Estrutura Atômica

Átomos são elementos básicos

Estrutura Atômica

Átomos são a base da química. Eles são a base de tudo no Universo. A matéria é composta de átomos. Os sólidos são feitas de átomos densamente enquanto os gases têm átomos que estão espalhados.

A matéria tem massa e ocupa espaço. Os átomos são blocos de construção básicos da matéria, e não pode ser quimicamente subdividido por meios ordinários.

Há pedaços de matéria que são menores do que os átomos?

Claro que há. partículas super-pequenas que podem ser encontrados no interior das peças de átomos.

Estas partículas subatômicas incluem núcleos e quarks.

Químicos e físicos nucleares trabalham juntos em aceleradores de partículas para descobrir a presença destes minúsculos e pequenos pedaços de matéria,. No entanto, a ciência é baseada no átomo porque é a unidade mais pequena de matéria distinta.

Três partes fáceis

Embora existam muitos super-minúsculas partículas atômicas, você só precisa se lembrar das três partes básicas de um átomo, elétrons, prótons e nêutrons.

Quais são elétrons, prótons e nêutrons?

Os electrões são a mais pequena das três partículas que formam os átomos.

Elétrons são encontrados em conchas ou orbitais que cercam o núcleo de um átomo.

Os protões e neutrões são encontradas no núcleo. Eles formam-se em grupos no centro do átomo.

Há quase 120 elementos conhecidos na tabela periódica.

Químicos e físicos estão tentando fazer novos elementos todos os dias em seus laboratórios.

Os átomos de diferentes elementos têm diferentes números de elétrons, prótons e nêutrons.

Cada elemento é único e tem um número atômico. Esse número indica o número de prótons em cada átomo do elemento. O número atômico também é chamado o número de protões.

OS PRIMEIROS MODELOS ATÔMICOS

Alguns filosófo da Grécia Antiga já admitiam que toda e qualquer matéria seria formada por minúsculas partículas indivisíveis, que foram denominadas átomos (a palavra átomo, em grego, significa indivisível).

No entanto, foi somente em 1803 que o cientista inglês John Dalton, com base em inúmeras experiências, conseguiu provar cientificamente a idéia de átomo. Surgia então a teoria atômica clássica da matéria. Segundo essa teoria, quando olhamos, por exemplo, para um grãozinho de ferro, devemos imaginá-lo como sendo formado por um aglomerado de um número enorme de átomos.

Os principais postulados da Teoria Atômica de Dalton são:

A matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos;
Os átomos são esferas maciças, indestrutíveis e intransformáveis;
Átomos que apresentam mesmas propriedades (tamanho, massa e forma) constituem um elemento químico;
Átomos de elementos diferentes possuem propriedades diferentes;
Os átomos podem se unir entre si formando “átomos compostos”;
Uma reação química nada mais é do que a união e separação de átomos.

MODELO ATÔMICO DE THOMSON

Modelo atômico de Thomson: o átomo é uma esfera positiva incrustada de cargas negativas. A quantidade de cargas positivas e negativas é a mesma e, desta forma, o átomo é eletricamente neutro. Esse modelo é chamado “pudim com passas”

Em 1903, o cientista inglês Joseph J. Thomson, baseado em experiências realizadas com gases e que mostraram que a matéria era formada por cargas elétricas positivas e negativas, modificou o modelo atômico de Dalton. Segundo Thomson, o átomo seria uma esfera maciça e positiva com as cargas negativas distribuídas, ao acaso, na esfera. A quantidade de cargas positivas e negativas seriam iguais e dessa forma o átomo seria eletricamente neutro. O modelo proposto por Thomson ficou conhecido como “pudim com passas”.

MODELO ATÔMICO DE RUTHERFORD

Em 1911, o cientista neozelandês Ernest Rutherford, utilizando os fenômenos radiativos no estudo da estrutura atômica, descobriu que o átomo não seria uma esfera maciça, mas sim formada por uma região central, chamada núcleo atômico, e uma região externa ao núcleo, chamada eletrosfera. No núcleo atômico estariam as partículas positivas, os prótons, e na eletrosfera as partículas negativas, os elétrons.

Para chegar a essas conclusões Rutherford e seus colaboradores bombardearam lâminas de ouro com partículas a (2 prótons e 2 nêutrons) utilizando a aparelhagem esquematizada acima.

Rutherford observou que a grande maioria das partículas atravessava normalmente a lâmina de ouro que apresentava aproximadamente 10-5 cm de espessura. Outras partículas sofriam pequenos desvios e outras, em número muito pequeno, batiam na lâmina e voltavam. O caminho seguido pelas partículas a podia ser detectado devido ?s cintilações que elas provocavam no anteparo de sulfeto de zinco.

Comparando o número de partículas a lançadas com o número de partículas a que sofriam desvios, Rutherford calculou que o raio do átomo deveria ser 10.000 a 100.000 vezes maior do que o raio do núcleo, ou seja, o átomo seria formado por espaços vazios. Por esses espaços vazios a grande maioria das partículas a atravessava a lâmina de ouro.

Os desvios sofridos pelas partículas a eram devidos às repulsões elétricas entre o núcleo (positivo) e as partículas a, também positivas, que a ele se dirigiam. O modelo de Rutherford (figura ao lado) ficou conhecido como “modelo planetário”.

Partículas elementares

A experiência de Rutherford mostrou que no núcleo atômico além do próton deveria existir uma outra partícula. Esta foi descoberta em 1932 pelo cientista inglês James Chadwick e recebeu o nome de nêutron.

Prótons, elétrons e nêutrons são as principais partículas presentes num átomo.

Elas são chamadas partículas elementares ou subatômicas e suas principais características são:

Partícula	Massa (grama)	Massa relativa	Carga elétrica (Coulomb)	Carga relativa
Próton (p+)	1,7.10-24	1	+1,6.10-19	+1
Nêutron (n0)	1,7.10-24	1	0	0
Elétron (e-)	9,1.10-28	1/1840	-1,6.10-19	-1

Observe que as partículas presentes no núcleo atômico apresentam a mesma massa e que essa é praticamente 2.000 vezes maior do que a massa do elétron.

A massa de um átomo está praticamente concentrada numa região extremamente pequena do átomo: o núcleo atômico.

A quantidade atômica de prótons e elétrons presentes num átomo é a mesma, o que faz com que ele seja eletricamente neutro.

MODELO ATÔMICO DE BOHR

Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr, ao estudar espectros de emissão de certas substâncias, modificou o modelo de Rutherford. No inicio do século XX era fato conhecido que a luz branca (luz solar, por exemplo) podia ser decomposta em diversas cores. Isso é conseguido fazendo com que a luz passe por um prisma. No caso da decomposição da luz solar obtém-se um espectro chamado espectro continuo. Este é formado por ondas eletromagnéticas visíveis e invisíveis (radiação ultravioleta e infravermelho). Na parte visível desse espectro não ocorre distinção entre as diferentes cores, mas uma gradual passagem de uma para outra. O arco-íris é um exemplo de espectro contínuo onde a luz solar é decomposta pelas gotas de água presentes na atmosfera. Como a cada onda eletromagnética está associada certa quantidade de energia, a decomposição da luz branca produz ondas eletromagnéticas com toda e qualquer quantidade de energia.

No entanto, se a luz que atravessar o prisma for de uma substância como hidrogênio, sódio, neônio etc. será obtido um espectro descontínuo. Este é caracterizado por apresentar linhas coloridas separadas. Em outras palavras, somente alguns tipos de radiações luminosas são emitidas, isto é, somente radiações com valores determinados de energia são emitidas.

Baseado nessas observações experimentais, Bohr elaborou um novo modelo atômico cujos postulados são:

Na eletrosfera os elétrons não se encontram em qualquer posição. Eles giram ao redor do núcleo em órbitas fixas e com energia definida. As órbitas são chamadas camadas eletrônicas, representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q a partir do núcleo, ou níveis de energia representados pelos números 1, 2, 3, 4…;

Os elétrons ao se movimentarem numa camada eletrônica não absorvem nem emitem energia;
Os elétrons de um átomo tendem a ocupar as camadas eletrônicas mais próximas do núcleo, isto é, as que apresentam menor quantidade de energia;
Um átomo está no estado fundamental quando seus elétrons ocupam as camadas menos energéticas;
Quando um átomo recebe energia (térmica ou elétrica), o elétron pode saltar para uma camada mais externa (mais energética). Nessas condições o átomo se torna instável. Dizemos que o átomo se encontra num estado excitado;

Os elétrons de um átomo excitado tendem a voltar para as camadas de origem. Quando isso ocorre, ele devolve, sob a forma de onda eletromagnética, a energia que foi recebida na forma de calor ou eletricidade.

Esses postulados permitem explicar a existência dos espectros de emissão descontínuos: como o elétron só pode ocupar determinadas órbitas, as transições eletrônicas (ida e volta do elétron) ocorrem em número restrito, o que produz somente alguns tipos de radiação eletromagnética e não todas como no espectro contínuo.

Modelo atômico de Bohr foi elaborado para o átomo de hidrogênio, mas aplica-se com boa aproximação a todos os outros átomos.

CONCEITOS

Próton: partícula nuclear com carga positiva igual, em grandeza, à do elétron. Junto com o nêutron, está presente em todos os núcleos atômicos (exceto o do hidrogênio, que não tem nêutron). A massa de um próton é de 1,6726 x 10-27 kg, ou seja, 1.836 vezes a do elétron. O número atômico de um elemento indica o número de prótons em seu núcleo e determina de que elemento se trata.O antipróton é sua antipartícula. É estável no vácuo e não se desintegra espontaneamente.

Nêutron: uma das partículas fundamentais que compõem a matéria. Sua massa é de 1,675 x 10-27 kg, aproximadamente 0,125% maior que a do próton. Não tem carga elétrica. É uma partícula constituinte de todos os núcleos, exceto o do hidrogênio comum. Os nêutrons livres, que formam parte de um núcleo, são produzidos em reações nucleares. Quando é expulso do núcleo, o nêutron é instável, e se desintegra para dar lugar a um próton, um elétron e um neutrino. O uso de feixes de nêutrons é uma ferramenta importante em campos tão diversos quando a paleontologia, a arqueologia e a história da arte.

Elétron: tipo de partícula elementar que, junto com os prótons e os nêutrons, forma os átomos e as moléculas. Intervém em uma grande variedade de fenômenos.

Os elétrons têm uma massa em repouso de 9,109 x 10-31 kg e uma carga elétrica negativa de 1,602 x 10-19 coulombs. Sua partícula de antimatéria correspondente é o pósitron.

A teoria atômica moderna

De acordo com a estrutura atômica moderna, a massa de um átomo e a sua carga positiva são concentrados num pequeno núcleo, enquanto electrões de carga negativa giram em torno do núcleo em órbitas elípticas. O núcleo central contém prótons e nêutrons neutros carregada positivamente.

Molécula é a menor das partículas de matéria. A molécula consiste em duas ou mais átomos iguais ou diferentes.

Átomo não é o mais pequeno de partícula física em questão.

A menor partícula de um elemento não permanece na forma atômica, mantém-se em forma molecular. Todo o tipo de propriedades físicas, químicas e elétricas de molécula depende de sua estrutura atômica.

Antes, indo para a questão real, vamos dar uma olhada em teoria atómica de Dalton e, em seguida, vamos olhar para o conceito muito básico da teoria atômica moderna para a compreensão da estrutura atômica de forma mais clara.

No ano de 1808, um professor de química John Dalton publicou a sua teoria sobre átomos. Naquele tempo muitos fenômeno químico inexplicável foi rapidamente desbloqueado pela teoria de Dalton. Assim, a teoria tornou-se uma base teórica em química.

Os postulados da teoria atômica de Dalton foram os seguintes:

Toda a matéria é composta de pequenas partículas indivisíveis e indestrutíveis chamados átomos.
Todos os átomos do mesmo elemento ter propriedades idênticas, mas que diferem a partir de átomos de outros elementos.
Átomos de diferentes elementos se combinam para formar um composto.
Uma reação química não é senão rearranjo destes átomos.
Átomos não pode ser criado ou destruído por qualquer meio.

A teoria de Dalton tinha alguns inconvenientes como; hoje sabemos que os átomos podem ser destruídos. Além disso, alguns átomos dos mesmos elementos variam em sua massa (isótopos). A teoria também não explica a existência de allotropes.

Carga elétrica

Partículas	Carga Elétrica		Massa Relativa
	Natureza	Valor relativo
Próton	Positica	+1	1
Nêutron	Não Existe	0	1
Elétron	Negativa	-1	1/1840

Camadas eletrônicas

Os elétrons estão distribuídos em camadas ou níveis de energia:

núcleo	camada
	K	L	M	N	O	P	Q
	1	2	3	4	5	6	7
	nível

Número máximo de elétrons nas camadas ou níveis de energia:

K	L	M	N	O	P	Q
2	8	18	32	32	18	2

Subníveis de energia

As camadas ou níveis de energia são formados de subcamadas ou subníveis de energia, designados pelas letras s, p, d, f.

Subnível				s	p	d	f
Número máximo de elétrons				2	6	10	14

Subníveis conhecidos em cada nível de energia:

Subnível		1s	2s 2p	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f	5s 5p 5d 5f	6s 6p 6d	7s
Nível		1	2	3	4	5	6	7
		K	L	M	N	O	P	Q

Subníveis em ordem crescente de energia:

1s	2s	2p	3s	3p	4s	3d	4p	5s	4d	5p	6s	4f	5d	6p	7s	5f	6d

Preenchimento dos subníveis

Os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de energia, com o número máximo de elétrons possível em cada subnível. (Regra de aufbau)

Os números quânticos indicam a energia do elétron no átomo e a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron.

O número quântico principal (n) indica o nível de energia. Varia de n = 1 a n = ¥, respectivamente, no 1º, 2º, 3º, … nível de energia.

O número máximo de elétrons em cada nível é dado por 2n2. Entre os átomos conhecidos, no estado fundamental, o número máximo de elétrons num mesmo nível é 32.

O número quântico secundário ou azimutal (l) indica a energia do elétron no subnível. Nos átomos conhecidos, no estado fundamental, há quatro subníveis, representados por s, p, d, f, em ordem crescente de energia.

Subnível				s	p	d	f
Número quântico azimutal				1 = 0	l = 1	l = 2	l = 3

Orbitais

Os subníveis são formados de orbitais. Orbital é a região da eletrosfera onde há maior probabilidade de estar localizado o elétron do átomo. O número máximo de elétrons em cada orbital é 2.

A cada orbital foi atribuído um número quântico magnético (m) cujo valor varia de -l a +l, passando por zero.

subnível s	um só orbital s	(0)
subnível p	três orbitais p	(-1) (0) (+1)
subnível d	cinco orbitais d	(-2) (-1) (0) (+1) (+2)
subnível f	sete orbitais f	(-3) (-2) (-1) (0) (+1) (+2) (+3)

O orbital s tem forma esférica. Os orbitais p têm forma de duplo ovóide e são perpendiculares entre si (estão dirigidos segundo três eixos ortogonais x, y e z.

Spin

Spin é o movimento de rotação do elétron em torno de seu eixo. Pode ser paralelo ou antiparalelo. A cada um deles foi atribuído um número quântico: + 1/2 e -1/2.

Princípio da exclusão de Pauli

Em um mesmo átomo, não existem dois elétrons com quatro números quânticos iguais.
Como conseqüência desse princípio, dois elétrons de um mesmo orbital têm spins opostos.
Um orbital semicheio contém um elétron desemparelhado; um orbital cheio contém dois elétrons emparelhados (de spins opostos).

Regra de Hund

Ao ser preenchido um subnível, cada orbital desse subnível recebe inicialmente apenas um elétron; somente depois de o último orbital desse subnível ter recebido seu primeiro elétron começa o preenchimento de cada orbital semicheio com o segundo elétron.

Elétron de maior energia ou elétron de diferenciação é o último elétron distribuído no preenchimento da eletrosfera, de acordo com as regras estudadas.

Fonte: www.chem4kids.com/members.tripod.com