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Atomística: modelos atômicos, estrutura do átomo, íons, distribuição eletrônica e alotropia

Modelos atômicos, estrutura do átomo, isótopos, distribuição eletrônica, íons e alotropia.

Linha do tempo dos modelos atômicos: Dalton (1808), esfera maciça; Thomson (1897), pudim de passas; Rutherford (1911), núcleo denso; Bohr (1913), órbitas quantizadas; e o modelo atual, nuvem eletrônica.

Toda substância é formada por átomos, e as propriedades de cada elemento químico dependem da estrutura desses átomos: quantos prótons existem no núcleo e como os elétrons se distribuem ao redor dele. A cor da luz emitida por um sal aquecido, a carga de um íon, a posição de um elemento na tabela periódica e o fato de o sódio metálico reagir violentamente com a água, enquanto o íon sódio do sal de cozinha é estável, decorrem dessa estrutura.

Este artigo reconstrói a história dos modelos atômicos, mostrando que cada um foi substituído quando surgiram evidências que ele não explicava. Em seguida, descreve as partículas do átomo, os números que o identificam e as relações entre átomos, apresenta a distribuição dos elétrons em camadas e subníveis e a formação de íons, e termina na alotropia: o fato de um mesmo elemento poder formar substâncias com propriedades muito diferentes.

1. Modelos atômicos

Um modelo atômico é uma representação que explica os resultados experimentais disponíveis em sua época. Nenhum modelo é uma "fotografia" do átomo: cada proposta respondeu a observações que a anterior não comportava.

1.1 Antecedentes

A ideia de que a matéria é formada por partículas indivisíveis surgiu na Grécia antiga, no século V a.C., com Leucipo e Demócrito; a palavra "átomo" vem do grego e significa "indivisível". Era, porém, uma hipótese filosófica, sem base experimental. Só no início do século XIX o átomo passou a ser um conceito científico apoiado em medidas.

1.2 Modelo de Dalton (esfera maciça, indivisível)

John Dalton, entre 1803 e 1808, propôs uma teoria atômica baseada nas leis das combinações químicas, como a conservação da massa, de Lavoisier:

  1. A matéria é formada por átomos, esferas maciças e indivisíveis.
  2. Átomos de um mesmo elemento são idênticos entre si, em massa e propriedades.
  3. Átomos de elementos diferentes têm massas e propriedades diferentes.
  4. As substâncias compostas resultam da combinação de átomos em proporções fixas de números inteiros.
  5. Nas reações químicas, os átomos se reorganizam, sem ser criados nem destruídos.

O modelo explicou por que a massa se conserva nas reações e por que as substâncias compostas têm composição fixa. Não explicava a natureza elétrica da matéria e foi desmentido em dois pontos: o átomo é divisível, e existem átomos do mesmo elemento com massas diferentes, os isótopos (seção 3).

1.3 Modelo de Thomson (pudim de passas)

Em 1897, J. J. Thomson estudou os raios catódicos, feixes produzidos em tubos de gás rarefeito submetidos a alta tensão, e concluiu que eram formados por partículas com carga negativa, muito mais leves que o átomo mais leve. Essas partículas, presentes em todos os materiais, foram chamadas de elétrons. Se o átomo contém elétrons, ele não é indivisível; e, como a matéria é normalmente neutra, deve conter também carga positiva. Thomson propôs um átomo formado por uma esfera de carga positiva com elétrons incrustados, como passas em um pudim. O modelo explicava a eletrização dos materiais, mas não previa os resultados do experimento de Rutherford.

1.4 Modelo de Rutherford (núcleo denso)

Entre 1909 e 1911, Ernest Rutherford e seus colaboradores Hans Geiger e Ernest Marsden bombardearam uma lâmina muito fina de ouro com partículas alfa, que são positivas e emitidas por materiais radioativos.

ObservaçãoConclusão
A maioria das partículas atravessou a lâmina sem desvioO átomo é formado principalmente por espaço vazio
Algumas partículas sofreram desviosExiste uma região com carga positiva que repele as partículas alfa
Uma fração muito pequena ricocheteou, voltandoEssa região é muito pequena e concentra quase toda a massa do átomo
À esquerda, a montagem do experimento: uma fonte emite partículas alfa contra uma lâmina fina de ouro, cercada por uma tela detectora. A maioria das partículas atravessa sem desvio, algumas são desviadas e uma rara volta. À direita, a interpretação: átomos com núcleos minúsculos; uma partícula passa longe dos núcleos e não se desvia, outra passa perto e é desviada, outra atinge um núcleo quase de frente e volta.
Figura 1. Experimento de espalhamento de partículas alfa (Geiger, Marsden e Rutherford, 1909–1911), esquemático. As trajetórias sem desvio indicam que o átomo é principalmente vazio; os desvios e os raros ricochetes indicam um núcleo pequeno, positivo e muito denso. Na escala real, o núcleo seria invisível no desenho.

Pelo modelo de Thomson, a carga positiva estaria espalhada pelo átomo, e nenhuma partícula deveria voltar. Rutherford propôs, em 1911, o modelo nuclear: no centro, um núcleo pequeno, positivo e muito denso; ao redor, uma eletrosfera, onde os elétrons giram, como planetas em torno do Sol. O diâmetro do núcleo é da ordem de 10 mil a 100 mil vezes menor que o do átomo: se o átomo tivesse o tamanho de um estádio de futebol, o núcleo seria como uma bolinha de gude no centro do gramado. O próton foi identificado pelo próprio Rutherford, por volta de 1919, e o nêutron, sem carga, por James Chadwick, em 1932.

1.5 Modelo de Bohr (órbitas quantizadas)

Em 1913, Niels Bohr propôs três postulados: o elétron só pode ocupar determinadas órbitas, cada uma com energia definida, os níveis de energia, e as energias intermediárias não são permitidas, isto é, a energia é quantizada; enquanto permanece em um nível, o elétron não emite energia; e o elétron só muda de nível absorvendo ou emitindo energia exatamente igual à diferença entre os dois níveis.

Níveis de energia do hidrogênio em escala: n = 1 a −13,6 eV, n = 2 a −3,40 eV, n = 3 a −1,51 eV, n = 4 a −0,85 eV e o elétron livre a 0 eV. Uma seta para cima indica absorção do nível 1 ao 3, outra, tracejada, a ionização. Setas para baixo indicam emissões: de 3 para 2, luz vermelha; de 2 para 1 e de 3 para 1, ultravioleta.
Figura 2. Níveis de energia do hidrogênio em escala, calculados por Eₙ = −13,6/n² eV. Setas para cima indicam absorção; para baixo, emissão. Um elétron levado ao nível 3 pode voltar direto ao nível 1 ou passar pelo nível 2; somente a transição de 3 para 2 produz luz visível.

Espectros de linhas. Um sólido muito aquecido, como o filamento de uma lâmpada incandescente, emite um espectro contínuo, com todas as cores. Um gás de átomos excitados emite apenas cores específicas, que aparecem como linhas separadas quando a luz passa por um prisma, e cada elemento tem um conjunto próprio de linhas, como uma "impressão digital". O modelo de Bohr explicou essas linhas no caso do hidrogênio.

Teste de chama. Sais de alguns metais, aquecidos em uma chama, emitem cores características:

ElementoCor da chama
LítioVermelho-carmim
SódioAmarelo intenso
PotássioVioleta
CálcioVermelho-alaranjado
EstrôncioVermelho
BárioVerde-amarelado
CobreVerde-azulado

Esse princípio explica as cores dos fogos de artifício e das lâmpadas de vapor de sódio, de luz amarelada. Pela análise das linhas espectrais da luz das estrelas, os astrônomos identificam os elementos que as compõem.

1.6 Modelo atual (nuvem eletrônica, noção)

A partir da década de 1920, a mecânica quântica, com os trabalhos de Louis de Broglie, Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger, mostrou que o elétron não percorre uma trajetória definida. Não é possível conhecer ao mesmo tempo, com precisão, sua posição e sua velocidade; o que se pode calcular é a probabilidade de encontrá-lo em cada região ao redor do núcleo. As regiões de maior probabilidade são os orbitais, e o conjunto delas forma a nuvem eletrônica. Os níveis de energia de Bohr permanecem no modelo atual, subdivididos em subníveis (seção 4).

Linha do tempo com cinco modelos atômicos: Dalton, esfera maciça; Thomson, esfera positiva com elétrons incrustados; Rutherford, núcleo pequeno com elétrons em órbitas; Bohr, órbitas circulares em níveis de energia; modelo atual, nuvem eletrônica em torno do núcleo. Sob cada um, a evidência que motivou a mudança.
Figura 3. Sequência dos modelos atômicos, esquemática. Cada modelo explicou as evidências de sua época e foi ampliado quando surgiram observações que ele não comportava: os modelos não foram simplesmente "errados", mas superados por explicações mais abrangentes.

2. Estrutura do átomo

2.1 Prótons, nêutrons e elétrons

PartículaLocalizaçãoCarga relativaMassa relativa
PrótonNúcleo+11
NêutronNúcleo01 (aproximadamente)
ElétronEletrosfera−11/1.836

As cargas do próton e do elétron têm o mesmo módulo, 1,6 × 10⁻¹⁹ C, e sinais opostos. O núcleo concentra mais de 99,9% da massa do átomo e ocupa uma fração mínima do volume. Os prótons se repelem eletricamente, mas o núcleo permanece coeso pela força nuclear forte, que atua entre prótons e nêutrons a distâncias muito curtas. Um átomo tem diâmetro da ordem de 10⁻¹⁰ m (0,1 nm); um núcleo, da ordem de 10⁻¹⁴ a 10⁻¹⁵ m.

2.2 Número atômico e número de massa

Na notação usual, o número de massa fica à esquerda e acima do símbolo, e o número atômico, à esquerda e abaixo: ²³₁₁Na é o átomo de sódio com 11 prótons, 23 − 11 = 12 nêutrons e, se neutro, 11 elétrons.

2.3 Elemento químico

Um elemento químico é o conjunto de todos os átomos com o mesmo número atômico: todo átomo com 6 prótons é carbono, com 8 é oxigênio, com 26 é ferro. Se o número de prótons muda, o elemento muda, o que não ocorre nas reações químicas, que envolvem apenas os elétrons, mas ocorre nas reações nucleares, como as das estrelas e dos reatores. Hoje são conhecidos 118 elementos, organizados na tabela periódica em ordem crescente de número atômico, com nomes e símbolos padronizados pela IUPAC.

3. Isótopos, isóbaros e isótonos

3.1 Isótopos

Isótopos são átomos com o mesmo número atômico (Z) e números de massa diferentes (A): pertencem ao mesmo elemento e diferem no número de nêutrons.

ElementoIsótoposObservação
Hidrogênio¹H (prótio), ²H (deutério), ³H (trítio)Únicos isótopos com nomes próprios; o prótio não tem nêutron
Carbono¹²C, ¹³C, ¹⁴CO ¹⁴C é radioativo e usado na datação de restos orgânicos
Urânio²³⁵U, ²³⁸UO ²³⁵U é o isótopo físsil usado em reatores nucleares
Cloro³⁵Cl, ³⁷ClOcorrem na natureza em proporção aproximada de 3 para 1

Os isótopos de um mesmo elemento têm propriedades químicas praticamente iguais, porque têm o mesmo número de elétrons, e diferem em propriedades que dependem da massa e na estabilidade do núcleo. Alguns são radioativos: seus núcleos se desintegram espontaneamente e emitem radiação.

3.2 Isóbaros

Isóbaros são átomos de elementos diferentes (Z diferentes) com o mesmo número de massa (A), como ⁴⁰₁₉K e ⁴⁰₂₀Ca, e ¹⁴₆C e ¹⁴₇N.

3.3 Isótonos

Isótonos são átomos de elementos diferentes com o mesmo número de nêutrons (N), como ³⁷₁₇Cl (N = 20) e ⁴⁰₂₀Ca (N = 20), e ¹³₆C (N = 7) e ¹⁴₇N (N = 7).

RelaçãoIgualDiferenteMesmo elemento?
IsótoposZ (prótons)A e NSim
IsóbarosA (massa)Z e NNão
IsótonosN (nêutrons)Z e ANão

3.4 Massa atômica média

A massa dos átomos é medida em unidades de massa atômica (u): por definição, 1 u é 1/12 da massa de um átomo de carbono-12, e prótons e nêutrons têm massa próxima de 1 u. Como a maioria dos elementos é uma mistura de isótopos, a massa atômica da tabela periódica é a média ponderada das massas dos isótopos, de acordo com sua abundância na natureza.

4. Distribuição eletrônica

4.1 Camadas eletrônicas

Na eletrosfera, os elétrons se organizam em níveis de energia, ou camadas. Os elementos conhecidos ocupam no máximo sete camadas, identificadas por números (1 a 7) ou letras (K a Q).

CamadaKLMNOPQ
Nível (n)1234567
Máximo de elétrons nos elementos conhecidos28183232188

Quanto mais afastada do núcleo, maior a energia da camada. A camada de maior número que contém elétrons é a camada de valência, cujos elétrons participam das ligações químicas.

4.2 Subníveis

Cada camada se divide em subníveis, identificados pelas letras s, p, d e f:

Subnívelspdf
Máximo de elétrons261014
Número de orbitais1357

Cada orbital comporta até dois elétrons, com spins opostos: é o princípio da exclusão de Pauli. Em orbitais de mesma energia, os elétrons ocupam primeiro os orbitais vazios, antes de formar pares: é a regra de Hund.

CamadaSubníveis presentesTotal
K (n = 1)1s2
L (n = 2)2s, 2p2 + 6 = 8
M (n = 3)3s, 3p, 3d2 + 6 + 10 = 18
N (n = 4)4s, 4p, 4d, 4f2 + 6 + 10 + 14 = 32

4.3 Diagrama de Linus Pauling

Os subníveis não são preenchidos na ordem das camadas: o 4s, por exemplo, tem energia menor que o 3d e é preenchido antes dele. A ordem crescente de energia é dada pelo diagrama de Pauling, lido pelas diagonais.

Diagrama de Linus Pauling com os subníveis de cada camada, de K (1s) a Q (7s, 7p). Oito setas diagonais, numeradas, dão a ordem de preenchimento: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.
Figura 4. Diagrama de Linus Pauling. Percorrendo as setas na ordem numerada, cada uma no sentido indicado, obtém-se a sequência de preenchimento dos subníveis. O cabeçalho indica a capacidade máxima de elétrons de cada tipo de subnível.

4.4 Como fazer a distribuição

  1. Determinar o número de elétrons; no átomo neutro, é igual a Z.
  2. Preencher os subníveis na ordem do diagrama, respeitando a capacidade de cada um, até esgotar os elétrons.
  3. Para obter a distribuição por camadas, somar os elétrons de cada camada.

4.5 Distribuição eletrônica de íons

Nos cátions, os elétrons são retirados da camada mais externa, e não do último subnível preenchido. Nos ânions, os elétrons são acrescentados ao último subnível incompleto.

5. Íons

5.1 Cátions e ânions

Íons são espécies com carga elétrica, formadas quando um átomo perde ou ganha elétrons. O núcleo não muda: o número de prótons, e portanto o elemento, continua o mesmo. Os cátions são íons positivos, formados pela perda de elétrons, como Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ e Ca²⁺. Os ânions são íons negativos, formados pelo ganho de elétrons, como Cl⁻, O²⁻, S²⁻ e F⁻.

5.2 Relação entre íons e propriedades químicas

Os metais têm, em geral, poucos elétrons na camada de valência, de 1 a 3, e tendem a perdê-los, formando cátions. Os não metais têm, em geral, muitos elétrons na camada de valência, de 5 a 7, e tendem a ganhar elétrons, formando ânions. Em muitos casos, o íon formado fica com a distribuição de um gás nobre, com 8 elétrons na camada de valência, ou 2, no caso do hélio; essa tendência, a regra do octeto, será aprofundada no estudo das ligações químicas.

Íons têm propriedades diferentes dos átomos neutros. O sódio metálico é um metal macio que reage violentamente com a água; o íon sódio, presente no sal de cozinha e no sangue, é estável e essencial à vida. O gás cloro (Cl₂) é tóxico; o íon cloreto, do sal de cozinha, é inofensivo nas quantidades da dieta.

Tamanho dos íons. Um cátion é menor que o átomo que o originou: com menos elétrons, a repulsão entre eles diminui, e em muitos casos a camada externa inteira é perdida. Um ânion é maior que o átomo: o elétron extra aumenta a repulsão, e a eletrosfera se expande.

6. Alotropia

6.1 Conceito

Alotropia é o fenômeno em que um mesmo elemento químico forma substâncias simples diferentes, os alótropos. Eles podem diferir na atomicidade, o número de átomos por molécula, como O₂ e O₃, ou na estrutura cristalina, a forma como os átomos se organizam no espaço, como o diamante e o grafite.

6.2 Exemplos

ElementoAlótroposDiferença estrutural
CarbonoDiamante e grafite (também fulerenos e grafeno)Arranjo dos átomos
OxigênioGás oxigênio (O₂) e ozônio (O₃)Atomicidade
FósforoFósforo branco (P₄) e fósforo vermelhoMoléculas isoladas × estrutura em cadeia
EnxofreRômbico e monoclínicoArranjo cristalino das moléculas S₈

6.3 Relação com propriedades físicas diferentes

PropriedadeDiamanteGrafite
EstruturaCada carbono ligado a outros 4, em rede tridimensional rígidaCada carbono ligado a outros 3, em camadas hexagonais que deslizam umas sobre as outras
DurezaO material natural mais duro (10 em Mohs)Macio; deixa marca no papel
Condutividade elétricaIsolanteCondutor
AspectoTransparente, brilhanteCinza-escuro, opaco
UsosJoias, ferramentas de corte e perfuraçãoLápis, lubrificantes, eletrodos
Dois esquemas. O diamante é uma rede tridimensional em que cada carbono se liga a quatro vizinhos. O grafite é formado por camadas de hexágonos de carbono, em que cada átomo se liga a três vizinhos, com atração fraca entre as camadas.
Figura 5. Estruturas do diamante e do grafite, esquemáticas. Os dois são formados apenas por carbono, mas a organização dos átomos é diferente: no diamante, a rede rígida explica a dureza; no grafite, as camadas que deslizam e os elétrons livres ao longo delas explicam a maciez e a condução elétrica.

O grafite conduz eletricidade porque cada carbono usa apenas três de seus quatro elétrons de valência nas ligações da camada, e o quarto elétron tem liberdade de movimento ao longo dela. No diamante, os quatro elétrons estão presos em ligações. Outros alótropos do carbono foram descobertos mais recentemente: os fulerenos, moléculas em forma de bola, como o C₆₀, identificado em 1985, descoberta que rendeu o Prêmio Nobel de Química de 1996; e o grafeno, uma única camada de grafite com um átomo de espessura, isolado em 2004, que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2010.

PropriedadeO₂O₃
AspectoGás incolor e inodoroGás levemente azulado, de odor característico
ReatividadeMenos reativoOxidante muito forte
PapelEssencial à respiraçãoNa alta atmosfera, forma a camada de ozônio, que absorve radiação ultravioleta; perto do solo, é um poluente irritante
PropriedadeFósforo brancoFósforo vermelho
EstruturaMoléculas P₄ isoladasCadeias de átomos ligados
ReatividadeMuito reativo; pode se inflamar espontaneamente ao ar em temperatura pouco acima da ambienteMais estável
ToxicidadeMuito tóxicoBem menos tóxico
Armazenamento e usoGuardado sob águaUsado na lixa das caixas de fósforos de segurança

O enxofre rômbico e o monoclínico são formados por moléculas S₈ organizadas em cristais diferentes: o rômbico é a forma estável à temperatura ambiente, e o monoclínico se forma acima de cerca de 96 °C.

7. Exemplos resolvidos

8. Erros conceituais frequentes

ErroPor que está erradoForma correta
Os modelos antigos estavam "errados"Explicavam os dados de sua épocaForam ampliados por novas evidências
O elétron gira em órbita definida, como um planetaO modelo atual não atribui trajetória ao elétronOrbital é região de maior probabilidade
O átomo é maciçoO experimento de Rutherford mostrou o contrárioÉ formado principalmente por espaço vazio
O número de massa é a massa do átomoA conta partículasA massa é medida em u e não é exatamente A
Isótopos são elementos diferentesTêm o mesmo ZSão o mesmo elemento
Todos os isótopos são radioativos¹²C e ¹³C são estáveisDepende da estabilidade do núcleo
Na formação de íons, o número de prótons mudaSó os elétrons mudamO elemento é o mesmo
Cátion ganha elétronsCarga positiva indica falta de elétronsCátion perde; ânion ganha
O cátion perde elétrons do último subnível preenchidoPerde da camada mais externaFe²⁺: retiram-se os elétrons do 4s
A camada de valência é a do subnível mais energéticoNem sempreÉ a camada de maior número
O 3d é preenchido antes do 4sO 4s tem energia menorSeguir o diagrama de Pauling
Alotropia e isotopia são o mesmo fenômenoUma muda a estrutura; a outra, os nêutronsO₂/O₃ × ¹⁶O/¹⁸O
Diamante e grafite são substâncias compostasSão formados só por carbonoSão substâncias simples

9. Distinções importantes

Órbita e orbital. Órbita, no modelo de Bohr, é uma trajetória circular definida; orbital, no modelo atual, é uma região do espaço onde a probabilidade de encontrar o elétron é alta.

Número atômico e número de massa. Z conta prótons e identifica o elemento; A soma prótons e nêutrons.

Elemento químico e substância simples. O elemento é o tipo de átomo, definido por Z; a substância simples é o material formado por esse elemento, como O₂ ou O₃.

Número de massa e massa atômica. O número de massa é inteiro e se refere a um isótopo; a massa atômica da tabela é uma média ponderada dos isótopos.

Isótopos, isóbaros e isótonos. Os isótopos têm o mesmo Z, os isóbaros o mesmo A, e os isótonos o mesmo N.

Camada e subnível. A camada é o nível de energia principal (K, L, M…); o subnível é sua subdivisão (s, p, d, f).

Ordem energética e ordem geométrica. A energética segue o diagrama de Pauling (4s antes de 3d); a geométrica agrupa os subníveis por camada (3d antes de 4s).

Cátion e ânion. O cátion é positivo e perdeu elétrons; o ânion é negativo e ganhou elétrons.

Estado fundamental e excitado. No fundamental, os elétrons ocupam os níveis de menor energia possível; no excitado, pelo menos um elétron está em nível mais alto, depois de absorver energia.

Espectro contínuo e espectro de linhas. O contínuo tem todas as cores e é emitido por sólidos e líquidos muito aquecidos; o de linhas tem apenas cores específicas e é emitido por gases de átomos excitados.

Isótopos e alótropos. Os isótopos são átomos do mesmo elemento com números de nêutrons diferentes; os alótropos são substâncias simples diferentes formadas pelo mesmo elemento.

10. Perguntas frequentes

Se o átomo é quase todo vazio, por que não atravessamos as paredes?

Porque a eletrosfera dos átomos da mão e a dos átomos da parede se repelem eletricamente. O "vazio" do átomo não é um espaço livre para outras partículas passarem: é ocupado pelos elétrons e por suas interações.

O que são números quânticos?

São quatro números que identificam cada elétron de um átomo: o principal (n) indica o nível; o secundário (ℓ), o subnível (0 para s, 1 para p, 2 para d, 3 para f); o magnético (m), o orbital; e o de spin (s), o sentido do spin, +½ ou −½. Pelo princípio de Pauli, dois elétrons do mesmo átomo não têm os quatro números iguais.

Qual é a relação entre a distribuição eletrônica e a tabela periódica?

O período de um elemento corresponde ao número de camadas ocupadas. Nos elementos representativos, o grupo se relaciona com o número de elétrons na camada de valência, e os blocos s, p, d e f da tabela correspondem ao subnível que recebe o último elétron na distribuição.

O elétron pode ter energia intermediária entre dois níveis?

Não, enquanto estiver ligado ao átomo: um fóton cuja energia não corresponde a nenhuma diferença entre níveis não provoca transição. Acima da energia de ionização, porém, qualquer valor remove o elétron, e o excedente se converte em energia cinética. No hidrogênio, a energia de ionização a partir do estado fundamental é 13,6 eV.

Como o carbono-14 é usado para datar fósseis?

Os seres vivos incorporam carbono da atmosfera, inclusive uma pequena proporção de ¹⁴C, radioativo. Depois da morte, a incorporação cessa, e o ¹⁴C se desintegra lentamente: sua quantidade cai à metade a cada cerca de 5.730 anos, a meia-vida. Medindo quanto ¹⁴C resta, estima-se há quanto tempo o organismo morreu, o que se aplica a restos de até algumas dezenas de milhares de anos.

O diamante pode se transformar em grafite?

Nas condições ambientes, o grafite é a forma mais estável do carbono, mas a transformação do diamante em grafite é tão lenta que não ocorre em escala perceptível. Na direção inversa, a produção de diamantes sintéticos exige pressões e temperaturas muito altas.

Por que a água oxigenada e o ozônio são "oxigênio", mas diferentes do O₂?

O ozônio (O₃) é um alótropo do oxigênio, formado só por esse elemento. A água oxigenada (H₂O₂) não é alótropo: é uma substância composta, com hidrogênio e oxigênio.

Os elétrons têm massa?

Sim, mas muito pequena: cerca de 1/1.836 da massa do próton. Por isso, a massa de um íon é praticamente igual à do átomo que o originou.

12. Síntese

Os modelos atômicos foram construídos por evidências sucessivas. Dalton explicou as leis das combinações químicas com átomos maciços e indivisíveis; Thomson descobriu o elétron e propôs uma esfera positiva com elétrons incrustados; Rutherford, com o espalhamento de partículas alfa, mostrou um núcleo pequeno, denso e positivo, cercado por espaço quase vazio; Bohr introduziu níveis de energia quantizados, explicando os espectros de linhas e os testes de chama; e o modelo atual substitui as órbitas por orbitais, regiões de maior probabilidade de encontrar o elétron.

O átomo tem prótons e nêutrons no núcleo e elétrons na eletrosfera. O número atômico identifica o elemento, e o número de massa é A = Z + N. Isótopos têm o mesmo Z, isóbaros o mesmo A, e isótonos o mesmo N, e a massa atômica da tabela é a média ponderada dos isótopos.

Os elétrons se distribuem em camadas (K a Q) e subníveis (s, p, d, f), na ordem do diagrama de Pauling. A camada de valência é a mais externa. Nos cátions, os elétrons saem da camada mais externa; nos ânions, entram no último subnível incompleto. Os metais tendem a formar cátions, e os não metais, ânions, e os íons têm propriedades diferentes dos átomos neutros.

Na alotropia, um mesmo elemento forma substâncias simples diferentes, com propriedades físicas distintas, porque os átomos estão organizados de outra forma: diamante e grafite, O₂ e O₃, fósforo branco e vermelho, e enxofre rômbico e monoclínico.

13. Glossário

TermoSignificado
AlotropiaFormação de substâncias simples diferentes por um mesmo elemento
ÂnionÍon negativo, formado por ganho de elétrons
Camada de valênciaCamada mais externa que contém elétrons
CátionÍon positivo, formado por perda de elétrons
Elemento químicoConjunto de átomos com o mesmo número atômico
EletrosferaRegião ao redor do núcleo onde estão os elétrons
Espectro de linhasConjunto de cores específicas emitidas por átomos excitados
Estado excitadoSituação em que um elétron ocupa um nível acima do fundamental
FótonPartícula de luz, emitida ou absorvida nas transições eletrônicas
ÍonEspécie química com carga elétrica
IsóbarosÁtomos de elementos diferentes com o mesmo número de massa
IsoeletrônicosEspécies com o mesmo número de elétrons
IsótonosÁtomos de elementos diferentes com o mesmo número de nêutrons
IsótoposÁtomos do mesmo elemento com números de massa diferentes
Número atômico (Z)Quantidade de prótons no núcleo
Número de massa (A)Soma de prótons e nêutrons
OrbitalRegião de maior probabilidade de encontrar um elétron
SubnívelSubdivisão de uma camada: s, p, d ou f
Unidade de massa atômica (u)1/12 da massa do átomo de carbono-12

11. Exercícios de fixação

Questões em ordem crescente de integração. Responda antes de abrir a resposta.

Exercício 1

Autoral

Que observação do experimento de Rutherford levou à conclusão de que o átomo é principalmente vazio?

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Resposta

O fato de a maioria das partículas alfa ter atravessado a lâmina de ouro sem desvio.

Exercício 2

Autoral

Por que o modelo de Thomson não explicava o ricochete de algumas partículas alfa?

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Resposta

Porque nele a carga positiva estava espalhada pelo átomo, e não concentrada. Uma carga difusa não produziria repulsão suficiente para fazer uma partícula alfa voltar.

Exercício 3

Autoral

Por que um gás de átomos excitados emite um espectro de linhas, e não contínuo?

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Resposta

Porque os elétrons só podem ocupar níveis de energia definidos, e as emissões correspondem apenas às diferenças entre esses níveis, cada uma com uma cor específica.

Exercício 4

Autoral

Quantos prótons, nêutrons e elétrons tem o átomo neutro de potássio-39 (Z = 19)?

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Resposta

19 prótons, 20 nêutrons e 19 elétrons.

Exercício 5

Autoral

Um íon X²⁺ tem 18 elétrons. Qual é o número atômico de X?

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Resposta

Perdeu 2 elétrons, então Z = 18 + 2 = 20 (cálcio).

Exercício 6

Autoral

O carbono-12 e o carbono-14 são isótopos, isóbaros ou isótonos?

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Resposta

Isótopos: os dois têm 6 prótons e diferem no número de nêutrons, 6 e 8.

Exercício 7

Autoral

Classifique: ⁴⁰K e ⁴⁰Ca; ³⁷Cl e ⁴⁰Ca.

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Resposta

Isóbaros (A = 40) e isótonos (N = 20), respectivamente.

Exercício 8

Autoral

O boro natural tem cerca de 20% de ¹⁰B e 80% de ¹¹B. Qual é a massa atômica média?

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Resposta

(10 · 20 + 11 · 80)/100 = 10,8 u.

Exercício 9

Autoral

Escreva a distribuição eletrônica do enxofre (Z = 16) e indique quantos elétrons há na camada de valência.

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Resposta

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. A camada de valência é a M, com 6 elétrons.

Exercício 10

Autoral

Distribua os elétrons do cálcio (Z = 20) por camadas.

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Resposta

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²: K = 2, L = 8, M = 8, N = 2.

Exercício 11

Autoral

Qual é o subnível mais energético e a camada de valência do ferro (Z = 26)?

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Resposta

Subnível mais energético: 3d⁶. Camada de valência: N (4s²), com 2 elétrons.

Exercício 12

Autoral

Escreva a distribuição eletrônica do íon Fe³⁺.

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Resposta

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵: saem primeiro os 2 elétrons do 4s e depois 1 do 3d.

Exercício 13

Autoral

Que espécies desta lista são isoeletrônicas: Na⁺, F⁻, Ne, Mg²⁺ e Cl⁻?

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Resposta

Na⁺, F⁻, Ne e Mg²⁺, todas com 10 elétrons. O Cl⁻ tem 18.

Exercício 14

Autoral

Na formação do íon Na⁺ a partir do átomo de sódio, o que muda e o que não muda?

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Resposta

Muda o número de elétrons, de 11 para 10, e a carga. Não mudam os prótons, os nêutrons e, portanto, o elemento.

Exercício 15

Autoral

Por que o cátion Na⁺ é menor que o átomo de sódio?

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Resposta

Ao perder o elétron da camada M, o íon fica com uma camada a menos, e os elétrons restantes são mais atraídos pelo núcleo.

Exercício 16

Autoral

Um elemento tem Z = 17. Que íon ele tende a formar?

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Resposta

Distribuição 2, 8, 7: tende a ganhar 1 elétron e formar o ânion Cl⁻, com 8 elétrons na camada de valência.

Exercício 17

Autoral

O₂ e O₃ são isótopos ou alótropos? E ¹⁶O e ¹⁸O?

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Resposta

O₂ e O₃ são alótropos, substâncias simples diferentes. ¹⁶O e ¹⁸O são isótopos, átomos do mesmo elemento com números de nêutrons diferentes.

Exercício 18

Autoral

Por que o grafite conduz eletricidade e o diamante não, se os dois são formados só por carbono?

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Resposta

No grafite, cada carbono se liga a três outros, e sobra um elétron com liberdade de movimento na camada. No diamante, os quatro elétrons de valência estão presos em ligações.

Exercício 19

Autoral

Por que o fósforo branco é guardado sob água?

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Resposta

Porque é muito reativo e pode se inflamar espontaneamente em contato com o ar, e a água o isola do oxigênio.

Exercício 20

Autoral

O átomo X tem Z = 17 e A = 35. O átomo Y é isótopo de X e isótono do ⁴⁰Ca (Z = 20). Qual é o número de massa de Y?

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Resposta

Isótopo de X: Z = 17. Isótono do ⁴⁰Ca: N = 20. Então A = 17 + 20 = 37, e Y é o ³⁷Cl.

Referências

  1. Dalton, J. A New System of Chemical Philosophy. Manchester, 1808.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  2. Thomson, J. J. "Cathode Rays". Philosophical Magazine, v. 44, p. 293–316, 1897.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  3. Geiger, H.; Marsden, E. "On a diffuse reflection of the α-particles". Proceedings of the Royal Society A, v. 82, p. 495–500, 1909.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  4. Rutherford, E. "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom". Philosophical Magazine, v. 21, p. 669–688, 1911.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  5. Bohr, N. "On the constitution of atoms and molecules". Philosophical Magazine, v. 26, p. 1–25, 1913.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  6. Chadwick, J. "Possible existence of a neutron". Nature, v. 129, p. 312, 1932.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  7. IUPAC. Tabela periódica dos elementos e pesos atômicos padrão. Publicações oficiais em iupac.org.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  8. Fundação Nobel. Prêmio Nobel de Química de 1996 (fulerenos) e Prêmio Nobel de Física de 2010 (grafeno).

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  9. Atkins, P.; Jones, L. Princípios de Química. Porto Alegre: Bookman. A edição deve ser confirmada.

    Referência bibliográfica indicada no material fornecido.

  10. Figuras da Biblioteca ASSAAD

    Ilustrações e diagramas integrantes do material fornecido.