modelos atmicos A noo de tomo tem os seus primrdios no filsofo grego Demcrito que, no sc. IV AC, e contra as ideias dominantes de Aristteles, considerava a matria composta de partculas indivisveis, os tomos. S em 1808 um cientista ingls, Dalton, formulou uma definio precisa acerca dos tomos. As suas hipteses foram as seguintes:

Os elementos so constitudos por partculas extremamente

pequenas, chamados tomos. Todos os tomos de um dado elemento so idnticos, tm o mesmo tamanho, massa e propriedades qumicas. Os tomos de um elemento so diferentes dos tomos de outro elemento qualquer.

Os compostos so constitudos por tomos de mais do que um

elemento. Em qualquer composto a razo entre o nmero de tomos de qualquer dos elementos um nmero inteiro, ou uma fraco simples.

Uma reaco qumica envolve apenas separao, combinao ou

rearranjo dos tomos. No resulta na sua criao ou destruio. Dalton imaginava o tomo como uma unidade indivisvel, mas na realidade este possui uma estrutura interna de partcula subatmicas: electres, protes e neutres. A descoberta do electro deve-se inveno do tubo de raios catdicos (figura 1.1.)

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Figura 1.1. Defleco de raios catdicos por meio de um campo elctrico.

Partculas emitidas pelo ctodo so dirigidas para o nodo. Um orifcio permite que estas partculas o atravessem, originando o raio catdico. Este raio vai posteriormente atingir uma placa fluorescente. Colocando um campo elctrico no caminho do raio catdico, este atrado pelo prato possuindo carga positiva e repelido pelo prato possuindo carga negativa, o que indica tratarem-se de partculas carregadas negativamente: os electres. Os tomos, contendo electres, so contudo electricamente neutros, pelo que cada tomo deveria conter igual nmero de cargas positivas e de cargas negativas. Segundo Thomson, o tomo seria como um bolo de passas, ou seja os electres embebidos numa esfera uniforme e positiva.

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Figura 1.2. Modelo de Thomson para o tomo.

Em 1910, Rutherford decide usar partculas (emitidas por tomos radioactivos) para provar a estrutura do tomo. Para isso bombardeou finas pelculas de ouro com estas partculas , sendo os resultados surpreendentes: a maioria das partculas atravessava a pelcula, algumas mudavam de direco, e outras (poucas) voltavam para trs.

Figura 1.3. Experincia de Rutherford; maioria das partculas atravessa uma pelcula de ouro, apenas algumas mudam de direco.

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Rutherford props assim, que as cargas positivas estavam concentradas num ncleo, na parte central do tomo. As cargas positivas no ncleo so chamadas de protes. Cada um tem uma massa de 1.6725210-24 g, ou seja cerca de 1840 vezes a massa de um electro. O tomo cerca de 10000 vezes maior do que o seu respectivo ncleo. Apesar do sucesso de Rutherford, na tentativa de explicar a estrutura do tomo, continuavam muitos aspectos por esclarecer. Por exemplo, sabia-se que o hidrognio continha um proto e o hlio 2 protes, mas a relao de massas no era de 2:1 mas sim de 4:1 (despreza-se a massa dos electres que muito pequena comparada com a dos protes). Isto s foi resolvido com a descoberta do neutro por Chadwick, em 1932. Chadwick bombardeou uma pelcula de berlio com partculas , e o metal emitia uma radiao altamente energtica, constituda por partculas neutras, e com uma massa ligeiramente superior do proto: o neutro. Com esta descoberta, a constituio do tomo ficou definitivamente estabelecida: os tomos so constitudos por ncleos muito pequenos e muito densos, cercados por nuvens de electres a relativamente grandes distncias do ncleo. Todos os ncleos contm protes. Ncleos de todos os tomos, excepto o hidrognio, contm tambm neutres. Na tabela seguinte resumem-se os dados relativos massa e carga destas trs partculas subatmicas: Partcula electro proto neutro Massa (g) 9.109510-28 1.6725210-24 1.6749510-24 Carga (C) - 1.602210-19 1.602210-19 0 unidade de carga -1 +1 0

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1.2. Nmero atmico, nmero de massa e istopos Todos os tomos podem ser identificados pelo nmero de protes e de neutres que os constituem. O nmero atmico (Z) o nmero de protes no ncleo de cada tomo de um elemento. Num tomo neutro, o nmero de protes igual ao nmero de electres, pelo que o nmero atmico indica tambm o nmero de electres no tomo. S o hidrognio tem 1 proto, s o hlio tem 2 protes, s o ltio tem 3 protes, etc. Facilmente se conclui que o nmero atmico nos indica imediatamente de que elemento se trata. O nmero de massa (A) o nmero total de neutres e protes presentes no ncleo de um tomo. Daqui pode concluir-se que o nmero de neutres dado por A - Z. A forma de representar o nuclido de um tomo 7 3 23 Li ,11 Na , etc.

A z

X . Exemplos so o

Em muitos casos, tomos de um mesmo elemento no tm todos a mesma massa. Isto deve-se a existirem tomos com o mesmo nmero de protes, mas diferente nmero de neutres. tomos com o mesmo nmero atmico mas diferente nmero de massa so chamados istopos. Um exemplo de istopos so os dois istopos do urnio: U e

235 92

238 92

U

Outro exemplo so os trs istopos do hidrognio: o hidrognio, o deutrio e o trtio:1 1

H,

2 1

H e

3 1

H.

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As propriedades qumicas de um elemento so determinadas sobretudo pelo nmero de protes e electres no tomo. Neutres no entram em reaces qumicas, em condies normais, logo istopos de um mesmo elemento tm propriedades qumicas semelhantes. 1.3. Estrutura electrnica dos tomos 1.3.1. Radiao electromagntica Como sabemos, a luz solar constituda pela sobreposio de radiaes de diferentes cores, desde o vermelho ao violeta, sendo o conjunto dessas radiaes designado por espectro visvel. De facto, desde os trabalhos de Newton que se sabia que, embora a luz do sol seja branca, quando um feixe dessa luz atravessa certos meios transparentes origina uma srie de cores, que vo do vermelho ao violeta. A luz branca constituda por uma srie contnua de radiaes que podem ser separadas num prisma, dando origem ao espectro visvel. Existem tambm outras radiaes, para alm do visvel, que se manifestam de outra forma, como as radiaes no infravermelho, ultravioleta, ondas de rdio, raios X, etc. Durante muito tempo discutiu-se a natureza dessas radiaes. Surgiram as teorias corpuscular (Newton) e ondulatria (Huygens), acabando por vencer esta ltima pois explicava todos os fenmenos at ento conhecidos, como a reflexo, difraco, interferncias, etc. Em 1864 Maxwell estabeleceu que qualquer radiao visvel ou invisvel era a propagao de um campo elctrico e de um campo magntico vibratrios, constantemente normais entre si. Esta propagao d-se com uma velocidade constante, c, que no vazio tem o mesmo valor para todas as radiaes: c = 3108 ms-1.

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As principais caractersticas de uma radiao so o seu comprimento de onda, , que a distncia entre dois pontos consecutivos na mesma fase de vibrao, e a frequncia, , que o nmero de vibraes produzidas na unidade de tempo. A relao entre ambas vem:

=

c

O espectro electromagntico estende-se das ondas de rdio (baixa frequncia) at aos raios (alta frequncia).

Figura 1.4. Raio luminoso polarizado; o campo elctrico vibra num plano perpendicular ao campo magntico.

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Figura 1.5. Espectro das radiaes electromagnticas. A luz visvel apenas uma pequena fraco do espectro, com comprimentos de onda entre os 400 e os 700 nm

1.3.2. Radiao como forma de energia Vimos que a radiao electromagntica tem caractersticas ondulatrias. Contudo, qualquer radiao transporta energia. Podemos apercebermo-nos disso quando um corpo aquece por aco da luz solar, ou quando esta utilizada na fotossntese. Quando slidos so aquecidos emitem radiaes, com vrios

comprimentos de onda (por exemplo o fio de tungstnio das lmpadas). Em 1900, Planck descobriu que a energia das radiaes emitidas (ou absorvidas) por tomos e molculas s poderia assumir quantidades

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discretas, isto , um oscilador atmico s poderia ter energias dadas pela expresso fundamental: E = nh onde a frequncia, n um nmero inteiro e h uma constante, a constante de Planck, cujo valor : h = 6.62610-34 J s Planck deu o nome de quantum mais pequena quantidade de energia que pode ser emitida ou absorvida e que dada por h. De acordo com a teoria de Planck, a energia sempre emitida ou absorvida em mltiplos de h, isto , h, 2h, 3h, etc., mas nunca 1.67 h, ou 3.48h, por exemplo. Esta teoria rompeu com as ideias clssicas da fsica e inaugurou a fsica moderna. Com base nesta teoria, Einstein explicou o efeito fotoelctrico (emisso de electres por metais sob aco de luz incidente), supondo que a luz constituda por corpsculos, os fotes, de energia h cada, e que se propagam no espao como uma saraivada de projcteis com a velocidade da luz. No entanto h propriedades da luz, como as interferncias, que s podem ser explicadas supondo que