Este documento fornece um resumo da teoria da estrutura atômica ao longo da história, começando com as ideias dos filósofos gregos antigos sobre a constituição da matéria até as teorias atômicas modernas baseadas na mecânica quântica. Aborda as contribuições de cientistas como Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Sommerfeld e Schrödinger.
8. Estrutura Atômica
Referencial Bibliográfico
• Mahan, Bruce M. Química: um curso universitário. Bruce M.
Mahan, Rollie J. Myers; coordenador Henrique Eisi Toma;
tradução de Koiti Araki, Denise de Oliveira Silva, Flávio Massao
Matsumoto. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.
• Atkins, Peter. Princípios de química: questionando a vida
moderna e o meio ambiente. Peter Atkins, Loretta Jones;
tradução Ricardo Bicca de Alencastro. Porto Alegre: Bookman,
2006.
11. TEORIA DA ESTRUTURA ATÔMICA
Descoberta da
natureza da matéria e
do elétron
Átomo: núcleo rodeado
de elétrons
Equações mecânico-quânticas
para explicar o comportamento
dos elétrons nos átomos
12. Qual a constituição da matéria que
compõe o universo?
Antiguidade grega...
Tales de Mileto (640 a.C. – 550 a.C.) Empédocles (490 a.C. – 430 a.C.)
13. Qual a constituição da matéria que
compõe o universo?
HIPÓTESE ATOMÍSTICA
Antiguidade grega...
14. Atomistas
• Leucipo (500 a.C. - ?)
• Demócrito (472 a.C. – 357 a.C.)
• Constituição do universo: átomos e vácuo
• Matéria: pode ser subdividida em pedaços cada
vez menores até atingir um limite – ÁTOMO
• Átomo: do grego, a = não, thomo = divisão
15. Aristóteles
• Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.)
• Frio, quente, úmido e seco
• Seco + frio = terra
• Seco + quente = fogo
• Úmido + frio = água
• Úmido + quente = ar
• Evidência experimental – queima da madeira
• Prevalência da teoria até XVII
16. Renascer...
• Século XVII
• Tradução de antigos textos gregos – redescoberta das ideias atomistas
• R. Boyle (1627-1691) – primeira definição clara de elemento químico:
“Elementos são certos corpos perfeitamente puros, primitivos e simples e
não são feitos de nenhum corpo, nem um do outro: são os ingredientes dos
quais são feitos diretamente todos os corpos chamados de combinados, e
nos quais esses corpos por fim se decomporão.”
• A. L. Lavoisier (1743 – 1794) – Lei da Conservação da Matéria
𝐴 + 𝐵 → 𝐶 + 𝐷
17. Teorias Atômicas
• John Dalton
• Thomson
• Rutherford
• Bohr
• Arnold Sommerfeld
• Erwin Schrödinger
18. Teorias Atômicas
• John Dalton
• Thomson
• Rutherford
• Bohr
• Arnold Sommerfeld
• Erwin Schrödinger
19. John Dalton
• 1808
• Átomo: esfera perfeita, rígida e indivisível
Hipótese atômica de Dalton – Postulados:
I – Os elementos químicos consistem de discretas partículas de matéria, os átomos, que
não podem ser subdivididos por qualquer processo químico conhecido e preservam as
suas individualidades nas reações químicas.
II – Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos em todos os aspectos,
particularmente em peso – diferentes elementos têm átomos diferindo em peso. Cada
elemento é caracterizado pelos pesos de seus respectivos átomos.
III – Os compostos químicos são formados pela reunião de átomos de diferentes
elementos em proporções numéricas simples, isto é, 1:1, 1:2, 2:1, 2:3 ...
21. Avogadro
• Volumes iguais de gases, nas mesmas condições físicas (pressão
e temperatura), apresentam o mesmo número de moléculas.
• Número de moléculas existentes em um mol de qualquer gás,
nas condições normais de pressão e temperatura: NÚMERO DE
AVOGADRO
22. A natureza elétrica da matéria
• 1833 – Experimentos de Faraday: eletrólise de compostos
químicos
• A massa da substância decomposta é diretamente proporcional à
quantidade de eletricidade que passa através da solução.
• Quando se faz passar a mesma corrente, através de vários
eletrólitos dispostos em série, as massas liberadas de cada
substância são proporcionais ao seus equivalentes químicos.
Pelas leis de Faraday foi estabelecido que o equivalente grama
de qualquer elemento é liberado pela passagem de 96490
coulombs de carga elétrica.
Explicação da eletricidade – conceito material e atômico
23. A natureza elétrica da matéria
• 1874 – G. J. Stoney
• Sugere o nome elétron para a partícula elétrica fundamental
• Até 1897 – sem evidências experimentais claras da existência
e das propriedades dos elétrons!
25. Teorias Atômicas
• John Dalton
• Thomson
• Rutherford
• Bohr
• Arnold Sommerfeld
• Erwin Schrödinger
26. Experimentos de Thomson
• 1897
Descargas elétricas em gases – tubo de raios catódicos
• Propriedades dos raios catódicos:
• Se propagam em linha reta;
• Podem penetrar pequenas espessuras da matéria;
• Apresentam carga negativa;
• São defletidos por um campo elétrico;
• São defletidos por um campo magnético.
27. Experimentos de Thomson
• 1897
Descargas elétricas em gases – tubo de raios catódicos
• Conclusão: qualquer matéria continha partículas com carga
negativa!!!
• Modelo do “Pudim de Passas”
28. Contribuições de Millikan
EXPERIMENTO DA GOTA DE ÓLEO
• Provou que todas as cargas elétricas são múltiplos de uma
unidade elementar definida: 1,60 x 10-19 C
29. Teorias Atômicas
• John Dalton
• Thomson
• Rutherford
• Bohr
• Arnold Sommerfeld
• Erwin Schrödinger
30. O experimento de Rutherford
1911 - Espalhamento de
partículas α por folhas de
metal
A maioria das partículas α não sofriam
desvio porque “não acertavam o alvo”
= átomos deveriam ser altamente
desuniformes com relação à
distribuição de massa e de densidade
de carga
RESULTADO = indicação qualitativa
da existência do núcleo!
Possibilitou ainda a medida da
carga e do tamanho do núcleo
31. Modelo atômico de Rutherford
• Rutherford sugeriu que:
• Carga positiva do átomo concentrada numa pequena região que
foi denominada de núcleo;
• Elétrons gravitavam ao redor do núcleo por uma atração elétrica,
de maneira análoga a um sistema planetário.
32. Modelo atômico de Rutherford
• Um átomo contendo um núcleo pequeno positivamente
carregado deveria ser instável.
• Se os elétrons estivessem parados, seriam atraídos para o
núcleo.
• Se os elétrons estivessem em movimento translacional em
volta do núcleo, segundo uma trajetória circular, as leis de
eletromagnetismo prediziam que o átomo deveria emitir luz
dissipando energia continuamente, até que todo o movimento
dos elétrons cessasse.
NIELS BOHR!!!
33. Teorias Atômicas
• John Dalton
• Thomson
• Rutherford
• Bohr
• Arnold Sommerfeld
• Erwin Schrödinger
35. Radiação Eletromagnética
“Um feixe de radiação
eletromagnética é o
produto de campos
elétricos e magnéticos
oscilantes que atravessam o
vácuo a 3,00 x 108 m s-1.”
c = velocidade da luz
c = 2,998 x 108 m s-1
36. O campo elétrico afeta partículas
carregadas como os elétrons!
O campo elétrico de uma radiação
eletromagnética oscila no tempo e
no espaço!
37. Frequência da radiação (ν) = número de ciclos por segundo
Unidade de frequência = 1 hertz (1 Hz)
1 Hz = 1 s-1
A radiação eletromagnética de
frequência 1 Hz empurra uma
carga em uma direção, a seguir na
direção oposta e retorna à direção
original uma vez a cada segundo.
38. Comprimento de onda (λ) é a distância entre dois máximos
sucessivos
Amplitude é a altura da onda em relação a linha central. O
quadrado da amplitude fornece a intensidade da radiação.
Frequência da radiação (ν) é o número de ciclos por segundo
41. RELAÇÃO ENTRE COMPRIMENTO DE ONDA E
FREQUÊNCIA
c = λν
Comprimento de onda vezes a frequência é igual a
velocidade da luz!
Determine o comprimento de onda da luz verde, de
frequência 5,75 x 1014 Hz.
c = 2,998 x 108 m s-1
44. Hipótese quântica de Planck
• 1900 - Propõe que um sistema possui quantidades discretas,
ou quanta, de energia – oscilação dos átomos quentes do
corpo negro
frequência do
oscilador
Constante de
Planck
h=6,626x10-34 J s
𝑬 = 𝒉𝝂
45. O efeito fotoelétrico
Albert Einstein
• Nenhum elétron era emitido a menos
que a frequência da luz fosse maior que
um determinado valor crítico ν0.
• A energia cinética dos elétrons emitidos
aumentava concomitantemente com o
aumento da frequência da onda
eletromagnética
• O aumento da intensidade da luz
incidente não alterava a energia dos
elétrons ejetados, mas aumentava o
número de elétrons emitidos por
unidade de tempo
46. O efeito fotoelétrico
Albert Einstein
A luz é onda ou partícula???
• Conclusão de Einstein: a luz era constituída por partículas discretas, ou
fótons, de energia 𝒉𝝂.
𝒉𝝂 = 𝑬 𝟎 +
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
𝒉𝝂 = 𝒉𝝂 𝟎 +
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐 = 𝒉𝝂 − 𝒉𝝂 𝟎
47. Quando a luz de comprimento de onda de 4500 Å
incide numa superfície limpa de sódio metálico, são
expelidos elétrons cuja energia máxima é 2,1 eV ou
3,36 x 10-12 erg. Qual será o comprimento de onda
máximo da luz que expele elétrons do sódio
metálico? Qual a energia de ligação de um elétron a
um cristal de sódio?
𝒉𝝂 = 𝑬 𝟎 +
𝟏
𝟐
𝒎𝒗 𝟐
48. Uma lâmpada produz 4,5 x 102 J de energia por meio
de uma luz cujo comprimento de onda é de 434 nm.
Quantos fótons são emitidos?
49. Johann Balmer – Espectro
do Hidrogênio
• 1885 – série de frequências emitidas pelo átomo de
hidrogênio
51. Átomo de Bohr
• No átomo, somente é permitido ao elétron estar em certos estados
estacionários, sendo que cada um deles possui uma energia fixa e
definida.
• Quando um átomo estiver em um destes estados, ele não pode emitir luz.
No entanto, quando o átomo passar de um estado de alta energia para um
estado de menor energia há emissão de um quantum de radiação, cuja
energia hν é igual à diferença de energia entre os dois estados.
• Se o átomo estiver em qualquer um dos estados estacionários, o elétron
se movimenta descrevendo uma órbita circular em volta do núcleo.
• Os estados eletrônicos permitidos são aqueles nos quais o momento
angular do elétron é quantizado em múltiplos de h/2π.
52. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Para que o elétron se mantenha estável em sua órbita
Átomo de Bohr
𝒇𝒐𝒓ç𝒂 𝒅𝒆 𝑪𝒐𝒖𝒍𝒐𝒎𝒃 = 𝒇𝒐𝒓ç𝒂 𝒄𝒆𝒏𝒕𝒓í𝒇𝒖𝒈𝒂
𝑍𝑒2
4𝜋𝜀0 𝑟2 =
𝑚𝑣2
𝑟
𝑍𝑒2
4𝜋𝜀0 𝑟
= 𝑚𝑣2
53. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Bohr postulou que o momento angular, mvr, é
Átomo de Bohr
𝑚𝑣𝑟 = 𝑛
ℎ
2𝜋
𝑛 = 1, 2, 3, … .
• Combinando equações e rearranjando:
𝑍𝑒2
4𝜋𝜀0 𝑟
= 𝑚𝑣2 𝑚𝑣𝑟 = 𝑛
ℎ
2𝜋
𝑛 = 1, 2, 3, … .
𝑟 =
𝑛2
ℎ2
ℇ0
𝜋𝑚𝑍𝑒2 𝑛 = 1, 2, 3, …
54. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Definindo o raio de Bohr:
Átomo de Bohr
𝑟 =
𝑛2ℎ2ℇ0
𝜋𝑚𝑍𝑒2
𝑛 = 1, 2, 3, …
𝑎0 =
𝜀0ℎ2
𝜋𝑚𝑒2
𝑟 =
𝑛2
𝑍
𝑎0 𝑎0 = 0,52918 Å
56. Cálculo das energias dos estados permitidos de um átomo:
• Transição com emissão
Átomo de Bohr 𝐸 𝑢. 𝑎. = −
𝑍2
2𝑛2
𝑛 = 1, 2, 3, …
𝒗𝒂𝒓𝒊𝒂çã𝒐 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 = 𝜟𝑬 = 𝒉𝝂
𝑬𝒊 − 𝑬 𝒇 = 𝒉𝝂 =
𝒁 𝟐
𝟐
𝟏
𝒏 𝒇
𝟐 −
𝟏
𝒏𝒊
𝟐
𝒆 𝟐
𝟒𝝅𝜺 𝟎 𝒂 𝟎
2
2
2
1
111
nn
RH
57. Calcule o comprimento de onda da linha de emissão
para a transição de n=2 para n=1 do átomo de H.
𝑬𝒊 − 𝑬 𝒇 = 𝒉𝝂 =
𝒁 𝟐
𝟐
𝟏
𝒏 𝒇
𝟐
−
𝟏
𝒏𝒊
𝟐
𝒆 𝟐
𝟒𝝅𝜺 𝟎 𝒂 𝟎
𝑅 𝐻 =
𝑒2
2ℎ𝑐4𝜋𝜀0 𝑎0
𝑐 = 𝜆𝜈
58. Teorias Atômicas
• John Dalton
• Thomson
• Rutherford
• Bohr
• Arnold Sommerfeld
• Erwin Schrödinger
