qi estrutura.pdf

Estrutura Eletrnica dos tomos

Reaes Qumicas

Altera -se a distribuio dos e nos tomos

H a quebra e/ou a formao de ligaes qumicas

Estrutura Eletrnica dos tomos

Propriedades relacionadas

1

Origem dos elementos qumicos

O Universo est em expanso a 15 bilhes de anos

Big Bang (109 K)

Inicialmente H (89%) e He(11%) ... e praticamente isso no

mudou desde ento!

E os elementos mais pesados?

Reaes nucleares no interior de Estrelas.

Diferentes elementos so formados e ai... Nasce a qumica.

Buscar informaes no Qumica Inorgnica do Shrives

3

Reaes nucleares envolvem mais energia que reaes qumicas!

103 kJ/mol 10

9 kJ/mol

4

Tipos de emisses radioativas

5

Nuclear (Forte e Fraca): curto alcance, une os ncleons

Eletromagntica: interao entre cargas

Gravitacional: muito fraca atrao de massas

Istopos Istonos Isbaros

Foras

n atmico

n de massa

Massa atmica

A alta abundancia de Fe e Ni no

universo resultado da alta

estabilidade de seus ncleos (energia

de ligao entre os nucleons).

Tal energia pode ser calculada a

partir da equao de Einstein

E= mc2

m= mnucleons

- mncleos

Energia de ligao entre o ncleons

6

Nucleossntese dos elementos mais leves

Os elementos com at Z= 26 (Fe) foram formados no interior das estrelas,

Os elementos pesados so formados durante o colapso de uma estrela

atingindo d= 105

g/cm3 (d Au ~ 20 g/cm

3)

8

Exerccio:

Acredita -se que a sntese de elementos pesados ocorre por

reaes de captura de nutrons em estrelas Gigantes -

Vermelhas . Uma possvel reao a converso de em

por captura de nutrons, formando que sofre decaimento .

Escreva o balanceamento da equao nuclear desse processo.

Ver exerccios Cap. 1 Shriver Qumica Inorgnica.

1.1 at 1.7

Zn6830 Ga69

31

Zn6930

9

Em 600 a.C., Tales, filsofo grego,

props que toda a alterao

qumica era meramente uma

alterao de uma substncia

fundamental ou Elemento .

450 a.C., Empdocles, props a

existncia de quatro elementos :

terra , ar , fogo e gua .

350 a.C., Aristteles, baseado nas

ideias de Empdocles, considerava

que cada elemento resultava de

duas das quatro qualidades

fundamentais : quente , frio , mido e

seco.

Modelos Atmicos

FOGO

GUA

ARTERRA

quente

mido

seco

frio

10

Modelos atmicos

A origem da palavra tomo

A palavra tomo foi utilizada pela primeira vez na Grcia antiga, por

volta de 400 a.C. Leucipo e Demcrito acreditavam que todo tipo de

matria fosse formado por diminutas partculas que denominou tomos

(sem diviso) . Acreditava -se que tais partculas representavam a menor

poro de matria possvel, ou seja, eram indivisveis .

11
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/PictDisplay/Democritus.html

Modelo Atmico de Dalton

As ideias de Demcrito permaneceram inalteradas por

aproximadamente 2200 anos .

Em 1808 , Dalton retomou estas ideias sob uma nova

perspectiva : a experimentao .

Baseado em reaes qumicas, pesagens minuciosas e observaes , Dalton

chegou concluso de que os tomos realmente existiam e que possuam

algumas caractersticas :

12

Modelo Atmico de Dalton . Com base em estudos de outros cientistas, anteriores a ele, criou um modelo

de tomo onde pregava as seguintes ideias:

toda matria composta por tomos; os tomos so indivisveis; os tomos no se transformam uns nos outros; os tomos no podem ser criados nem destrudos; os elementos qumicos so formados por tomos simples; os tomos de determinado elemento so idnticos entre si em tamanho, forma, massa e demais propriedades; tomos de elementos diferentes so diferentes entre si; toda reao qumica consiste na unio ou separao de tomos; tomos iguais entre si se repelem e tomos diferentes se atraem; substncias compostas so formadas por tomos compostos (as atuais molculas); tomos compostos so formados a partir de elementos diferentes, em uma relao numrica simples. 13

Modelos Atmicos

A descoberta da primeira partcula subatmica : O ELTRON.

14

O tomo divisvel!

No final do sc. XIX, o ingls Willian Crookes (1832 - 1919) inventou uma ampola que permite realizar descargas eltricas (raios catdicos) atravs do ar a baixa presso em seu interior . Em outras palavras, observa-se uma luminosidade entre os polos (funcionando at mesmo como lmpada).

Com gs

Sem gs

O fsico britnico Joseph John Thomson descobriu em 1897 o eltron,

partcula elementar de carga negativa

Com uma ampola de vidro com vcuo, verificou que

os raios catdicos eram de fato partculas

negativamente carregadas (eltrons) desviando estes

atravs de campos eltricos e magnticos .

J. J. Thomson

(1856 -1940)

710855.1eltronv

8103c m/s

m/s

15 http://www.youtube.com/watch?v=_Pwrvn2Zl5U
http://www.youtube.com/watch?v=_Pwrvn2Zl5U

Modelos Atmicos

Sendo os raios catdicos um fluxo de eltrons,

podemos concluir finalmente que:

- os eltrons se propagam em linha reta,

- os eltrons possuem massa (so corpusculares)

e

- os eltrons possuem carga eltrica de natureza

negativa.

J. J. Thomson

(1856 -1940)

16

Obs: mais tarde (1910 ), Robert Millikan mede com

grande preciso a carga eltrica de eltrons individuais .

Modelos Atmicos

A descoberta da segunda partcula subatmica: o prton

Em 1886, o fsico alemo Eugen Goldstein, (1850-1930) descobriu um novo tipo de raio utilizando uma

ampola de Crookes, modificada. Goldstein adaptou ampola, que continha gs a baixa presso, um

ctodo perfurado e, ao provocar uma descarga eltrica no gs a baixa presso, observou um feixe de raios

coloridos surgir atrs do ctodo (raios canais), vindo da direo do nodo.

17

Raios canais

Modelo Atmico de Thomson

O modelo do de de Thomson tinha cargas positivas

espalhadas uniformemente numa esfera do tamanho do tomo com

eltrons imersos nesta matriz uniforme

Os prtons ainda no haviam sido descobertos, mas cargas positivas

deviam estar presentes para atingir a neutralidade de cargas

Obs: Thomson no conseguia explicar os espectros de

linhas dos tomos com este modelo

Os eltrons eram muito leves comparados com os tomos

18

Experimentos de Rutherford, Geiger and Marsden

Em 1911 Rutherford e seus estudantes Geiger e Marsden desenvolveram uma

nova tcnica para investigar a estrutura da matria fazendo incidir partculas

alfa nos tomos de ouro, e medindo o espalhamento destas partculas

Os resultados mostraram que muitas partculas alfa eram espalhadas para

trs pelas folhas de ouro muito finas em ngulos maiores que 90

Os resultados experimentais no eram consistentes com o modelo de

Thomson

19

Resultados previstos segundo o modelo de Thomson

Resultados obtidos

As partculas

deveriam atravessar as

folhas de ouro sem

sofrer grandes desvios

A maior parte das partculas

comportava -se como

esperado, mas um

significativo nmero delas

sofria desvios acentuados

Experincia de Rutherford

. . .

. .

. . .

20

Rutherford props ento que o tomo era uma estrutura praticamente

vazia, e no uma esfera macia, ou mesmo macia, e deveria ter um caroo

positivamente carregado (ncleo) cercado pelos eltrons negativos .

Ernest Rutherford

(1871 -1937)

O tomo seria um sistema semelhante ao sistema solar :

- Modelo Planetrio

Modelo Atmico de Rutherford

rbitas Eltrons

Ncleo

21
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/Rutherford_atom.svg

O Modelo Planetrio Condenado

Existem duas dificuldades bsicas com

o modelo estrutural planetrio de

Rutherford :

Segunda este modelo no consegue

explicar como o eltron se mantm

em torno do ncleo .

De acordo com a teoria eletromagntica,

uma carga eltrica acelerada irradia

energia (radiao eletromagntica), e

como o eltron tem acelerao centrpeta

perderia energia acabando por cair sobre

o ncleo, colapsando a estrutura atmica .

Primeira - este modelo no

consegue explicar as frequncias

caractersticas discretas de radiao

eletromagntica emitidas pelo

tomo

22

tomo de Bohr

1 Modelo Quntico

Para Bohr: As leis que governam o movimento e comportamento de

grandes corpos eram inadequadas para explicar o comportamento

de pequenas partculas.

Bohr sabia que eltrons mais distantes do ncleo deveriam ter mais

energia, uma vez que era necessria energia para vencer a fora de

atrao do ncleo.

Segundo Teoria Quntica: A matria emitindo ou absorvendo

radiao no faz de modo contnuo, mas sim em discretos

energia, chamados Quantum.

Essa teoria foi o ponto de partida para o desenvolvimento das ideias

de Bohr

23

Espectro Eletromagntico

c =

vel. da luz = 3,0 x 108 m/s = 300 000 km/s = 1 080 000 000 km/h

(m)

(s-1)

Para entender o Modelo Bohr temos que

entender um pouco sobre a natureza

ondulatria da LUZ

24

Ondas Eletromagnticas

25

Espectro Eletromagntico

Um espectro visvel pode ser

obtido passando um feixe de luz

branca atravs de um prisma

(cores do arco -ris). 26

Espectro contnuo e espectros atmicos de emisso

27


28


29

Planck: O Nascimento da Teoria Quntica (1900)

Aquecendo -se um corpo negro

vermelho branco

Fsica Clssica

qualquer corpo acima 0 C poderia emitir radiaes UV, raios -X e raios -

Primeira manifestao da teoria quntica: uma radiao de frequncia gerada

somente quando uma energia E estiver disponvel.

E = h = hc/

h = 6,63 x 10-34

J.s (const. de Planck)

30

https://www.youtube.com/watch?v=YEn -vX4duUc

Para Planck, a luz

absorvida e gerada num

corpo negro via pequenos

pacotes de energia

(quanta).

Modelo de Bohr para o tomo de H

Luz solar espectro contnuo

Luz emitida espectro de raias

por elementos

Ex: Na diversas raias as mais intensas

5,093 x 1014

Hz

5,088 x 1014

Hz

luz

amarela

A partir do espectro de raias

Bohr associou a teoria quntica com a estrutura atmica

3p

32

Espectro de Raias para o hidrognio temos:

Radiao eletromagntica emitida quando uma descarga

eltrica passa atravs do gs hidrognio.

33

Lyman (ultravioleta) n = 2, 3, 4, 5...

Balmer (visvel/ultravioleta) n = 3, 4, 5, 6...

Paschen (infravermelho) n = 4, 5, 6, 7...

Brackett (infravermelho) n = 5, 6, 7, 8...

Pfund (infravermelho) n = 6, 7, 8, 9...

22 n

1

1

1 R

1

22 n

1

2

1 R

1

22 n

1

3

1 R

1

22 n

1

4

1 R

1

22 n

1

5

1 R

1

Espectro de Raias para o hidrognio temos:

34

A partir da observao dos espectros de raias que Bohr

idealizou seu modelo atmico.

35

Somente certas mudanas de Energia so possveis

dentro de um tomo

Postulados de Bohr:

I) rbitas : o eltron gira em torno do ncleo em rbitas

circulares permitidas sem irradiar energia (estados

estacionrios ou nveis de energia).

onde:

Fe = fora de

Fc = fora centrpeta

e = carga eletrosttica fundamental (1,602 x 10 -19 C)

Z = nmero de cargas elementares

me = massa do eltron (9,1095 x 10 -25 kg)

v = velocidade do eltron (~10 7 m s -1)

0 = constante dieltrica (8,854 x 10 -12 C2 J-1 m -1)

Fe = F

c

r

vm

r

Ze e2

2

0

2

4

2

0

2

4 vm

Zer

e

(1)

37

II) Saltos Eletrnicos : quando em eltron passa de uma rbita

para outra absorve ou emite um nmero inteiro de quantum ou

fton de energia.

Ef E

i = E =

III) Momento Angular (L) : um eltron pode ocupar mais do que uma

rbita. No entanto s sero permitidos os estados estacionrios de

energia onde o momento angular seja proporcional a h/2 , ou seja,

o momento angular quantizado .

Postulados de Bohr

hchv

Ene

rgia

L = mvr h/2

onde n = 1, 2, 3... (n quntico principal)

E = energia do fton

nvrmerm

nv

e

(2)

2

h 38

Clculos Baseados no Modelo de Bohr

=rn2

Z0,54(A)

o

Estes clculos mostraram -se bastante coerentes para sistemas

hidrogenoides (1 eltron na eletrosfera ).

1) Raio das rbitas

Exerccio : Calcular as 1as

e a 2as

rbitas do nico eltron do

tomo de H e do on He+

( e nm ).

substituindo (2) em (1), temos:

2

2

0

2 4

emZ

nr

e

n

(3)

onde

a0 chamado de raio de Bohr. o dimetro do tomo

de Hidrognio (no seu estado de mais baixa energia, ou

estado fundamental)

0

2

aZ

nrn

2

2

00

4

ema

e

39

2) Energia Total do Eltron em cada rbita

E0: energia de Rydberg = 2,18 x 10

-18 J

02

2

En

ZEeltron

-E

hcEEEE ftoneltroneltron fi

02

2

02

2

En

ZE

n

ZE

fi

fton

22

02 111

fi nnhc

EZ

02

2

02

2

En

ZE

n

Zhc

fi

(4) hcRn

ZEeltron 2

2

40

Note:

Lembras?

22

02 111

fi nnhc

EZ

22

2 111

fi nnRZ

22

2 11

fi

ftonnn

hcRZE

hc

ER 0

R: const. de Rydberg = 1,097 x 107 m

-1

hcRE0

E0: energia de Rydberg = 2,18 x 10

-18 J ou 13,6 eV

(5) (6)

2

0

3

4

8 ch

emR e

2

0

2

4

08h

emE e

41

Energias do tomo de Hidrognio

Usando o resultado clssico para a energia:

ou

Obtemos as energias para os estados

estacionrios

2

2

0

2 4

emZ

nr

e

n

2

0

2

4

2

2

8h

em

n

ZE eeltron

2

2

0

2

em

h

Z

nr

e

n

n

eltronr

eZE

0

2

8

00

2

2

2

8 a

e

n

ZEeltron

42

H emisso de luz quando o tomo est

num estado excitado e decai para um

estado com energia mais baixa

lu EEh

Transies no tomo de Hidrognio

No equilbrio, todos os tomos de

hidrognio esto no estado n = 1, o estado

fundamental e

lu nn

O tomo permanece num estado excitado

por um perodo curto de tempo antes de

emitir um fton de energia

eV 6.131E

e retornar a um estado estacionrio

mais baixo

Espectro do hidrognio 43

1) Qual a diferena de energia entre o nvel 3 e o nvel 2 no

tomo de H?

n = 1

n = 2

n = 3

n = 4

n = 5

Origem das raias da srie de Balmer,

segundo o modelo de Bohr

2) Qual a frequncia e o comprimento de onda relacionados

com esse quantum de radiao?

Obs: O modelo proposto por Bohr, apesar de falho em muitos aspectos foi um

marco bastante importante no conhecimento do mundo atmico, tomando a

nova teoria quntica como ferramenta importante no entendimento da natureza . 44

Amarelo Na

Laranja Sr

Verde Ba

45

No conseguia explicar a ligao dos tomos para formar

molculas

Falhas do Modelo de Bohr

Funcionava somente para tomos com um eltron

(hidrogenoides)

No conseguia calcular a estrutura fina das linhas espectrais -

quando os tomos eram colocados em campos magnticos

O modelo de Bohr foi um grande passo na nova teoria quntica,

mas tinha as suas falhas:

46

Modelo Ondulatrio

eltrons associado

combinao de duas equaes: Einstein e de Planck .

Louis de Broglie (1924) Dualidade Onda -Partcula

Obs: Sua teoria foi comprovada experimentalmente em 1927 por Davisson e

Gerner que observaram a difrao de

eltrons. A difrao um fenmeno

tipicamente ondulatrio.

Dualidade Onda -Partcula

47

Einstein: efeito fotoeltrico (1905)

Eltrons so emitidos de uma superfcie metlica quando

da incidncia de uma radiao eletromagntica

fton Ei= h

Ei = E

le + E

ce

Na

Obs: a Ec do eltron em funo da E do fton

incidente e no da intensidade da radiao.

Obs: a ideia de fton est relacionada com o fato de que a radiao eletromagntica

ter caracterstica de partcula!


48


A energia cintica do eltron arrancado

depende da energia do fton!


49


A energia cintica do eltron arrancado

depende da energia do fton!

Fotoclula


50

Difrao de ondas Fenmeno tpico para ondas

Ser que partculas podem apresentar tal caracterstica?


51

Em processos de difrao, temos combinaes de ondas.

Estas podem ser combinaes construtivas ou destrutivas .

Difrao de ondas Fenmeno tpico para ondas


52

hc

E = mc2

E = hv = hc

mc=h

mc2 =ou

mv

h=

hc

E = mc2

E = hv =

hc mc=

h mc2 =ou

para o eltron

Einstein Planck

1) Supondo que um eltron se desloque a 4,0 x 104 m/s.

Qual o comprimento de onda associada a esse eltron?

(resp : 18 nm )

2) Qual o associado a uma pessoa que viaja a 80 km/h e pesa 66 kg?

(resp : 4,5 x 10-33

m)

Responda:


(1)

53

Modelo Ondulatrio

eltrons associado

combinao de duas equaes: Einstein e de Planck .

Louis de Broglie (1924) Dualidade Onda -Partcula

Obs: Sua teoria foi comprovada experimentalmente em 1927 por Davisson e

Gerner que observaram a difrao de

eltrons. A difrao um fenmeno

tipicamente ondulatrio.


54


Princpio da Incerteza de Heisenberg

4 .

hxp p = incerteza na quantidade de movimento = m.v

x = incerteza na posio da partcula

Como consequncia imediata da dualidade onda -partcula o fato

de que impossvel determinar, de modo exato e simultneo, a

energia de uma partcula e sua posio .

Para medir um objeto devemos perturb -lo. Uma

luz de pequeno deve ser usada para melhor

visualizar uma partcula pequena, mas

perturbaramos a mesma demasiadamente.

55

Consequncias do princpio da incerteza

e dualidade partcula onda :

A descrio do tomo deixou de ser determinstica para se tornar probabilstica

O desenvolvimento matemtico do modelo ondulatrio tem como maior referncia o trabalho de Schrdinger

56

Eq. de Schrdinger Tudo o que pode prever sobre o sistema est contido em seu estado quntico, ou seja, em sua funo de onda. Schrdinger introduziu o conceito de funo de onda ( ), como uma funo da posio da partcula . A funo descreve a amplitude de probabilidade de se obter valores para as grandezas associadas aos sistemas. As previses da mecnica quntica so expressas em termos de probabilidades

E ^

57

Equao de Onda de Schrdinger (1926)

Para uma onda estacionria (corda),

sua amplitude ao longo de x pode

ser descrita pela funo (x) como:

)(4)(

2

2

2

2

xfdx

xfd

Para o eltron movendo -se em

uma nica dimenso x, temos

como funo de onda : 2

2

2

2 4

dx

d

Para as trs dimenses

x, y e z temos: 2

2

2

2

2

2

2

2 4

zyx

possvel descrever qualquer movimento ondulatrio por um

tipo de equao conhecida como equao de onda .

04

2

2

2

2

2

2

2

2

zyxreescrevendo: (2)

58

substituindo da equao (2) por (1)

totalpotencial

e

EEzyxm

h2

2

2

2

2

2

2

2

8

temos a equao de onda do eltron preso ao ncleo do tomo:

So vrias as funes de onda , , aceitveis para essa equao de onda. Essas

so chamadas de orbitais , com determinados valores discretos de E.

A funo de onda , , contem todas as informaes possveis sobre o eltron

associado a ela.

Cada funo de onda , , (orbital) pode ser caracterizada por integrais

chamadas de nmeros qunticos .

Equao de Onda de Schrdinger

K + V = Etotal

e sabendo que (3)

(4)

vm

h

e

59

Cada nmero quntico est relacionado a uma propriedade fsica

do eltron:

energia n quntico principal (n) (1, 2, 3, 4 ... ou K, L, M, N etc.)

forma n quntico secundrio (l) (0, 1, 2, 3... ou s, p, d, f, g etc.)

orientao n quntico magntico (ml) (...-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 ...)

Que grupo de obitais definido por n= 4 e l= 1? Quantos

orbitais esto presentes nesse grupo?

60

Experimentalmente

N quntico principal ( n) raias espectrais

N quntico secundrio ( l) desdobramento de raias

(estruturas hiperfinas)

N quntico magntico ( ml) modificao dos desdobramen -

tos, em funo da presena de

um campo magntico

N quntico de spin ( ms) um feixe de tomos de Ag

desdobrado em um campo

magntico.

61

Spin

62

qi estrutura.pdf

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