Modelos atômicos
Professor- Murilo Bastos
1. O que é um modelo cientifico?
Um modelo científico é uma representação da realidade que visa descrever um objeto complexo. A química é ciência que estuda a matéria e suas transformações. O modo como a química interpreta a matéria de uma forma submicrocospica perpassa pela ideia de átomo, que ao longo dos períodos foram se complexificando a partir de resultados de outros experimentos. E para contar essa história iremos voltar a Grécia antiga, sem antes dizer que “toda ciência seria desnecessária se aparência coincidissem com a essência “
2. A ideia do átomo na filosofia...
Havia um grupo de filósofos acreditavam que dividindo a matéria em pedaços cada vez menores chegaria a um ponto em que haveria um impedimento de sua divisão nesse momento essa partícula invisível ao olho nu , portanto seria indivisível. Quando analisamos o termo “átomos” vemos que a palavra é oriunda de 2 termos “a” + “tomos”, tomos significa segmentado e o na frente significa alfa privativo, ou seja, negação. Logo átomos significa aquele que não segmentado, portanto indivisível.
Entretanto essa ideia foi colocado no esquecimento, pois outro filosofo Aristóteles não acreditavam na ideia atômica, para o mesmo a matéria era formada pelos 4 elementos: Água, fogo, terra e ar
TERRA ÁGUA
3. Modelo de John Dalton (1808)
John Dalton (1766-1844) nasceu em Eaglesfield, um lugarejo do norte da Inglaterra, filho de um modesto tecelão. A família pertencia à religião Quaker , essa religião tem como fundamentos a defesa do pacifismo e da simplicidade. Sua educação formal não chegou ao nível universitário, entretanto ele sempre demonstrou muita determinação e grande predileção por Matemática. Apresentava uma facilidade nos estudos o que possibilitou que ele se tornasse um autodidata em muitos assuntos. A necessidade de ajudar a família fez com que desde cedo o jovem Dalton começasse a trabalhar naquilo que sabia fazer: ensinar. Aos 12 anos de idade criou uma escola, que funcionava de início num paiol(armazém para depósito de produtos agrícolas em geral) sendo depois transferida para o salão de reuniões dos Quakers.
Dalton continuou a estudar e veio a tornar-se versado em grego, latim, francês e filosofia natural. Em 1781, John e seu irmão Jonathan foram convidados a se tornarem assistentes na escola de Kendal, onde lecionaram Matemática e línguas antigas e modernas. A partir de 1785, com a aposentadoria do mestre escola, seu primo George Bewley, os dois irmãos assumiram a direção da escola. De 1784 a 1794, John Dalton escreveu em jornais, estudou Zoologia e Botânica, passou a manter um diário de observações meteorológicas e a lecionar cursos de filosofia natural, incluindo-se aí a química dos gases.
Em 1793 foi convidado a ser professor de Matemática e filosofia natural no New College, de Manchester. A partir daí, viveu naquela cidade até o fim de seus dias. Em suas aulas de Química, um dos livros adotados era o Tratado Elementar de Química, de Lavoisier. Poucos anos depois ele deixou o cargo de professor no New College e passou a se manter sobretudo com aulas particulares. Um de seus alunos ilustres foi James Prescott Joule (1818-1889), futuro elaborador da teoria mecânica do calor. Dalton desenvolveu desde cedo uma paixão pela meteorologia. Por 46 anos tomou medidas diárias do tempo e das condições atmosféricas, registrando no papel mais de duzentas mil observações.
Esse interesse pela meteorologia levou-o a debruçar-se sobre o estudo dos gases, concentrando-se, numa fase inicial, naqueles que constituem a atmosfera. Sua meticulosidade em realizar e anotar observações era proverbial. Embora seus copiosos volumes de notas manuscritas houvessem já sido publicados, é de
lamentar que os originais tenham sido totalmente destruídos na noite de 23-24 de dezembro de 1940, juntamente com milhares de outros documentos e volumes preciosos, quando um ataque aéreo da Luftwaffe, a força aérea alemã, bombardeou sua cidade e destruiu a sede da Sociedade Literária e Filosófica de Manchester, onde estavam depositados aqueles materiais.
A partir de seus estudos com gases Dalton propus 4 postulados sobre natureza da matéria.
A teoria de dalton se baseava em lei das proporções constantes, lei da conservação da matéria.
A Lei de Proust também conhecida por Lei das Proporções Constantes ou Lei das Proporções Definidas foi elaborada em 1794 pelo químico francês Joseph Louis Proust (PROUST,(1794). Ele realizou experimentos com substâncias puras e concluiu que independentemente do processo usado para obtê-las, a composição em massa dessas substâncias era constante.
Assim, para a reação entre, por exemplo, hidrogênio e oxigênio formando água, os seguintes valores experimentais podem ser obtidos:
Ou seja, qualquer amostra de água apresenta sempre 88,9 % de oxigênio e 11,1 % em massa de hidrogênio combinados na mesma proporção. Sempre na proporção constate de 1/8 em massa de hidrogênio e oxigênio.
lei da conservação da matéria proposta por lavoiser diz que: “Numa reação química que ocorre em sistema fechado, a massa total antes da reação é igual à massa total após a reação”. Ou seja, numa reação química a massa se conserva porque não ocorrem criação nem destruição de átomos. Os átomos são conservados; eles apenas se rearranjam. Os agregados atômicos dos reagentes são desfeitos e novos agregados atômicos são formados. Ou ainda, filosoficamente falando: “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”.
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑅𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠
Assim, por exemplo, quando 2 gramas de hidrogênio reagem com 16 gramas de oxigênio verifica-se a formação de 18 gramas de água; do mesmo modo, quando 12 gramas de carbono reagem com 32 gramas de oxigênio ocorre a formação de 44 gramas de gás carbônico.
O átomo para Dalton seria como uma minúscula esfera maciça, impenetrável,
indestrutível e indivisível.
Com as pesquisas sobre a natureza da matéria foi se descobrindo que o átomo se apresentava mais complexo. Hoje sabemos que o átomo é formado por partículas subatômicas.Antes de falar do modelo atual debateremos como se deu as descobertas
dessas partículas demonstrando que os átomos são compostos de partículas carregadas eletricamente algumas positivas (prótons) e outras negativas (elétrons).
4. Modelo de J.J.Thomson (1898)
Joseph John Thomson nasceu em Cheetham Hill, perto de Manchester, Inglaterra, a 18 de Dezembro de 1856. Filho de um livreiro, tinha apenas 14 anos quando ingressou no Owens College de Manchester, atual Victoria University, onde frequentou cursos de física experimental. Em 1876, obteve uma bolsa de estudos para o Trinity College, no qual acabou os estudos em matemática em 1880. Nesse mesmo ano assumiu o cargo de pesquisador no laboratório de Cavendish e, sob a supervisão de James Clerk Maxwell, empreendeu as primeiras pesquisas sobre eletromagnetismo. A qualidade de seu trabalho valeu-lhe a eleição para membro da Royal Society em 1884 e o acesso à cátedra de física no laboratório de Cavendish.
Em 1897, Thomson sintetizou os seus estudos na ideia segundo a qual a matéria, quaisquer que sejam suas propriedades, contém partículas de mesmo tipo cuja massa é muito menor que a dos átomos dos quais elas são parte. Essa linha de pensamento levou à descoberta de um corpo menor do que o átomo do hidrogénio, e disso resultou a identificação das partículas que denominou corpúsculos, depois conhecidas como elétrons. Thomson demonstrou experimentalmente sua teoria ao comprovar a existência desses corpúsculos nos raios catódicos, depois da passagem da corrente eléctrica através de um tubo que continha vácuo.
Nesse modelo, os átomos podem ser divididos em partículas de cargas negativas (mais
tarde reconhecidas como elétrons) incrustrados em uma ”massa positiva”.
5. Modelo de Rutherford
Ernest Rutherford nasceu perto de Nelson, na Nova Zelândia em 30 de agosto de 1871. Estudou na Nova Zelândia até o seu doutorado sobre a magnetização do ferro. Depois foi professor e dirigiu um laboratório de Física na Universidade de McGill, em Montreal, Canadá no período de 1898 a 1907. Na Universidade McGill trabalhou com Frederick Soddy (1877 – 1956) desenvolvendo pesquisas sobre a transmutação dos elementos em emissões radioativas. Após esse período foi sucessor da cadeira de Física de Arthur Schuster na Universidade de Manchester, na Inglaterra. Com a aposentadoria de J.J. Thomson (1856 – 1940) do Laboratório Cavendish, Rutherford tornou-se o novo diretor desta instituição, na qual foi professor de Física e professor de Filosofia Natural da Royal Institution. Devido aos seus trabalhos sobre a radioatividade que contribuíram para o desenvolvimento dessa Ciência, foi laureado em 1908 com o Prêmio Nobel de Física. Rutherford começou estudando emissões radioativas do urânio em Cambridge. Destingiu dois tipos de emissão a alfa e a beta.
Em 1910, Rutherford e colaboradores realizaram uma experiência que estava em desacordo com o modelo de Thomson. Rutherford estudava os ângulos em que as partículas alfa eram desviadas quando atravessavam uma folha delgada de ouro. Quase todas as partículas alfa passavam através da folha de ouro sem sofrer deflexão(desvio). Uma pequena quantidade de partículas alfa dispersava-se na ordem de um grau. Uma pequena quantidade de partículas sofriam um desvio muito grande.
Para explicar tais resultados p modelo de Rutherford representa o átomo consistindo em um pequeno núcleo rodeado por um grande volume no qual os elétrons estão distribuídos. O núcleo carrega a carga positiva e a maior parte da massa do átomo. Outros experimentos levaram a descoberta de partículas positivas (prótons) e partículas neutras (nêutrons) no núcleo. Os prótons foram descobertos em 1919 por Rutherford e os nêutrons em 1923 por Chadwick.
Modelo atômico de Rutherford: O átomo possui uma região central chamada de núcleo atômico, onde fica praticamente toda a massa do átomo e que apresenta carga positiva, e uma região denominada de eletrosfera, onde os elétrons ficam girando ao redor do núcleo.
6. Modelo de Bohr
O modelo atômico de Rutherford apresentava limitações – como, aliás, todos os modelos científicos –, pois, segundo a física clássica, partículas carregadas eletricamente em movimento acelerado, como os elétrons em volta do núcleo atômico, irradiariam energia. Ao perder essa energia, os elétrons seriam mais atraídos pelo núcleo, e a estrutura atômica sofreria um colapso, inviabilizando a existência do átomo conforme proposto por Rutherford.
Niels Bohr propõe o primeiro modelo atômico com base na teoria quântica. O modelo do átomo de Bohr foi extremamente bem sucedido para explicar o átomo de hidrogênio, preenchendo as lacunas do modelo proposto por Rutherford. Que pode descrito de forma reduzida a partir de 3 postulados
Núcleo
Elétron Radiação
1. Os elétrons percorrem órbitas circulares ao redor do núcleo; há uma quantidade limitada de órbitas permitidas, que se chamam camadas eletrônicas ou níveis de energia. Quanto mais afastada do núcleo estiver a camada ou o nível, maior será a energia do elétron localizado nela.
2. Durante a translação nessas órbitas permitidas, os elétrons não perdem energia espontaneamente e se mantêm em uma órbita estável, condição conhecida como estado estacionário.
3. Quando um elétron recebe energia suficiente do meio externo (por aquecimento, por exemplo), ele se desloca para uma órbita mais distante do núcleo, que é mais energética que sua órbita original. Quando o elétron perde essa energia pré-adquirida, retorna para sua órbita original, dissipando a energia recebida na forma de energia térmica e/ou luminosa.
O estado estacionário de menor energia (mais estável) ficou conhecido como
estado fundamental, e os de maiores energias, como estados excitados.
No modelo de Bohr, os elétrons estão distribuídos em órbitas ao redor do núcleo, conhecidas por camadas eletrônicas ou níveis de energia (n), representados pelas letras K, L, M, N,O, P, Q.
Em cada nível apresenta um número máximo de elétrons permitidos, conforme a tabela abaixo.
Para fazermos nem sempre preenchemos a camada com número possível de elétrons permitidos para tanto precisamos levar em consideração algumas regrinhas:
I. Se o número de elétrons for suficiente, a primeira (camada K) e a segunda (camada K) camada do átomo devem sempre receber o máximo de elétrons, que é 2 e 8, respectivamente;
II. A penúltima camada a receber elétrons nunca pode exceder o limite de 18 elétrons;
III. A última camada a receber elétrons nunca pode exceder o limite de 8 elétrons;
IV. Quando há mais elétrons do que cabe na última camada, devemos sempre repetir o número de elétrons da camada anterior e posicionar os elétrons restantes na próxima camada.
Exemplo resolvidos:
O elementos químicos são representados por símbolos com a primeira letra maiúscula e segunda minúscula exemplo Ca(cálcio), Sr(estrôncio), I (iodo), Ra(rádio). O número que se encontra antes do símbolo é conhecida como número atômico (Z) esse número equivale ao número de prótons. Entretanto como foi discutido anteriormente os átomos são formados por partículas positivas (prótons) e negativas (elétrons). Quando os átomos são carregados são chamados de íons se forem carregados positivamente (cátions) e negativamente (ânion).
Exemplos
20Ca – átomo - 20 prótons – 20 elétrons
20Ca2+ - cátion – 20 prótons – 18 elétrons 7N – átomo – 7 prótons – 7 elétrons
7N3- – átomo – 7 prótons – 10 elétrons
Representação dos átomos
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Exercícios Propostos
1. Analise as proposições abaixo e diga se são verdadeiros ou falsos :
( ) Associar o átomo a uma esfera maciça está de acordo com a teoria atômica de Dalton. ( ) Para Thomson, o átomo era uma esfera positiva com cargas negativas.
( ) Rutherford introduziu o modelo nuclear para o átomo (núcleo com elétrons). ( ) Para Bohr, os elétrons localizam-se ao redor do núcleo em órbitas específicas. ( ) Segundo Rutherford, a carga do núcleo é positiva devido aos prótons
2. Uma importante contribuição do modelo atômico de Rutherford foi considerar o átomo constituído de :
a) Elétrons mergulhados numa massa homogênea de carga positiva.
b) Um núcleo muito pequeno de carga positiva cercado por elétrons em órbitas circulares.
c) Um núcleo de massa insignificante em relação à massa do elétron.
d) Uma estrutura altamente compactada de prótons e elétrons. A = número de massa = no. de prótons +
no. de nêutrons
Z = número atômico = no. de prótons X = um átomo (ou seu núcleo)
e) Nuvens eletrônicas distribuídas ao redor de um núcleo positivo
3. O bombardeamento da folha de ouro com partículas alfa, no experimento de Rutherford, mostra que algumas dessas partículas sofrem desvio acentuado do seu trajeto, o que é devido ao fato de que as partículas alfa:
a) Chocam-se com as moléculas de ouro.
b) Têm carga negativa e são repelidas pelo núcleo.
c) São muito lentas e qualquer obstáculo as desvia.
d) Têm carga positiva e são repelidas pelo núcleo.
e) Não podem atravessar a lâmina de ouro.
4. O sal de cozinha emite luz de coloração amarela quando colocado numa chama. Baseando-se na teoria atômica, é correto afirmar que:
a) Os elétrons do cátion Na+, ao receberem energia da chama, saltam de uma camada
mais externa para uma mais interna, emitindo luz amarela.
b) A luz amarela emitida nada tem a ver com o sal de cozinha, pois ele não é amarelo.
c) A emissão da luz amarela se deve aos átomos de oxigênio.
d) Os elétrons do cátion Na+, ao receberem energia da chama, saltam de uma camada mais interna para uma mais externa e, ao perderem essa energia ganha, emitem-na sob a forma de luz amarela.
e) Qualquer outro sal também produziria a mesma coloração.
5. Podemos afirmar, utilizando uma linguagem bastante grosseira, que a massa do átomo:
a) Está igualmente repartida entre o núcleo e a camadas eletrônicas.
b) Está praticamente toda concentrada nos prótons.
c) Está praticamente toda concentrada nos nêutrons.
d) Está praticamente toda concentrada nos elétrons.
e) Está praticamente toda concentrada no núcleo.
6. (cftce 2006) A soma total de todas as partículas, prótons, elétrons e nêutrons, pertencentes às espécies a seguir, é:
7. (cftmg 2004) O átomo de um elemento X apresenta, no seu estado fundamental, a seguinte distribuição eletrônica nos níveis de energia:
K = 2, L = 8, M = 2
Sabendo que um dos isótopos desse elemento tem 12 nêutrons, a sua representação é:
a) 12X12.
b) 12X24.
c) 24X12.
d) 24X24.
8. (cftmg 2004) Considere a espécies representadas a seguir: R+2 (Z = 20), Q–1 (Z = 9),
11Y23 e 8Z16
A respeito dessas espécies é correto afirmar que:
a) Q–1 tem nove prótons. b) Z possui dezesseis elétrons. c) Y possui onze elétrons no núcleo.
d) R+2 é um cátion com 22 elétrons no núcleo.
9. (cftmg 2004) São dadas as seguintes informações relativas aos átomos hipotéticos X, Y e W:
- o átomo Y tem número atômico 46, número de massa 127 e é isótono(mesmo número de nêutrons) de W;
- o átomo X é isótopo de W e possui número de massa igual a 130; - o número de massa de W é 128.
Com essas informações é correto concluir que o número atômico de X é igual a: a) 47.
b) 49. c) 81. d) 83.
10. (Pucmg 2006) A espécie 55Mn3+ possui:
a) 25 prótons, 25 nêutrons e 25 elétrons. b) 27 prótons, 27 nêutrons e 25 elétrons. c) 53 prótons, 55 nêutrons e 51 elétrons. d) 25 prótons, 30 nêutrons e 22 elétrons.
11. (Pucmg 2007) Observe atentamente a representação a seguir sobre um experimento clássico realizado por Rutherford:
Rutherford concluiu que:
a) o núcleo de um átomo é positivamente carregado. b) os átomos de ouro são muito volumosos.
c) os elétrons em um átomo estão dentro do núcleo.
d) a maior parte do volume total um átomo é constituído de um espaço vazio.
12. (Pucmg 2007) Assinale o elemento que pode formar um cátion isoeletrônico com o Neônio (Ne) e se ligar ao oxigênio na proporção de 1:1.
Dados: 9F; 11Na; 12Mg; 13Al
a) F b) Na c) Mg d) Al
13. (FEI) Um íon de carga 3- tem o mesmo número de elétrons que um certo átomo neutro, cujo número atômico é 14. Sabendo-se que o íon possui 20 nêutrons,o número atômico e o número de massa do átomo que dá origem a esse íon são, respectivamente:
a) 11 e 31 b) 14 e 34 c) 17 e 37 d) 37 e 17 e) 34 e 14
14. (Ufmg 2007) Analise o quadro, em que se apresenta o número de prótons, de nêutrons e de elétrons de quatro espécies químicas:
Dados : 1H; 9F
Considerando-se as quatro espécies apresentadas, é INCORRETO afirmar que:
a) I é o cátion H+. b) II é o ânion F-.
c) III tem massa molar de 23 g/mol. d) IV é um átomo neutro.
15- Assinale a alternativa que completa melhor os espaços apresentados na frase abaixo: “O modelo de Rutherford propõe que o átomo seria composto por um núcleo muito pequeno e de carga elétrica ..., que seria equilibrado por …, de carga elétrica …, que ficavam girando ao redor do núcleo, numa região periférica denominada ...”
a) neutra, prótons, positiva e núcleo. b) positiva, elétrons, positiva, eletrosfera. c) negativa, prótons, negativa, eletrosfera. d) positiva, elétrons, negativa, eletrosfera e) negativa, prótons, negativa, núcleo.
16- Um íon de certo elemento químico, de número de massa 85, apresenta 36 elétrons e carga +1. Qual é o número atômico desse íon?
a) 35. b) 36. c) 37. d) 49. e) 85.
17 - O átomo de um elemento químico possui 83 prótons, 83 elétrons e 126 nêutrons. Qual é, respectivamente, o número atômico e o número de massa desse átomo?
a) 83 e 209. b) 83 e 43. c) 83 e 83. d) 209 e 83. e) 43 e 83.
18- Faça a distribuição eletrônica para os elementos: a) 12Mg b) 20Ca c) 26Fe d) 35Br e) 56Ba f) 86Rn g) 104Rf h) 53I- i) 11Na+
19- O átomo de telúrio (Te) possui 52 elétrons e 75 nêutrons. O seu número atômico, número de massa e número de elétrons da camada de valência são, respectivamente: a) 52, 127 e 5.
b) 52, 127 e 6. c) 127, 52 e 6. d) 52, 75 e 5. e) 52, 127 e 4..
