Estrutura da Matéria Prof. Fanny Nascimento Costa

(1)

Estrutura da Matéria

Prof. Fanny Nascimento Costa

(

fanny.costa@ufabc.edu.br

)

Aula 04

• Elétrons

• Lei da eletrólise de Faraday • Eletrólise

(2)

• John Dalton

–

A teoria de Dalton não era perfeitamente correta.

Sabemos hoje em dia, por exemplo, que átomos podem

ser divididos e que muitos elementos existem como

misturas de dois ou mais isótopos, que são átomos de

um elemento com massas ligeiramente diferentes.

Nenhum destes fatos afeta, no entanto, a capacidade

da teoria de explicar as leis das combinações químicas

• De acordo com esta teoria, uma reação química é

simplesmente um rearranjo dos átomos de uma

configuração para outra

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A Descoberta das

Partículas Subatômicas

• Nosso conhecimento atual da estrutura atômica foi

construído a partir de fatos obtidos de experiências

feitas por cientistas desde o século XIX. Em 1834,

Michael Faraday descobriu que a passagem de corrente

elétrica através de soluções em água podia causar

transformações químicas, evidenciando, pela primeira vez,

a

natureza elétrica da matéria

• No mesmo século, os pesquisadores começaram a fazer

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Os gases são condutores ou isolantes?

• Um gás pode ser condutor ou isolante, dependendo da sua

pressão, da distância entre os eletrodos e da diferença de

potencial existente entre eles

• Essa é uma diferença entre o comportamento de um gás e

o de um metal. O metal sempre é condutor: por menor que

seja a diferença de potencial entre seus extremos, passa

por ele um corrente elétrica.

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Condição para que um gás

seja condutor: ionização

• O íon de um gás pode ser formado por fontes externas de

energia como radiação (luz), feixes de elétrons

energéticos colidindo com os átomos, descargas elétricas

ou então pelo aquecimento do gás. Qualquer um destes

processos faz com que elétrons sejam arrancados dos

átomos, permitindo que as cargas positivas (íons) e as

negativas (elétrons) se movam livremente

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Descargas nos gases rarefeitos

(Tubo de Geissler)

• Gases, de um modo geral, não conduzem corrente elétrica

quando à pressão ambiente. No entanto, no século XIX, os

trabalhos de Henrich Geissler (1859), Johann Hittorf

(1869)

e

William

Crookes

(1886)

mostraram

experimentalmente que, quando submetidos a baixas

pressões, os gases podem se tornar condutores elétricos

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Descargas nos gases rarefeitos

(Tubo de Geissler)

• A cor dessa luminosidade depende do gás residual usado (gás

residual é o gás que resta quando diminui a pressão interna).

Vejamos alguns exemplos de tubos de raios catódicos no nosso

cotidiano:

-

Luminosos de neon: onde o gás residual é o neônio. São usados em letreiros comerciais e abajures

- Lâmpadas de sódio: o gás residual é o vapor de sódio, que confere uma luz amarela característica. São usadas na iluminação de vias públicas e de túneis

- Lâmpadas fluorescentes de mercúrio: utilizam vapor de mercúrio, que emite luz violeta e ultravioleta. O tubo é revestido com uma tinta especial (fluorescente) cuja função é absorver a luz emitida e reemiti-la como luz branca. São usadas em residências, escritórios e algumas vias públicas

- Tubo de imagem da televisão: é um tubo de alto vácuo que, com mudanças complexas, é capaz de dar origem às imagens na tela

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Aspecto da descarga

• A pressão do gás

• A natureza do gás

Descargas nos gases a alta pressão:

Nos gases a alta pressão, os íons iniciais são formados quase que

totalmente pela atração de elétrons das moléculas do gás situadas

próximas do anodo

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Raios Catódicos

• A luminescência esverdeada que aparece na parede do tubo de

Crookes sempre aparece no lado oposto ao catodo, em frente a

este. Quando este fenômeno foi descoberto, deu-se o nome muito

vago de

raios catódicos

a essa “coisa que saía do catodo”, isso

porque sua natureza era inteiramente desconhecida

• Os elétrons do vidro emitem então, onda eletromagnética cujo

comprimento de onda está nos limites da luz, isto é, onda

eletromagnética visível

(10)

Raios Catódicos

• No gás a baixa pressão, há um número relativamente grande de

moléculas, de maneira que a

descarga é formada pelo movimento

de íons do gás para o catodo, e elétrons para o anodo

. Durante a

ionização do gás se produz luz, e é por este motivo que nessas

descargas há um feixe luminoso do anodo ao catodo (Tubos de

Geissler)

• Na descarga no vácuo, o número de moléculas de gás que resta no

interior do tubo é insignificante, de maneira que o número de íons

formados também é insignificante, e não chega a se formar a

corrente de íons como no caso anterior. Neste caso, a corrente

elétrica no interior do tubo é constituída somente por elétrons que

são arrancados do catodo e atraídos pelo anodo, isto é, raios

catódicos. E como não há formação de íons, não há produção de luz

no interior do tubo, e não há feixe luminoso entre o catodo e o

anodo. (Tubo de Crookes)

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A descoberta da estrutura atômica

• Os gregos antigos foram os primeiros a postular que a

matéria é constituída de elementos indivisíveis (do grego,

a = não; tomo = divisão)

• Mais tarde, os cientistas constataram que o átomo era

constituído de entidades carregadas

Raios catódicos e elétrons

• Um tubo de raios catódicos (CRT) é um recipiente

profundo com um eletrodo em cada extremidade

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A descoberta da estrutura atômica

Raios catódicos e elétrons

• 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 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 diferentes desvios

(13)

A descoberta da estrutura atômica

Raios catódicos e elétrons

–

A quantidade de desvio dos raios catódicos depende

dos campos magnético e elétrico aplicados

–

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 x 10

8

_C/g

• Objetivo: encontrar a carga no elétron para determinar

(14)

Raios catódicos e elétrons

(15)

Experimento de J.J. Thomson e

a descoberta do elétron em 1897



Thomson mostrou que os

raios catódicos

eram formados

por partículas,

menores e mais leves

que do que os átomos

e todas aparentemente idênticas.



Ele criou feixes bem estreitos e mediu o seu desvio na

presença de campos elétricos e campos magnéticos.



Podemos imaginar que o

valor do desvio

vai depender de

três quantidades:

a massa da partícula, a rapidez dela e

de sua carga

.

(16)

Experimento de J.J.Thomson

Aceleração de elétrons por

um campo elétrico muito forte

Deflexão de elétrons por

um campo elétrico ajustável

Medida da deflexão total

da trajetória do raio catódico

(17)

sites.google.com/site/alyssonferrari

Experimento de J.J.Thomson

1º PASSO: aceleração.

O campo elétrico de aceleração dá velocidade ao elétron, graças à força elétrica.

(18)

\

2º PASSO: deflexão.

O campo elétrico aplicado provoca uma força perpendicular ao movimento do elétron.

(19)

y₁: movimento perpendicular durante a deflexão

(20)

y₂: movimento perpendicular após a deflexão

Após a deflexão, o elétron continua andando em linha reta.

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y₁ + y₂

deflexão total

Experimento de J.J.Thomson

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 y, l e L podem ser facilmente medidos

 o campo elétrico E pode ser ajustado, e portanto

seu valor também é conhecido.

 mas como determinar v ?

 Thomson aplicou um campo

magnético perpendicular.

 Pela regra da mão direita,

este campo provoca uma força magnética para cima numa partícula de carga negativa que se move para a direita.

(23)

 Thomson então ajustou

o campo Elétrico E até que a força elétrica para baixo cancelasse exatamente a força magnética para cima, de forma que não houvesse deflexão.

(24)

Com estas duas fórmulas, Thomson foi capaz de determinar experimentalmente a razão carga/massa da partícula negativa da qual os raios catódicos são feitos.

Thomson encontrou que

Os valores atuais que temos para a razão é

Thomson, repetiu o experimento para diferente gases e provou que os “corpúsculos” que formavam os raios catódicos tinham carga negativa e uma massa aproximadamente 2.000 vezes menor que a do átomo mais leve e eram parte integrante de todos os átomos.

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Experimento de Millikan

O próximo a investigar as propriedades do elétron foi Robert Millikan em 1909, que conseguiu medir o valor da carga do elétron.

Medindo a carga do elétron, e usando a razão e/m determinada por Thomson, Milikan também possibilitou determinar a massa dos elétrons.

Millikan recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por seus experimentos, que estabeleceram definitivamente o elétron como uma partícula elementar da

natureza.

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Raios catódicos e elétrons

(27)

1. Gotas de óleo são

borrifadas sobre uma

chapa

inicialmente

neutra.

2. Durante a queda, as

gotas alcançam uma

velocidade terminal,

que tem que ser

medida observando a

queda por um pequeno

telescópio.

campo elétrico

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Qualquer corpo em queda sente pelo menos duas forças:

1. a força peso

2. uma força de resistência do ar, proporcional à velocidade.

Durante a queda, a velocidade aumenta até que a força de resistência se torna igual ao peso.

Deste ponto em diante, o corpo cai com esta velocidade terminal constante.

Velocidade Terminal

𝑃 = 𝐹 _𝑎 𝑚𝑔 = 𝑏𝑣 𝑣₁ = 𝑚𝑔 𝑏 𝐹 _𝑎 𝑃 = 𝑚𝑔 sites.google.com/site/alyssonferrari

Experimento de Millikan

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1. Velocidade terminal

2. (campo elétrico desligado)

Experimento de Millikan

campo elétrico

 Ligando um campo elétrico para baixo, as gotas carregadas

negativamente sentem uma força para cima que se opõe ao peso.  A equação para a velocidade terminal modifica-se:

𝑣₁ = 𝑚𝑔 𝑏 𝑚𝑔 = 𝑏𝑣 + 𝑞𝐸 _𝑣 2 = 𝑚𝑔 − 𝑞𝐸 𝑏 sites.google.com/site/alyssonferrari

(30)

 Elimina-se b entre as duas equações:  Isola-se a carga da gota q:

𝑣₁ = 𝑚𝑔 𝑏 𝑣2 = 𝑚𝑔 − 𝑞𝐸 𝑏 𝑣₂ = 𝑚𝑔 − 𝑞𝐸 𝑚𝑔 𝑣1 𝑞 = 𝑚𝑔 𝐸𝑣₁ 𝑣1 − 𝑣2

 A partir desta fórmula, Millikan conseguiu mostrar que, para todas as gotas de óleo observadas, o valor de q era sempre um múltiplo inteiro de uma carga elementar, que corresponde à carga de um elétron:

 Com este valor para e, Millikan também pode calcular a massa do elétron:

𝒆 = 𝟏, 𝟔𝟎 × 𝟏𝟎−𝟏𝟗𝑪

𝒎 = 𝟗, 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎−𝟐𝟖𝒈

(31)

Eletrólise de soluções aquosas

• As reações não espontâneas necessitam de uma corrente externa

para fazer com que a reação ocorra

• As reações de eletrólise

são

não

espontâneas

• Nas células voltaicas e eletrolíticas:

–

a redução ocorre no catodo;

–

a oxidação ocorre no anodo;

–

No entanto, em células eletrolíticas, os elétrons são forçados a

fluir do anodo para o catodo.

(32)

• Nas células eletrolíticas, o anodo é

positivo e o catodo é negativo.

• Num experimento de eletrólise, uma

corrente elétrica aplicada sobre

uma solução iônica, por exemplo de

Cloreto de Sódio dissolvido em água.

• O trânsito de elétrons pela corrente

faz com que ocorra um depósito de

Sódio sobre o cátodo, e a liberação

de Cloro gasoso no ânodo.

• O que acontece é que elétrons são

cedidos pelos íons de Cl

-

_{no ânodo,}

transportados até o cátodo, onde

são cedidos aos íons de Na

+

_.

Eletrólise

(33)

Eletrólise de soluções aquosas

• Exemplo: a decomposição de NaCl fundido

• Catodo: 2Na

+

₍

l

_{) + 2e}

-

_

_2Na(

l

₎

• Anodo: 2Cl

-

₍

l

₎

_

_Cl

2

(

g

) + 2e

-• Industrialmente, a eletrólise é usada para produzir metais como o

Al.

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Aspectos quantitativos da eletrólise

• Queremos saber a quantidade de material que obtemos com a

eletrólise

• Considere a redução do Cu

2+

_{a Cu}

–

Cu

2+

₍

aq

_{) + 2e}

-

_

_Cu(

s

₎

–

2 mol de elétrons se depositarão em 1 mol de Cu

–

A carga de 1 mol de elétrons é 96.500 C (1

F

)

–

Uma vez que Q = It, a quantidade de Cu pode ser calculada

pela corrente (I) e tempo (t) levado para a deposição

(35)

Lei de Faraday para a eletrólise:

“A

quantidade de produto formado

ou do

reagente consumido por uma corrente

elétrica é estequiometricamente

equivalente à quantidade de elétrons

fornecidos”

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Aspectos Quantitativos da Eletrólise

• Para determinar a quantidade de elétrons fornecida por uma

determinada carga, usamos a

constante de Faraday

,

F, a

quantidade de carga por mol de elétrons, como fator de

conversão. Como a carga fornecida é

nF

, em que

n é o número

de elétrons

e

Q = nF

, segue-se que:

n = Q/F = I x t / F

• A constante de Faraday é a magnitude da carga elétrica por

mols de elétrons

F = N_Ax e onde:

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Preparando o caminho para a descoberta do

núcleo atômico

O conhecimento do núcleo atômico teve início com a descoberta acidental da radioatividade em 1986, que foi baseado por sua vez na descoberta dos raios X dois meses antes. Tempos depois da descoberta da radioatividade, ficou evidente que ela era um fenômeno que acontecia no núcleo atômico.

Antes do início do século XX, Wilhelm Roentgen descobriu um novo tipo de raio, produzido por um feixe de raios catódicos (que como vimos, mais tarde se descobriu que era formado por elétrons). Ele os denominou “raios X”, por sua natureza desconhecida. Roentgen descobriu que os raios X:

 Podiam atravessar materiais sólidos;  Podiam ionizar o ar;

 Não sofriam reflexão no vidro;

 Não eram defletidos por campos magnéticos.

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Os Raios -X

Hoje sabemos que os raios X

são ondas

eletromagnéticas

de altíssima frequência (e

energia).

Roentgen percebeu que os raios X podiam

atravessar vários materiais

,

inclusive

tecidos. Colocando a mão da esposa entre a

fonte de raios X e um filme fotográfico, ele

conseguiu produzir a

primeira radiografia da

história!

Mesmo antes de se compreender a natureza

dos raios X, sua utilidade na medicina ficou

evidente.

Roentgen ganhou o

1º Prêmio Nobel

da

história, em 1901.

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Radioatividade

Dois meses depois de Roentgen ter descoberto os raios X, Henri Becquerel acidentalmente descobriu um material que emitia raios X espontaneamente. Ele envolveu uma porção de um sal de urânio num papel preto para protegê-lo da luz, e o guardou numa gaveta sobre um filme fotográfico. Dias mais tarde, revelando este filme, ele descobriu que o material havia emitido raios X, que atravessaram o papel preto e marcaram o filme.

Nos próximos anos, vários outros elementos radioativos foram descobertos: tório, actínio, polônio e rádio.

Estes últimos foram descobertos por Marie e Pierre Curie. Maria Curie foi a primeira mulher a ganhar um prêmio Nobel, e a primeira pessoa a ganhar um Nobel de Física e um de Química.

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Radiações alfa, beta e gama

Hoje sabemos que todos os elementos com número atômico maior que 82 (chumbo) são radioativos.

Eles emitem três diferentes espécies de radiação, que receberam a denominação:

alfa, beta e gama.

Os raios alfa possuem carga elétrica positiva.

Os raios beta possuem carga elétrica negativa.

Os raios gama não possuem carga elétrica.

A natureza diferente destes raios é evidente quando eles atravessam um campo magnético.

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Os raios alfa são carregados positivamente e pesados (defletem pouco num campo magnético). Na verdade, são núcleos de hélio (2p e 2n).

Os raios beta são carregados negativamente e

leves (defletem bastante num campo magnético). São elétrons emitidos por materiais radioativos. Os raios gama são radiação eletromagnética, logo são neutros. Sua frequência (e energia) é ainda maior que a do raios X, logo tem poder penetrante ainda maior.

Devido a sua natureza (carga e massa) raios alfa

são facilmente absorvidos pela matéria. Raios

beta tem maior poder de penetração. Raios gama

podem atravessar a maioria dos materiais, tendo altíssimo poder de penetração.

Radiações alfa, beta e gama

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• Raios gama são radiação eletromagnética – não carregam carga elétrica, carregam apenas energia. Ou seja, um núcleo que emite radiação gama continua mantendo sua identidade. • Uma partícula alfa, contudo, é um núcleo de Hélio (2p + 2n), logo o núcleo ao emitir uma

partícula alfa muda sua identidade. Como o número total de prótons e nêutrons é preservado, contudo, podemos escrever equações de reações nucleares.

Um átomo de Rádio (Ra) tem 88 prótons, e um de seus isótopos tem 138 neutrons, de forma que o número de massa do isótopo é 226.

Escrevemos:

nº de prótons

nº de massa (prótons + neutrons)

Partícula alfa

Radiações alfa, beta e gama

Ao emitir uma partícula alpha, o Rádio perde dois prótons e 2 neutrons, logo fica com 86 prótons e número de massa 222. Isso corresponde a um isótopo

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Lembre-se: o que dá a identidade química de um elemento é o seu número de prótons (ou número atômico).

elementos químicos diferentes _{elementos químicos diferentes} mesmo número de massa

diferentes números de massa

mesmo elemento químico diferentes números de massa

Dois isótopos de um mesmo elemento químico.

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Radioatividade

Isso significa que uma equação como essa, representa a transformação de um elemento químico (Rádio) em outro (Radônio): transmutação de elementos.

A transformação de elementos químicos era um dos sonhos dos alquimistas, que foram precursores de muitos conhecimentos e técnicas que foram sistematizadas no que conhecemos como química hoje.

A radiação beta corresponde a transformação de um nêutron em um próton, emitindo um elétron (partícula beta):

A radiação beta também muda a natureza do elemento emissor.

Existe também uma radiação beta positiva, que emite um pósitron (anti-elétron, com carga positiva). Toda radiação beta também implica na emissão de neutrinos, que são partículas sem carga e praticamente sem massa, e que não precisam ser levadas em conta nessa descrição simples das transmutações radiativas....

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Considere uma certa amostra de um material radiativo, por exemplo Rádio. Suponha que inicialmente tenhamos N₀ átomos de Rádio nesta amostra.

Se você observar a amostra com um contador de radiação, verá que átomos de rádio estão continuamente sofrendo decaimento para átomos mais estáveis. Este processo não é regular ou periódico, na verdade, o intervalo entre decaimentos é aleatório. Não há como prever exatamente quando um determinado átomo de Rádio vai decair.

Esta não é uma limitação simples da nossa ignorância: as leis fundamentais da Mecânica Quântica, que contam este processo, afirmam que o decaimento é efetivamente aleatório.

O que é certo é que, conforme o tempo passa, os átomos de Rádio vão decaindo, então o número de átomos de rádio num certo instante de tempo t, chamado de N(t), vai decrescendo continuamente...

Radioatividade

O número de decaimentos por segundo é proporcional ao número de átomos de

Rádio presentes na amostra num determinado instante

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● Resolvendo a equação:

Encontramos que:

Isso significa que o número de átomos de Rádio presentes na amostra decai exponencialmente com o tempo.

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Com essa solução em mãos, podemos também determinar quanto tempo demora para que

metade dos átomos de rádio tenham decaído. Este tempo é chamado de meia-vida:

Cancelando os fatores comuns N₀ e simplificando:

Tirando logaritmo dos dois membros da equação:

Encontramos assim uma fórmula relacionando a meia-vida com a constante λ que aparece na equação.

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Meia vida de alguns elementos: Carbono-11 20,3 minutos Carbono-14 5.715 anos Cálcio-41 1,02 x 105_anos Urânio-238 4,51 x 109_anos