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Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exercícios 4FÍSICA E QUÍMICA A - 10º AN
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Exercícios resolvidos e propostos
Átomo de hidrogénio; Estrutura atómica; Modelo quântico; Tabela Periódica; Organização e Propriedades
Exercícios resolvidos
1. Na figura está representado o diagrama de energia para o átomo de hidrogénio.
1.1. Indica, justificando, em que condições o átomo de hidrogénio absorve energia.
O átomo de hidrogénio (tal como qualquer átomo) absorve energia quando o seu electrão transita para um nível de energia mais elevado.
1.2. O electrão do átomo de hidrogénio apresenta, no interior do átomo, uma energia de –5,45×10-19 J.
a)Caracteriza o estado de energia do átomo.
O átomo, relativamente ao seu estado de energia, encontra-se ou no estado fundamental ou num estado excitado. Para o átomo de hidrogénio, que só tem 1 electrão, para que este se encontre no estado fundamental tem de estar no nível 1. Como se encontra num nível de energia diferente, encontra-se num estado excitado.
b) Indica em que nível de energia se encontra o electrão.
Pelo diagrama de energia, o electrão encontra-se no nível de energia n=2.
1.3. Quando é que o valor da energia pode ser nulo? Justifica.
A energia do electrão é nula quando ele se encontra fora do alcance do núcleo, isto é, a uma distância infinita do mesmo.
1.4. Calcula a energia que o átomo de hidrogénio pode emitir quando o seu electrão se encontra no nível n=3 e volta o nível n=1.
Como o electrão transita de um nível de energia superior (n=3) para um nível de energia inferior (n=1) vai emitir energia, cujo valor será dado por:
E = Ef – Ei = E1 – E3 = -2,18×10-18– (-2,42×10-19) = -1,94×10-18 J O átomo emite radiação com energia igual a 1,94×10-18 J.
2. O átomo de hidrogénio encontra-se no 3º estado excitado. 2.1. Indica como se pode excitar o átomo.
Um átomo pode ser excitado fornecendo-lhe energia com um valor exactamente igual à diferença de energia entre os níveis. Essa energia pode ser fornecida ou por uma descarga eléctrica ou fazendo incidir radiação.
2.2. O electrão, quando regressa ao estado fundamental, emite energia. Indica o tipo de radiação que o átomo pode emitir nestas condições.
O 3º estado excitado corresponde ao nível n=4: n=1: estado fundamental
n=2: 1º estado excitado n=3: 2º estado excitado n=4: 3º estado excitado
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Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exercícios 4n=4 → n=3 → n=2 → n=1 n=4 → n=3 → n=1 n=4 → n=2 → n=1 n=4 → n=1 IV visível UV IV UV visível UV UV
Resumindo, pode emitir radiação IV, visível e UV.
3. Os electrões do átomo de lítio são caracterizados pelos seguintes conjuntos de números quânticos: (1,0,0,+½); (1,0,0,-½); (2,1,0,+½)
3.1. Caracteriza o estado energético do átomo.
Relembrando, caracterizar o estado energético de um átomo significa dizer se o átomo se encontra no estado fundamental ou num estado excitado. Vamos analisar os conjuntos de números quânticos e ver a informação que nos dão.
(1,0,0,+½) (1,0,0,-½) (2,1,0,+½)
n=1 =0 n=1 =0 n=2 =1 orbital 1s orbital 1s orbital 2p
tem-se 2 electrões na orbital 1s tem-se 1 electrão na orbital 2p
Como se tem 1 electrão na orbital 2p sem que a orbital 2s esteja preenchida, o átomo encontra-se num estado excitado.
3.2. Representa a configuração electrónica do átomo no estado de energia mínima utilizando o diagrama de caixas.
Trata-se de um átomo com 3 electrões, logo, no estado de energia mínima (estado fundamental), a configuração electrónica utilizando o diagrama de caixas, será:
1s 2s
4. Considera as seguintes configurações electrónicas, que correspondem aos átomos X, Y e Z, cujas letras não correspondem aos símbolos químicos.
X – 1s2 2s2 2p3
Y – 1s2 2s1 2p6 3s1
Z – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
4.1. Indica um átomo que esteja no estado fundamental.
Tanto X como Y encontram-se no estado fundamental.
4.2. Indica o número atómico de cada um dos elementos.
O número atómico é igual ao número de protões e, como se trata de átomos, isto é, neutros, o número de protões é igual ao número de electrões: basta contar quantos electrões tem cada átomo, a partir da configuração electrónica.
7X; 10Y; 20Z
4.3. Indica o número de electrões de valência do elemento X.
Os electrões de valência são os electrões que se encontram no último nível de energia, logo: 1s2 2s2 2p3
Último nível de energia: 5 electrões de valência.
4.4. O átomo X tem tendência a formar os iões X3-. Escreve a configuração electrónica deste ião. Se forma os iões X3- significa que ganha 3 electrões, logo:
1s2 2s2 2p6
4.5. Indica o conjunto de números quânticos que caracterizam os electrões de valência do átomo Z.
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Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exercícios 4 4s2n=4 =0
Como são dois electrões que estão na mesma orbital, o que os distingue é o número quântico de spin, que tem de ser diferente: (4,0,0,+½) (4,0,0,-½)
5. Utilizando a equação de Bohr:
= 2 1 21 1
calcula:
5.1. a energia absorvida quando o electrão do átomo de hidrogénio no estado fundamental transita para o 4º nível de energia;
Tem-se a transição de n=1 para n=4, logo E = Efinal – Einicial = E4 - E1 = 2 1 1 1
42
2 1 1 1
12 = 2 4 1 1
Nota: o valor positivo indica que o átomo ganhou energia ao absorver a radiação. Eabsorvida = |E| = 2,04×10-18 J
5.2. a energia da radiação emitida quando o electrão do átomo de hidrogénio transita do nível 4 para o nível 3;
Tem-se a transição de n=4 para n=3, logo E = Efinal – Einicial = E3 - E4 = 2 1 1 1
32 2 1 1 1
42 = 1 1 1
Nota: o valor negativo indica que o átomo perdeu energia ao emitir radiação. Eemitida = |E| = 1,06×10-19 J
5.3. a energia da radiação emitida quando o electrão do átomo de hidrogénio transita do 2º estado excitado para o 1º estado excitado.
2º estado excitado: n=3 1º estado excitado: n=2
Logo tem-se a transição de n=3 para n=2; assim: E = Efinal – Einicial = E2 – E3 = 2 1 1 1
22 2 1 1 1
32 = 3 3 1 1 Eemitida = |E| = 3,03×10-19 J
6. Átomos de hidrogénio no estado fundamental foram atingidos por radiações electromagnéticas de três energias diferentes:
Erad A = 1,435×10-18 J
Erad B = 1,938×10-18 J
Erad C = 2,068×10-18 J
Verifica, através de cálculos, que só uma destas radiações é capaz de fazer passar o átomo de hidrogénio para um estado excitado. Identifica esse estado.
O átomo de hidrogénio fica excitado se o seu electrão transitar do nível 1 para um nível superior. Isto só acontece se o átomo absorver radiação cuja energia, somada à energia do nível 1, for igual à energia de outro nível:
E1 + Erad = En
Vamos utilizar o esquema do exercício 1 para comparar com a energia de cada nível. E1 = -2,18×10-18 J
Radiação A
En = E1 + EradA = -2,18×10-18 + 1,435×10-18 = -0,795×10-18 J: Nenhum nível tem este valor de energia Radiação B
En = E1 + EradB = -2,18×10-18 + 1,938×10-18 = -0,242×10-18 J: É o valor de E3 Radiação C
En = E1 + EradC = -2,18×10-18 + 2,068×10-18 = -0,112×10-18 J: Nenhum nível tem este valor de energia
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Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exercícios 4 7. A figura ao lado representa a posição na Tabela Periódica de três elementos designados pelasletras A, B e C, as quais não representam os verdadeiros símbolos químicos. A configuração electrónica do elemento A, no estado fundamental, é 1s2 2s2 2p4.
7.1. Indica o grupo, o período e o bloco a que pertence o elemento A.
O período é dado pelo número quântico principal máximo com electrões, que será, para este elemento, n=2. Assim, ele encontra-se no 2º período.
O grupo está relacionado com o número de electrões de valência: se os electrões de valência se encontram em orbitais tipo s, o n.º do grupo é igual ao n.º de electrões de valência. Se os electrões de valência se encontram noutro tipo de orbitais p d … o n.º do grupo é dado pelo soma do n.º de electrões de valência + 10, o que é o caso do elemento A:
1s2 2s2 2p4
6 electrões de valência em orbitais tipo s e p logo o grupo será 6 + 10 = 16, isto é grupo 16.
Como os electrões de valência ocupam orbitais tipo p, este elemento pertence ao bloco p.
7.2. Escreve a configuração electrónica do elemento B e do elemento C no estado fundamental.
O elemento C está situado no mesmo período do elemento A na mesma “linha” e como está imediatamente depois de A terá um número atómico superior ao de A em 1 unidade. Então, tem mais 1 electrão do que o elemento A, sendo a sua configuração electrónica 1s2 2s2 2p5.
O elemento B pertence ao mesmo grupo do elemento A porque está na mesma “coluna” , logo terá o mesmo número de electrões de valência (6). No entanto, como está situado na linha abaixo, estará no 3º período. Assim a sua configuração electrónica será 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
6 electrões de valência e no 3º período
7.3. Dos três elementos, selecciona:
a) o de maior raio atómico;
Vamos escrever a configuração electrónica dos três elementos, para se poder comparar: A – 1s2 2s2 2p4
B – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 C – 1s2 2s2 2p5
O que tem maior raio atómico é o que tem electrões num nível de energia superior (maior nuvem electrónica), logo será o elemento B.
b) o de maior energia de ionização.
A energia de ionização é a energia necessária para remover um electrão a um átomo no estado gasoso. Quanto menor for o átomo, mais atraídos estarão os electrões de valência, logo é mais difícil removê-los, sendo maior a energia de ionização. Assim, é preciso ver qual dos três elementos tem menor raio atómico. B já foi excluído, pois viu-se que é o maior. Vamos comparar A e C.
Ambos estão no mesmo período mas como C tem maior número atómico tem maior carga nuclear, os electrões de valência são mais atraídos, o que faz com que a nuvem electrónica contraia e o átomo fique mais pequeno. Assim, a energia de ionização será maior para o elemento C.
A C
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Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exercícios 4Exercícios propostos
8. Para responder às seguintes questões, utiliza o diagrama de energia da figura seguinte, baseado no modelo de Bohr para o átomo de hidrogénio.
8.1. Calcula a energia associada à transição E. 8.2. Selecciona, de entre as transições indicadas:
a) as que correspondem à absorção de radiação electromagnética; b) a que envolve radiação menos energética;
c) a que corresponde à emissão de radiação mais energética.
8.3. Considera as transições A e C que se encontram representadas no diagrama.
a) Calcula o valor da energia transportada pelo fotão que está associado a cada uma dessas transições. b) A que séries espectrais pertencem as riscas originadas pelas transições A e C?
9. Utilizando a equação de Bohr, que se encontra no exercício 5, calcula: 9.1. a energia do electrão no 5º estado excitado;
9.2. o valor de n correspondente ao nível em que se encontra o electrão de energia - 8,72×10-20 J.
10.Qual é o valor mínimo de energia que o átomo de hidrogénio consegue emitir quando se encontra no 2º estado excitado? E o máximo?
11.Um átomo de hidrogénio recebe energia e transita para o nível 3. No processo de desexcitação que se segue, quantas são as transições que podem ocorrer e a que séries espectrais correspondem?
12.O electrão de um átomo de hidrogénio, no estado fundamental, é atingido por uma radiação de energia 2,04×10-18 J, absorvendo a sua energia. Para que nível transita o electrão?
13.Considera as configurações electrónicas dos átomos A, B, C, D, E e F, no estado fundamental, em que as letras não representam os símbolos químicos dos elementos.
A –
B – 1s2 2s2 2p6 3s1
C – 1s2 2s2 2p3
D – 1s2 2s2 2p5
E –
F –
13.1.Identifica as configurações que não estão correctas, corrige-as e indica as regras e princípios que não foram respeitados.
13.2.Faz o diagrama de caixas correspondente à configuração electrónica de B.
13.3.Com base na configuração electrónica C, indica quantas e quais são as orbitais de valência. 13.4.A que elemento pertence o átomo E?
14.Considera a configuração electrónica dos seguintes átomos:
A– 1s2 2s2 2p5 B– 1s2 2s2 2p3 C– 1s2 2s2 2p6 3s1 D– 1s2 2s2 2p6 3s1 3p1 E– 1s2 2s2 2p6 3s2
14.1.Indica os átomos que se encontram no estado fundamental.
14.2.Qual dos átomos no estado fundamental tem energia de ionização mais elevada? - 0,24×10-18
- 2,18×10-18
- 0,54×10-18
- 0,14×10-18
0
n=1 n=2 n=3 n=4 n=
Níveis de energia
Energia/J
A B C
D
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Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exercícios 414.3.Indica quais ou qual apresenta carácter metálico. 14.4.A que bloco da Tabela Periódica pertence o elemento D?
14.5.Escreve o conjunto de números quânticos que caracteriza a orbital correspondente ao estado excitado do átomo D.
15.Considera os seguintes conjuntos de números quânticos, que caracterizam os electrões de valência de três átomos, no estado fundamental.
I– (3,0,0,+½) II– (2,1,0,-½) III– (2,2,1,+½) IV– (3,1,-1,+½) 15.1.Indica um conjunto de números quânticos que seja impossível.
15.2.Escreve a configuração electrónica do átomo II, no estado fundamental, sabendo que tem quatro electrões de valência.
15.3.Determina o número atómico do átomo do elemento I, tendo em conta que tem três electrões de valência com ms=+½.
16.Um elemento X está situado no 2º período e no grupo 15 da Tabela Periódica.
16.1.Escreve a configuração electrónica dos átomos deste elemento, no estado fundamental.
16.2.O elemento Y pertence ao mesmo grupo de X mas está situado imediatamente abaixo deste na Tabela Periódica.
a) Escreve a configuração electrónica dos átomos de Y, no estado fundamental.
b) Escreve um conjunto de números quânticos que possa caracterizar um dos electrões de valência de X com maior energia.
c) Os elementos X e Y apresentam propriedades metálicas? Justifica. 16.3.W é um gás raro que pertence ao mesmo período de Y.
a) Escreve a configuração electrónica dos átomos de W, no estado fundamental. b) Entre os elementos W e Y, qual é o que apresenta maior raio atómico? Justifica.
c) Entre os elementos X e Y, qual é o que apresenta menor energia de ionização? Justifica.
17.A figura ao lado mostra um extracto da Tabela Periódica com elementos dos dois primeiros grupos.
17.1.Indica os nomes das famílias a que estes elementos pertencem.
17.2.Representa simbolicamente o ião mais estável que o sódio tem tendência a formar.
17.3.Sabendo que o número atómico do cálcio é 20, escreve a configuração electrónica do ião mais estável que tem tendência a formar.
17.4.Dos elementos do grupo 2, indica o mais reactivo, justificando.
Soluções
8.1.) 3,00×10-19 J;
8.2.a) A e D; 8.2.b) D; 8.2.c) B;
8.3.a) Transição A: 1,64×10-18 J; Transição C: 4,00×10-19 J
8.4.) Transição A: série de Lyman; Transição C: série de Balmer
9.1.) -6,06×10-20 J;
9.2.) n=5
10) Mínimo: 3,03×10-19 J; máximo: 1,94×10-18 J
11) 3 transições; séries de Lyman e Balmer 12) n=4
13.1.) Incorrectas: A (não obedece ao Princípio de energia mínima) e E (não obedece à regra de Hund)
13.2.)
13.3.) 4 orbitais (1 orbital 2s e 3 orbitais 2p) 13.3.) carbono
14.1.) A, B, C e E 14.2.) A
14.3.) C e E
14.4.) bloco s
14.5.) (3,1,-1,±½) ou (3,1,0,±½) ou (3,1,1,±½) 15.1.) O conjunto III
15.2.) 1s2 2s2 2p2
15.3.) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
16.1) 1s2 2s2 2p3
16.2.a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
16.2.b) (2,1,0,±½) ou (2,1,-1,±½) ou (2,1,1,±½) 16.2.c) Não
16.3.a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
16.3.b) Y 16.3.c) Y
17.1) O sódio pertence à família dos metais alcalinos e o magnésio e o cálcio à dos metais alcalino-terrosos.
17.2) Na+
17.3) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
17.4) Ca