Estrutura da Materia Aula 01

(1)

Estrutura da Matéria

Profª. Fanny Nascimento Costa

(fanny.costa@ufabc.edu.br)

Aula 01

• Do macro ao micro

• Partículas elementares • Interações fundamentais

(2)

Terça-Feira: 19:00 h às 21:00

Quinta-Feira (quinzenal): 19:00 h às 21:00 h

Horário das aulas

Provas

Serão aplicadas duas provas regulares (P1 e P2). Para o conceito final, será considerado o conceito médio das duas provas.

A prova substitutiva (SUB) será aplicada apenas aos alunos que tiverem justificativa legal.

A prova de recuperação (REC): estudantes que obtiverem conceito D ou F terão direito de realizar esta prova. O conceito final neste caso será determinado pela média ponderada: (P1+P2+2REC)/4.

(3)

Conceito De Até A 85% 100% B 70% 85% C 50% 70% D 40% 50% F 0 40%

A: desempenho excepcional, demonstrando excelente compreensão da disciplina B: bom desempenho, demonstrando capacidade boa de uso dos conceitos da

disciplina;

C: desempenho adequado, demonstrando capacidade de uso dos conceitos da

disciplina e capacidade para seguir em estudos mais avançados;

D: aproveitamento mínimo dos conceitos da disciplina, com familiaridade

parcial do assunto, mas demonstrando deficiências que exigem trabalho

adicional para prosseguir em estudos avançados;

F: reprovado. A disciplina deve ser cursada novamente para a obtenção de crédito;

O: reprovado por falta se tiver mais de 25% de falta. A disciplina deve ser cursada novamente para a obtenção de crédito.

(4)

P1 - 06/07/2017

Datas e conteúdo das provas

Partículas e forças fundamentais da natureza; Unidades e dimensões; Evidências do Átomo na Química; Lei dos Gases, gases reais, o número de Avogrado; Experiência de Thomson e Milikan, descoberta do Elétron;

Radioatividade; Descoberta do núcleo; Modelos atômicos; Modelo de Bohr e espectros atômicos; Radiação de corpo negro; Efeito Fotoelétrico; Mecânica Quântica: Dualidade onda‐partícula; Princípio da Incerteza.

P2 - 03/08/2017

Orbitais, números quânticos e o átomo de hidrogênio; Átomos

multieletrônicos, spin, princípio da exclusão e periodicidade; Representação de Lewis, Regra do Octeto e ligações químicas; Modelo de repulsão dos pares de elétrons da camada de valência, geometria molecular e polaridade;

Hibridização e teoria da ligação de valência; Teoria dos orbitais moleculares; Interações intermoleculares.

SUB - 08/08/2017 Toda a matéria.

(5)

Bibliografia Básica

• ATKINS, P. W.; JONES, Loretta. Princípios de Química:

questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3 ed. Porto

Alegre: Bookman, 2006. 965 p.

• CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor. Física Moderna: origens

clássicas e fundamentos quânticos. Rio de Janeiro: Elsevier,

2006. 608 p.

• MAHAN, Bruce M.; MYERS, Rollie J. Química: um Curso

(6)

Desde sempre, o ser humano olha ao seu redor e

faz perguntas.

Por que existe uma “mancha clara”, de formato

alongado, no céu? Do que ela é feita? Como surgiu?

(7)

Muitas respostas que

foram dadas a estas

perguntas são

profundamente ligadas

à cultura e história dos

povos, às suas crenças

religiosas e sua

(8)

A

ciência

é uma forma de abordar questões como essa. Ela

procura primar pela objetividade, pela clareza e pela

precisão.

É uma tradição de pensamento em que estas qualidades são

buscadas e valorizadas, e onde a verificação experimental é

considerada como o argumento fundamental.

... aprendemos que o sol é

apenas uma entre uma

infinidade de estrelas que

se aglomeram em galáxias.

A faixa iluminada no céu é

a imagem que temos de

nossa galáxia, vista de

dentro.

(9)

A ciência nasce de uma

característica fundamental do

espírito humano: a

CURIOSIDADE

.

Além disso, a ciência também é muito

útil e permite aprimorar nossa

(10)

Para

atender

aos

critérios

de

objetividade, clareza e precisão, a

MATEMÁTICA

tornou-se uma ferramenta

básica da ciência.

“O livro da natureza é

escrito em caracteres

matemáticos”.

A ciência permite ao conhecimento

humano ultrapassar seus próprios

limites físicos.

A ciência consegue estender a

compreensão do ser humano para

estruturas extremamente

(11)

Interações

Tecnologias

Estruturas

Átomo

(12)

• Estruturas: (do macro ao micro) universo, galáxias, estrelas/planetas, matéria macroscópica, moléculas, átomos, elétrons e núcleo, prótons e nêutrons, hádrons e léptons, quarks;

• Interações: 4 fundamentais (eletromagnética, gravitacional, nuclear forte, nuclear fraca), ligações químicas, forças intermoleculares, estados da

matéria, matéria macroscópica, domínio da gravidade (órbitas, formação de planetas, estrelas e galáxias, síntese de elementos químicos, anãs-brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros);

• Tecnologias: aceleradores e reatores nucleares, RMN, laser, nanotecnologia, química, bioquímica, semicondutores, microeletrônica, computação,

microbiologia, eletrônica, mecânica, aviação, astronáutica, etc.

(13)

13

Dimensões das Estruturas do

Universo

10 milhões de anos-luz (1023_{m) de}

distância da Via Láctea.

(14)

14

1 milhão de anos-luz (1022_m)

Torna-se visível o espiral

Vamos nos aproximar e entender a estrutura daquilo

que nos cerca.

Dimensões das Estruturas do

Universo

(15)

15

100.000 anos-luz (1021_m)

Nosso sol mal pode ser vista!

Dimensões das Estruturas do

Universo

(16)

16

100 anos-luz (1018_m)

Nada além de estrelas

Dimensões das Estruturas do

Universo

(17)

1 ano-luz (1016_m)

O Sol aparece bem pequeno

Dimensões das Estruturas do

Universo

(18)

1 trilhão de quilômetros (1015_m)

O Sol um pouco maior

Dimensões das Estruturas do

Universo

(19)

100 bilhões de quilômetros (1014_m)

O Sistema Solar começa a aparecer

Dimensões das Estruturas do

Universo

(20)

10 bilhões de quilômetros (1013_m)

Nosso Sistema Solar mais definido

Dimensões das Estruturas do

Universo

(21)

1 bilhão de quilômetros (1012_m)

Órbitas de: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e

Júpiter

Dimensões das Estruturas do

Universo

(22)

100 milhões de quilômetros (1011_m)

Órbitas de: Vênus, Terra e Marte

Dimensões das Estruturas do

Universo

(23)

10 milhões de quilômetros (1010_m)

Parte da órbita da Terra

Dimensões das Estruturas do

Universo

(24)

1 milhão de quilômetros (109_m)

Pode ser vista a órbita da Lua

Órbita da Lua

Dimensões das Estruturas do

Universo

(25)

100.000 quilômetros (108_m)

A Terra ainda pequena

Dimensões das Estruturas do

Universo

(26)

10.000 quilômetros (107_m)

O Hemisfério Norte da Terra

Dimensões das Estruturas do

Universo

(27)

1.000 quilômetros (106_m)

Foto característica de satélite (estado da

Flórida, USA)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(28)

100 quilômetros (105_m)

da superfície.

Cidade de Tallahassee na Flórida USA, um pouco mais próximo...

Dimensões das Estruturas do

Universo

(29)

10 quilômetros (104_m)

Os quarteirões mal são vistos

Dimensões das Estruturas do

Universo

(30)

1 quilômetro (103_m)

É possível a prática de paraquedismo

Dimensões das Estruturas do

Universo

(31)

UFABC!!!

Campus SA

Dimensões das Estruturas do

Universo

(32)

100 metros (102_m)

Vista típica de helicóptero

Dimensões das Estruturas do

Universo

(33)

10 metros (101_m)

Vista típica de edifício

Dimensões das Estruturas do

Universo

(34)

1 metro (100_m)

Quando olhamos algo com o braço esticado...

Dimensões das Estruturas do

Universo

(35)

10 centímetros (10-1_m)

Pode-se tocar nas folhas

Dimensões das Estruturas do

Universo

(36)

1 centímetro (10-2_m)

É possível sentir o cheiro da folha

Dimensões das Estruturas do

Universo

(37)

100 mícrons (10-4_m)

As células praticamente

estão definidas

Dimensões das Estruturas do

Universo

(38)

10 mícrons (10-5_m)

As células aparecem

Dimensões das Estruturas do

Universo

(39)

1 mícron (10-6_m).

O núcleo da célula já fica visível

Dimensões das Estruturas do

Universo

(40)

1.000 angstroms (10-7_m)

Os cromossomas aparecem

Dimensões das Estruturas do

Universo

(41)

100 angstroms (10-8_m)

A cadeia de DNA pode ser visualizada

Dimensões das Estruturas do

Universo

(42)

1 nanometro (10-9_m)

Os blocos cromossômicos

Dimensões das Estruturas do

Universo

(43)

1 Angstrom (10

-10

_m)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(44)

10 picometros (10

-11

_m)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(45)

1 picometro (10

-12

_m)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(46)

100 fermis (10

-13

_m)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(47)

10 fermis (10

-14

_m)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(48)

1 fermi (10

-15

_m)

Dimensões das Estruturas do

Universo

(49)

Neste curso, vamos mostrar um pouco da resposta que a

ciência forneceu a duas perguntas:

• Do que a matéria é feita? (átomos, moléculas)

• Por que a matéria se organiza da forma como ela se

organiza? ( Interações )

Estas respostas não são simples. A humanidade levou

séculos para desenvolvê-las. Muitas partes destas

respostas envolvem uma matemática muito complicada, que

não podemos descrever neste curso. Muitas vezes vamos

apresentar “regras” que não poderemos justificar por não

dominar a matemática necessária.

(50)

Física de Altas Energias

Estrutura da Matéria

10-10_m ₁₀-14_m ₁₀-15_m <10-18_m 10-9_m Matéria <10-19_m

Molécula Átomo Núcleo

prótons, nêutrons, mésons, etc.  top, bottom, charm, strange, up, down Matéria condensada/Nanociência/Química Hádron (Bárion) Elétron (Lepton) u Quark 10-2_m Física Nuclear Física Atômica

(51)

A natureza elementar da matéria é estudada através de

experimentos de colisões.

LHC, próximo a Genebra, na fronteira Suíça - França.

Túnel de 27Km de circunferência, a 100 metros de profundidade, com equipamentos resfriados a hélio líquido a uma temperatura de −271.25° C

(52)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

Detectores de partículas

(53)

sites.google.com/site/alyssonferrari

Experimentos mostraram um “zoológico” de partículas que podem ser criadas em determinadas condições mas que não existem normalmente na natureza.

quark up quark down neutrino do elétron elétron quark charm quark strange neutrino do múon múon quark top quark botton neutrino do tau tau

PARTÍCULAS ELEMENTARES

(54)

(55)

Estrutura interna do átomo

Tudo que existe no universo é feito de átomos, que por sua vez são feitos por partículas menores, indivisíveis, chamadas de partículas elementares.

Pergunta: como as partículas

elementares conseguem se organizar em estruturas de tamanhos tão diferentes, e tão complexas, como observamos na natureza?

Resposta: em última instância, graças

às interações fundamentais (ou

forças elementares) que são sentidas

(56)

FORÇA

INTERAÇÃO

interação (s. f.)

1. Influência recíproca de dois ou mais elementos.

(…)

3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre duas partículas.

fonte: www.priberam.pt/DLPO

A noção de interação está ligada

basicamente aquilo que conhecemos, na física de Newton, como força, isto é, uma influência exercida por um corpo sobre o outro.

Sabemos, pela 3ª lei de Newton, que esta influência sempre é recíproca.

(57)

A maior parte das interações (forças) que vemos no dia-a-dia exigem um contato direto entre os corpos envolvidos.

Algumas forças, contudo, agem mesmo que não

haja contato direto entre os dois corpos envolvidos. Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra

devido à força gravitacional.

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

(58)

INTERAÇÕES DE CONTATO

INTERAÇÕES

MEDIADAS

POR UM CAMPO

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

(59)

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES

● PUXÕES ● EMPURRÕES ● ATRITO ● ... ● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL interações de contato interações de campo FORÇAS ELÉTRICAS FORÇAS MAGNÉTICAS

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

(60)

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES

● PUXÕES ● EMPURRÕES ● ATRITO ● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL ● INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA interações de contato interações de campo

Ao longo do século XIX descobriu-se profundas relações entre o campo elétrico e o campo magnético.

Na verdade, não são dois campos separados: são dois aspectos de um único fenômeno, o que se chama campo

eletromagnético.

James Clerk Maxwell foi o descobridor deste fato,

formulando as chamadas equações de Maxwell, que você futuramente estudará.

(61)

Relembremos que o átomo é composto por partículas com carga negativa (elétrons) e positiva (prótons) em igual número, ou seja, tipicamente o átomo é eletricamente neutro.

Uma vez que os átomos são neutros, o que faz com que eles se unem formando moléculas estáveis?

Resposta: A força residual eletromagnética.

As partes carregadas de um átomo podem interagir com as partes carregadas de outro átomo. Isso permite que diferentes átomos mantenham-se ligados.

(62)

A força eletromagnética é responsável, em última instância, por todas

as ligações químicas entre átomos.

Ou seja, toda a química existe porque existe a interação eletromagnéticas. Ela é responsável por todas as propriedades

químicas dos diferentes elementos.

(63)

A vida depende

necessariamente de um conjunto extremamente

complexo de reações químicas. Por isto, a existência da interação

eletromagnética é também, em última instância, o que propicia

a existência da vida.

(64)

FORÇAS DE CONTATO

não

são mais que o produto das

interações

eletromagnéticas

entre os átomos da superfície

dos materiais.

FORÇAS COMO

● PUXÕES

● EMPURRÕES ● ATRITO

não são elementares, mas sim resultados de interações

eletromagnéticas.

Além disso, sempre que temos duas superfícies “em contato”, os átomos que compõem as duas superfícies estão tão próximos que podem exercer forças eletromagnéticas uns entre os outros...

(65)

LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

● INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES

● PUXÕES ● EMPURRÕES ● ATRITO ● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL ● INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA interações de contato interações de campo

(66)

próton neutron

“FORÇA” NUCLEAR FORTE

“FORÇA” NUCLEAR FRACA

A lista de interações fundamentais está quase completa.

Existem só mais duas interações, que foram descobertas mais

recentemente, e que basicamente só “funcionam” dentro do núcleo atômico.

(67)

A força eletromagnética tenderia a fazer o núcleo se despedaçar. Por outro lado, a força gravitacional é sempre atrativa, mas é fraca demais para “vencer” a força eletromagnética.

O núcleo é formado de prótons e nêutrons.

Os nêutrons tem carga nula os prótons tem carga positiva e se repelem uns aos outros. Por que então o núcleo não explode ?

A força nuclear forte é responsável por “colar” os quarks formando prótons e

neutrons, e também pela força de atração que mantêm os prótons e neutrons juntos no núcleo.

(68)

Toda máteria estável no universo é composta por quarks mais leves (up e down) e pelo elétron que é o lépton carregado mais leve.

Interações fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves.

Decaimento beta: um neutron transforma-se num próton, liberando um elétron e um neutrino.

(69)

Interações Elementares

• Interação gravitacional

• Interação eletromagnética

• Interação forte (ou nuclear forte)

• Interação fraca (ou nuclear fraca)

Esta é, até onde sabemos, uma lista completa de todas as

interações elementares observadas no universo.

É uma lista surpreendentemente curta – representa uma grande síntese do conhecimento físico acerca do universo!

(70)

1 – Revista Scientific American Brasil, Edição Especial sobre o Universo, Vol. 2, 3, 4 e 5.

2 – Daltamir Justino Maia, J. C. de A. Bianchi, Química Geral :Fundamentos, Pearson Education do Brasil, Cap. 1 e 2, 2007.

3 – Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge,

Química a Ciência Central, Pearson Education do Brasil, Cap. 3, 9ª. Ed., 2005.