PARTÍCULAS ELEMENTARES e INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

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BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA Crédito: Sprace Professor Hugo B. Suffredini hugo.suffredini@ufabc.edu.br Site: www.suffredini.com.br

PARTÍCULAS ELEMENTARES

e

INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS

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PARTÍCULAS ELEMENTARES

Você deve conhecer, do ensino médio, o átomo de Rutherford.

Os elétrons, até onde conhecemos hoje, são partículas elementares.

( elementar = indivisível )

O núcleo é composto por prótons e

neutrons que, por sua vez, não são elementares.

próton neutron

Prótons e neutrons contem partículas

menores chamadas quarks.

Os quarks são, até onde sabemos,

elementares. quark up

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Partículas Elementares

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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, com equipamentos resfriados a hélio líquido a uma temperatura de −271.25° C

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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 por estas partículas elementares.

Resumo: tudo que existe no universo é feito de átomos, que por sua vez são

feitos por partículas menores, indivisíveis, chamadas de partículas elementares.

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FORÇA

INTERAÇÃO

interação (s. f.)

1. Influência recíproca de dois ou mais elementos.

2. Psicol. Fenômeno que permite a

certo número de indivíduos constituir-se em grupo, e que consiste no fato de que o comportamento de cada indivíduo se torna estímulo para outro.

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

fonte: www.priberam.pt/DLPO FORÇAS ELEMENTARES

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Interações de contato: exigem um contato direto entre os corpos envolvidos.

FORÇAS ELEMENTARES

Interações de campo: agem mesmo que não sem contato direto entre os corpos

envolvidos.

Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra.

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GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)

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

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 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 unam 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 se juntem.

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 Portanto, 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.

 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.

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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...

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LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

 INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

 INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

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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.

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LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

 INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

 INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

 INTERAÇÃO NUCLEAR FRACA

 INTERAÇÃO NUCLEAR FORTE

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.

Mas a lista pode ser ainda menor!

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BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

HIPÓTESE ATÔMICA

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16

Estados da matéria

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O conceito de átomo antecede a ciência moderna:

▪ Origem na antiga Grécia

▪ Discussão da divisibilidade de matéria

▪ A partir do século XVII – avanços da ciência na

explicação de fenômenos naturais – metodologia

científica

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Hipótese na Antiquidade

No séc. V e III a.C., conjecturou-se que a matéria seria composta de partículas minúsculas e indestrutíveis que caminham no vazio (vácuo).

O filósofo grego Demócrito no século VI a. c. propôs a hipótese de que a matéria é composta de átomos, partículas muito pequenas, indivisíveis, indistingüíveis e eternas. As diferentes propriedades da matéria viriam dos diferentes tipos de arranjos que essas partículas fariam para compor o objeto.

Demócrito Leucipo Epicuro Os átomos de

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Conceito de elementos

Boyle define elementos como sendo certos

corpos não formados por quaisquer outros

corpos, ou seja, são ingredientes dos quais

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▪ Evolução da química: estudos qualitativos  ciência exata,

estudos quantitativos.

Origens da Teoria Atômica e da Química

▪ Séc. XVIII: contribuição de Lavoisier

para a sistematização e quantificação

da química.

Lavoisier: um elemento químico é a

menor porção de uma substância que

ainda apresenta as mesmas

propri-edades químicas e não pode ser

sub-dividido e outros elementos.

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Bases Experimentais para a Teoria Atômica

1) Lei da conservação das massas

2) Lei das proporções definidas

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Lei da Conservação de Massas

A massa total é a mesma antes e após uma reação química.

“Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”.

A conservação de massas é compatível com a idéia de

que a matéria é composta por unidades básicas (átomos),

que não são criados e nem destruídos durante uma

transformação química, e sim apenas rearranjados.

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Modelo Atômico de Dalton (1808)

Toda substância é composta de pequenas partículas indivisíveis chamadas átomos.

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Modelo Atômico de Dalton (1808)

▪ Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam as mesmas propriedades. Átomos de diferentes elementos químicos têm propriedades químicas diferentes.

▪ Durante uma reação química, nenhum átomo de determinado elemento desaparece ou se transforma em um átomo de outro elemento. Os átomos apenas se reagrupam (lei da conservação de massas).

▪ Formam-se substâncias compostas quando se combinam átomos distintos de mais de um elemento. Num dado composto químico, os números relativos de átomos de cada elemento são definidos e constantes e podem expressar-se como inteiros ou frações simples

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Lei de Gay-Lussac: a pressão e temperatura

constantes, os volumes de gases que se

combinam quimicamente guardam entre si

proporções simples.

Lei das Combinações Volumétricas

2m³ de gás hidrogênio + 1m³ de gás oxigênio = 2m³ de vapor de água 1m³ de gás nitrogênio + 3 m³ de gás hidrogênio = 2m³ de vapor de amônia 1m³ de gás hidrogênio + 1m³ de gás cloro = 2m³ de cloreto de hidrogênio

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1 mol de átomos = 6,02 × 1023 _átomos

Unidades Básicas do Sistema Internacional

Quantidade de Matéria e o Conceito de mol

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1 mol de Átomos de Diversos Elementos

1 mol de átomos = 6,02 × 1023 _átomos

Número de grãos de areia numa quadra de vôlei de praia: ~ 5 × 1011

C

12 g

S

32 g

Pb

207 g

Hg

201 g

Cu

64 g

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Relações de massa entre os componentes de uma reação química:

CONSERVAÇÃO DE MASSA

CH

₄

+

2 O

₂

—→ CO

₂

+

2 H

₂

O

1 mol 2 mol 1 mol 2 mol

16 g 2 × 32 g 44 g 2 × 18 g

massa dos reagentes: 80 g massa dos produtos: 80 g

Estequiometria

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Equações Químicas

H₂ + O₂ → H₂O

1° passo: representação de átomos e moléculas envolvidos na reação

H + O → H₂O

INCORRETO:

as substâncias hidrogênio e oxigênio não são formadas

por átomos isolados, e sim por moléculas diatômicas

hidrogênio + oxigênio → água



_✓

CORRETO:

porém ainda incompleto (falta o balanceamento)

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Equações Químicas

2° passo: balanceamento da equação (encontrar a proporção entre os componentes, de modo que nenhum átomo seja criado nem destruído durante a reação química)

hidrogênio + oxigênio → água

H₂ + ½ O₂ → H₂O 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O H₂ + O₂ → H₂O₂ CORRETOS



_✓

INCORRETO: H₂O₂ representa a substância peróxido de hidrogênio, e não água

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Exemplo: Produção de Ferro

? Fe

₂

O

₃

+ ? C —→ ? Fe + ? CO

₂

Qual a massa de ferro metálico que pode ser obtida de 1 t de minério? Massas molares: Fe (56 g/mol), C (12 g/mol), O (16 g/mol)

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Elemento Químico: Conceito Atual (IUPAC)

1. Espécie de átomos, todos os átomos com o mesmo número de prótons no núcleo.

2. A substância química pura constituída por átomos com o

mesmo número de prótons no núcleo. Às vezes, este conceito é chamado de “substância elementar”, distinta do conceito de elemento químico tal como definido no ítem 1. Usualmente, o termo elemento químico é usado para ambos os conceitos.

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Substância Química

Matéria de composição constante, caracterizada pelas entidades (moléculas, unidades de fórmula, átomos) de que é constituída.

Propriedades físicas, como densidade, índice de refração, condutividade elétrica, ponto de fusão, etc caracterizam a substância química.

Substâncias simples: formadas por átomos do mesmo elemento.

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✓Formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo denominada componente.

✓Como as misturas apresentam composição variável, têm propriedades — como ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade — diferentes daquelas apresentadas pelas

substâncias quando estudadas separadamente.

Mistura

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Composição do ar:

• gás nitrogênio (N₂) = 78%; • gás oxigênio (O₂) = 21%; • gás argônio (Ar) = 1%;

• gás carbônico (CO₂) = 0,03%.

Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.

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Fase: cada uma das porções que apresenta aspecto visual

homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não, mesmo quando observado ao microscópio comum.

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Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase

➢ As misturas homogêneas são chamadas soluções. ➢ Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool hidratado, pinga, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e algumas ligas metálicas.

➢ Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são sempre misturas homogêneas.

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Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases

➢ Alguns exemplos: água e óleo, areia, granito, madeira, sangue, leite, água com gás.

➢ As misturas formadas por n sólidos apresentam n fases, desde que estes sólidos não formem uma liga ou um cristal misto.

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Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases

Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.

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Soluções versus Colóides/Suspensões

açúcar + água: moléculas individuais dispersas no solvente

óleo + sabão + água: aglomerados de moléculas de óleo (pequenas gotas) dispersas em água

tamanho das partículas: ordem de 0,1 – 1 nm (moléculas pequenas)

tamanho das gotas: ordem de 1 nm – 1 m

COLÓIDES E SUSPENSÕES

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Efeito

Tyndall

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Efeito Tyndall

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Mais informações: https://infograph.venngage.com/p/89761/types-of-mixtures

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PARA CASA:

A ferrugem é uma mistura de dois compostos de ferro. Em uma peça de ferrugem foram analisados esses dois compostos e verificaram-se dois arranjos possíveis de ferro, oxigênio e hidrogênio: (1) com 52.12% de ferro, 45.04% de oxigênio e 2.84% de hidrogênio; (2) com 62.20% de ferro, 35.73% de oxigênio e 2.25% de hidrogênio (porcentagens de massa!). Identifique os compostos químicos e diga como esses dados estão relacionados com a lei das proporções múltiplas