O modelo quântico e as partículas subatômicas
Se você pudesse fotografar um elétron enquanto ele se move ao redor do núcleo, ele nunca apareceria duas vezes no mesmo lugar. Não é que a câmera seja ruim: o elétron não segue uma órbita como um planeta, embora o modelo de Bohr o desenhasse assim. O modelo quântico troca a ideia de "órbita" por outra, mais estranha e muito mais precisa, e traz a linguagem de níveis, subníveis e configuração eletrônica que você usará para qualquer átomo.
Da "órbita" de Bohr à "nuvem" quântica
Quando os cientistas mediram com muita precisão os espectros de átomos com vários elétrons, encontraram detalhes que as órbitas circulares de Bohr não explicavam. Então, como os elétrons se distribuem de fato ao redor do núcleo?
Dentro de cada nível há subníveis, chamados s, p, d e f. Cada subnível tem orbitais com forma própria e uma capacidade máxima de elétrons.
Além de $n$, o modelo quântico usa outros números quânticos. O número quântico secundário $\ell$ identifica o subnível (s, p, d, f). O número quântico magnético $m_\ell$ identifica o orbital dentro do subnível. O número quântico de spin $m_s$ descreve o "giro" do elétron e só tem dois valores, o que explica por que cada orbital comporta no máximo 2 elétrons.
O número quântico principal $n$ identifica os níveis de energia do átomo. a) Que valores $n$ pode assumir? b) O que acontece com a energia do nível e com o tamanho médio…
O número quântico principal $n$ identifica os níveis de energia do átomo.
- a) Que valores $n$ pode assumir?
- b) O que acontece com a energia do nível e com o tamanho médio da nuvem eletrônica quando $n$ aumenta?
As partículas subatômicas
Um próton ou um nêutron pesa cerca de 2000 vezes mais que um elétron. Por isso quase toda a massa do átomo está no núcleo, embora o núcleo ocupe uma parte minúscula do volume.
Indique a carga elétrica (positiva, negativa ou nula) e a localização no átomo (núcleo ou nuvem eletrônica) do próton, do nêutron e do elétron. Quais das três partículas…
Indique a carga elétrica (positiva, negativa ou nula) e a localização no átomo (núcleo ou nuvem eletrônica) do próton, do nêutron e do elétron. Quais das três partículas têm massa praticamente igual? Qual é cerca de $2000$ vezes mais leve do que as outras duas?
Número atômico, número de massa e isótopos
Massa atômica: uma média ponderada
Quase todos os elementos são misturas de isótopos. A massa atômica da tabela periódica, em u (unidade de massa atômica), é a média ponderada das massas dos isótopos, usando as abundâncias.
As usinas nucleares utilizam como combustível o urânio-235, enquanto o urânio mais abundante na natureza é o urânio-238; ambos têm número atômico $Z = 92$. A figura…
As usinas nucleares utilizam como combustível o urânio-235, enquanto o urânio mais abundante na natureza é o urânio-238; ambos têm número atômico $Z = 92$. A figura representa os dois núcleos.
- a) Explique o que são isótopos de um elemento.
- b) Calcule quantos nêutrons há no núcleo de cada um destes dois isótopos do urânio.
O iodo é um oligoelemento essencial que se adiciona ao sal de cozinha; o seu isótopo mais comum possui $Z = 53$ e $A = 127$. a) Calcule o número de prótons, nêutrons e…
O iodo é um oligoelemento essencial que se adiciona ao sal de cozinha; o seu isótopo mais comum possui $Z = 53$ e $A = 127$.
- a) Calcule o número de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo neutro de iodo.
- b) Escreva o seu símbolo na notação ${}^{A}_{Z}\text{X}$.
O cloro natural é uma mistura de dois isótopos: $75\ \%$ de cloro-35 e $25\ \%$ de cloro-37. a) Calcule a massa atômica média do cloro como média ponderada das massas…
O cloro natural é uma mistura de dois isótopos: $75\ \%$ de cloro-35 e $25\ \%$ de cloro-37.
- a) Calcule a massa atômica média do cloro como média ponderada das massas dos seus isótopos.
- b) A tabela periódica indica para o cloro uma massa de $35,5\ \text{u}$: explique por que esse valor não é um número inteiro se cada átomo de cloro tem um número inteiro de partículas no seu núcleo.
A massa atômica média do boro é $10,8\ \text{u}$ e seus dois isótopos naturais são o boro-10 e o boro-11. a) Designe por $x$ a fração de boro-10 e escreva a equação que…
A massa atômica média do boro é $10,8\ \text{u}$ e seus dois isótopos naturais são o boro-10 e o boro-11.
- a) Designe por $x$ a fração de boro-10 e escreva a equação que a média ponderada cumpre: $10\cdot x + 11\cdot(1 - x) = 10,8$.
- b) Resolva-a e expresse as abundâncias de cada isótopo em porcentagem.
- c) Verifique o resultado calculando novamente a massa média com essas abundâncias.
O magnésio natural tem três isótopos: magnésio-24 ($78,7\ \%$), magnésio-25 ($10,1\ \%$) e magnésio-26 ($11,2\ \%$). a) Calcule a massa atômica média do magnésio como…
O magnésio natural tem três isótopos: magnésio-24 ($78,7\ \%$), magnésio-25 ($10,1\ \%$) e magnésio-26 ($11,2\ \%$).
- a) Calcule a massa atômica média do magnésio como média ponderada.
- b) Explique por que o resultado está muito mais próximo de $24$ do que de $26$.
- c) A massa média de um elemento poderia coincidir exatamente com um número inteiro? Justifique em que caso isso ocorreria.
O cobre dos cabos elétricos é uma mistura de dois isótopos, cobre-63 e cobre-65, com massa média $63,5\ \text{u}$. a) Sem fazer cálculos, justifique qual dos dois…
O cobre dos cabos elétricos é uma mistura de dois isótopos, cobre-63 e cobre-65, com massa média $63,5\ \text{u}$.
- a) Sem fazer cálculos, justifique qual dos dois isótopos é mais abundante.
- b) Escreva a equação da média ponderada e calcule as abundâncias percentuais de ambos os isótopos.
- c) Em medicina nuclear, utiliza-se às vezes o cobre-64, produzido artificialmente. Ele continua sendo cobre? Explique o que determina que um átomo seja de cobre e não de outro elemento.
Íons
Se você dissolver uma colher de sal de cozinha em água pura, o líquido passa a conduzir corrente elétrica, o que nem a água pura nem o açúcar conseguem. Que partículas com carga aparecem quando os cristais neutros de sal se desfazem?
O esmalte dentário contém cálcio e muitas pastas de dente contêm flúor. a) O átomo de cálcio ($Z = 20$) forma o íon $\text{Ca}^{2+}$: quantos elétrons tem esse íon? b) O…
O esmalte dentário contém cálcio e muitas pastas de dente contêm flúor.
- a) O átomo de cálcio ($Z = 20$) forma o íon $\text{Ca}^{2+}$: quantos elétrons tem esse íon?
- b) O átomo de flúor ($Z = 9$) forma o íon $\text{F}^{-}$: quantos elétrons tem esse íon?
- c) Explique, considerando as respectivas configurações eletrônicas, por que os átomos tendem a ganhar ou a perder elétrons até completarem o seu último nível.
Em radioterapia contra o câncer utiliza-se o cobalto-60, uma fonte radioativa com $Z = 27$. a) Escreva o símbolo do cobalto-60 com a notação ${}^{A}{Z}\text{X}$. b)…
Em radioterapia contra o câncer utiliza-se o cobalto-60, uma fonte radioativa com $Z = 27$.
- a) Escreva o símbolo do cobalto-60 com a notação ${}^{A}_{Z}\text{X}$.
- b) Calcule o número de prótons, nêutrons e elétrons, considerando o átomo neutro.
- c) Que diferença existe entre o cobalto-60 e o cobalto-59, o isótopo estável do mesmo elemento?
Calcule os prótons, nêutrons e elétrons de cada uma destas espécies e responda depois: a) ${}^{40}{20}\text{Ca}^{2+}$ b) ${}^{37}{17}\text{Cl}^{-}$ c)…
Calcule os prótons, nêutrons e elétrons de cada uma destas espécies e responda depois:
- a) ${}^{40}_{20}\text{Ca}^{2+}$
- b) ${}^{37}_{17}\text{Cl}^{-}$
- c) ${}^{35}_{17}\text{Cl}$
- d) Quais delas são isótopos entre si? Por quê?
- e) Quais têm o mesmo número de elétrons?
Configuração eletrônica
O hélio ($Z=2$), o neônio ($Z=10$) e o argônio ($Z=18$) são gases muito estáveis, que quase não reagem. Já o lítio ($Z=3$) e o sódio ($Z=11$) reagem violentamente com a água. Por que átomos com números de elétrons diferentes repetem, periodicamente, as mesmas propriedades?
Os elétrons ocupam os subníveis de menor energia primeiro. A ordem é dada pelo diagrama de Linus Pauling: seguem-se as diagonais e obtém-se
$1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to 4s \to 3d \to 4p \to \dots$
Quando o átomo ganha ou perde elétrons, a configuração do íon é a do átomo ajustada. Por exemplo, $\text{F}^-$ ($Z = 9$) tem 10 elétrons: $1s^2\,2s^2\,2p^6$, a mesma do neônio e do $\text{Na}^+$. Espécies com a mesma configuração eletrônica são isoeletrônicas.
O nível $n = 1$ tem um único subnível s; o nível $n = 2$ tem um subnível s e um subnível p. a) Quantos elétrons cabem, no máximo, no nível $n = 1$? E no nível $n = 2$?…
O nível $n = 1$ tem um único subnível s; o nível $n = 2$ tem um subnível s e um subnível p.
- a) Quantos elétrons cabem, no máximo, no nível $n = 1$? E no nível $n = 2$?
- b) O primeiro período da tabela periódica tem $2$ elementos e o segundo, $8$: relacione esses números com os resultados do item anterior.
Considere estas três espécies: $\text{F}^{-}$ ($Z = 9$), $\text{Ne}$ ($Z = 10$) e $\text{Na}^{+}$ ($Z = 11$). a) Calcule o número de elétrons de cada uma. b) São o mesmo…
Considere estas três espécies: $\text{F}^{-}$ ($Z = 9$), $\text{Ne}$ ($Z = 10$) e $\text{Na}^{+}$ ($Z = 11$).
- a) Calcule o número de elétrons de cada uma.
- b) São o mesmo elemento? São isótopos entre si? Justifique ambas as respostas.
- c) Escreva a configuração eletrônica comum das três espécies na ordem $1s$, $2s$, $2p$ e explique por que razão se diz que são isoeletrônicas.
Voltando ao começo: se você sobrepusesse milhares dessas fotos do elétron, não veria uma linha, mas uma nuvem tridimensional mais densa onde a probabilidade é maior. É isso que chamamos de orbital.