Exercícios: Desenvolvimento histórico da tabela periódica

Em $1829$, o químico alemão Johann Döbereiner publicou suas «tríades»: grupos de três elementos com propriedades químicas muito semelhantes, como o lítio, o sódio e o potássio.

1. a) O que Döbereiner observou sobre a massa atômica do elemento central de cada tríade, comparada com a média das massas dos outros dois?
2. b) Que propriedades os elementos da tríade dos metais alcalinos compartilhavam? Cite duas.

As massas atômicas do cloro, do bromo e do iodo são $35,5\ \text{u}$, $79,9\ \text{u}$ e $126,9\ \text{u}$. Calcule a média das massas do cloro e do iodo e verifique se coincide, aproximadamente, com a massa do bromo, como afirmava a regra das tríades de Döbereiner.

Em $1865$, o inglês John Newlands organizou os elementos conhecidos por ordem crescente de massa atômica e observou que, a partir do lítio, cada oitavo elemento repetia as propriedades do primeiro: chamou isso de «lei das oitavas». O esquema representa a sua «escala» de elementos:

1. a) Por que razão ele escolheu esse nome musical?
2. b) Contando o lítio como o primeiro, os sete elementos seguintes por massa são Be, B, C, N, O, F e Na: qual elemento ocupa a «oitava nota» do lítio? As propriedades deles são semelhantes?

Em $1869$, o russo Dmitri Mendeleiev publicou a primeira versão da sua tabela periódica com os $63$ elementos então conhecidos.

1. a) Segundo qual critério ele ordenou principalmente os elementos?
2. b) Quando o elemento seguinte da lista não se encaixava nas propriedades de uma coluna, Mendeleiev deixava um espaço vazio em vez de forçá-lo: como ele interpretou esses espaços vazios?

Mendeleiev previu a existência de um elemento desconhecido, a que chamou eka-alumínio, descoberto poucos anos depois e batizado como gálio ($\text{Ga}$). O esquema mostra o espaço vazio que Mendeleiev deixou em sua tabela:

1. a) O prefixo eka significa «aquele que está um lugar além» em sânscrito: que posição o eka-alumínio ocupava em relação ao alumínio na tabela?
2. b) O que teria acontecido com a credibilidade da tabela periódica se o gálio nunca tivesse sido encontrado?

O telúrio ($M = 127,6\ \text{u}$) é mais pesado do que o iodo ($M = 126,9\ \text{u}$); no entanto, Mendeleiev colocou o telúrio antes do iodo, contrariando a ordem crescente de massas.

1. a) Que propriedades químicas o levaram a fazer essa inversão?
2. b) Que critério de ordenação, descoberto décadas depois, justificou que essa inversão estivesse correta?

Em $1913$, o jovem físico britânico Henry Moseley estudou os raios X emitidos por diferentes elementos ao bombardeá-los com elétrons e encontrou uma regularidade perfeita. O esquema resume a montagem experimental dele:

1. a) Que grandeza física Moseley atribuiu a cada elemento como critério de ordenação, em vez da massa atômica?
2. b) Como se chama hoje esse número na tabela periódica e o que ele conta exatamente no átomo?

Enuncie com suas próprias palavras a lei periódica atual.

1. a) De que grandeza dependem periodicamente as propriedades dos elementos?
2. b) O que significa que as propriedades se repetem «periodicamente»? Apoie a sua resposta com um exemplo de dois elementos de propriedades muito semelhantes situados na mesma coluna.

Outra tríade clássica de Döbereiner é formada pelo cálcio ($40,1\ \text{u}$), pelo estrôncio ($87,6\ \text{u}$) e pelo bário ($137,3\ \text{u}$).

1. a) Calcule a média das massas do cálcio e do bário.
2. b) Calcule o desvio percentual dessa média em relação à massa real do estrôncio e avalie se a regra das tríades funciona neste caso.

Os extremos da tríade dos metais alcalinos são o lítio ($6,9\ \text{u}$) e o potássio ($39,1\ \text{u}$).

1. a) Use a regra de Döbereiner para prever a massa atômica do elemento central, o sódio.
2. b) A massa real do sódio é $23,0\ \text{u}$: calcule o erro percentual da previsão e comente o resultado.

A lei das oitavas de Newlands funcionava razoavelmente bem para os elementos mais leves, mas deixava de se verificar a partir do cálcio.

1. a) Ordene em ordem crescente de massa estes oito elementos: Li ($6,9\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$) e N ($14,0\ \text{u}$), e verifique que o oitavo é quimicamente semelhante ao primeiro.
2. b) Proponha uma razão histórica pela qual a lei das oitavas não pôde ser geral: pense em quantos elementos se conheciam em $1865$ e que famílias inteiras ainda faltavam ser descobertas.

Mendeleiev previu para o eka-alumínio uma massa atômica de cerca de $68\ \text{u}$ e uma densidade de $5,9\ \text{g/cm}^3$. O gálio, descoberto em $1875$ por Lecoq de Boisbaudran, tem massa $69,7\ \text{u}$ e densidade $5,9\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcule o erro percentual da massa prevista.
2. b) Avalie a qualidade conjunta de ambas as previsões: o que elas dizem sobre o método utilizado por Mendeleiev?

O argônio tem massa atômica $39,9\ \text{u}$ e o potássio, $39,1\ \text{u}$; no entanto, na tabela moderna o argônio ($Z = 18$) aparece antes do potássio ($Z = 19$).

1. a) Ordene o Ar e o K primeiro por massa e depois por $Z$: qual das duas ordenações condiz com as propriedades deles (gás nobre em comparação com metal macio muito reativo)?
2. b) Explique como o trabalho de Moseley eliminou para sempre este tipo de «inversões» que, para Mendeleiev, ficaram sem explicação.

Em $1886$, Clemens Winkler isolou o germânio ($\text{Ge}$) a partir do mineral argirodita e verificou que as suas propriedades coincidiam quase exatamente com as do eka-silício previsto por Mendeleiev quinze anos antes. A primeira pista de que havia um elemento novo nesse mineral foi dada pela análise do seu espectro.

1. a) Por que o aparecimento de linhas espectrais desconhecidas indica a presença de um novo elemento?
2. b) Que relação tem este episódio com a ideia da tabela periódica como ferramenta preditiva?

Os pontos de fusão dos halogênios são: $\text{F}_2$: $-220\ \celsius$, $\text{Cl}_2$: $-101\ \celsius$, $\text{Br}_2$: $-7\ \celsius$ e $\text{I}_2$: $114\ \celsius$.

1. a) Trace no seu caderno o ponto de fusão em função do número do período e descreva a tendência do grupo.
2. b) O ástato, o halogênio seguinte, quase não existe na natureza e praticamente não pôde ser estudado: estime graficamente o seu ponto de fusão e deduza se será sólido à temperatura ambiente ($25\ \celsius$).

Você pode fazê-lo em papel e enviar uma foto com a sua resposta.

As densidades dos metais alcalinos são: Li: $0,53\ \text{g/cm}^3$, Na: $0,97\ \text{g/cm}^3$, K: $0,86\ \text{g/cm}^3$, Rb: $1,53\ \text{g/cm}^3$ e Cs: $1,87\ \text{g/cm}^3$. A figura representa estes valores:

1. a) Seguem uma tendência estritamente crescente ao descer no grupo? Identifique a exceção.
2. b) Estime um valor razoável para a densidade do frâncio, o alcalino do sétimo período, e justifique a sua estimativa a partir da tendência geral.

Um aluno procura tríades de Döbereiner entre estes elementos, com suas massas atômicas: Mg ($24,3\ \text{u}$), Ca ($40,1\ \text{u}$), Sr ($87,6\ \text{u}$), Ba ($137,3\ \text{u}$) e Zn ($65,4\ \text{u}$).

1. a) Verifique, calculando as médias pertinentes, quais conjuntos de três elementos consecutivos em massa cumprem a regra de Döbereiner (a massa do central coincide com a média dos extremos com um erro inferior a $5\ \%$).
2. b) Das tríades que cumprem a regra numérica, quais agrupam também elementos quimicamente semelhantes?
3. c) Conclua por que razão a regra das tríades, por si só, não foi suficiente para ordenar todos os elementos conhecidos.

Mendeleiev previu em $1871$ para o eka-silício: massa atômica $72\ \text{u}$, densidade $5,5\ \text{g/cm}^3$ e um óxido de fórmula $\text{EO}_2$ com densidade $4,7\ \text{g/cm}^3$. O germânio, descoberto em $1886$, tem massa $72,6\ \text{u}$, densidade $5,3\ \text{g/cm}^3$, e o seu óxido $\text{GeO}_2$ tem densidade $4,2\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Calcule o erro percentual de cada uma das três previsões.
2. b) Por que razão ele previu um óxido de fórmula $\text{EO}_2$ e não $\text{EO}$ ou $\text{E}_2\text{O}_3$? Pense na coluna do silício e nas fórmulas dos seus compostos.
3. c) À vista destes resultados, comente a frase «a tabela periódica é uma ferramenta preditiva».

Moseley mediu a frequência $\nu$ dos raios X característicos de muitos elementos e verificou que a raiz quadrada da frequência aumenta linearmente com o número atômico:

$\sqrt{\nu} = 4,98\cdot10^{7}\cdot\left(Z - 1\right)\ \text{Hz}^{1/2}$

Representados em um gráfico, os valores dos elementos situam-se sobre uma reta:

1. a) Calcule a frequência dos raios X característicos do cobre ($Z = 29$).
2. b) Uma amostra metálica desconhecida emite raios X com $\nu = 1,54\cdot10^{18}\ \text{Hz}$: calcule o seu número atômico e identifique o elemento sabendo que $Z = 26$ corresponde ao ferro.
3. c) Explique por que razão esta lei permitiu ordenar a tabela por $Z$ sem qualquer ambiguidade, algo impossível com a massa atômica.

As três «inversões» clássicas da tabela são Ar ($39,9\ \text{u}$)–K ($39,1\ \text{u}$), Co ($58,9\ \text{u}$)–Ni ($58,7\ \text{u}$) e Te ($127,6\ \text{u}$)–I ($126,9\ \text{u}$): nos três pares, o elemento mais pesado surge antes na tabela.

1. a) Verifique com os números atômicos (Ar: $Z = 18$, K: $Z = 19$; Co: $Z = 27$, Ni: $Z = 28$; Te: $Z = 52$, I: $Z = 53$) que a ordem por $Z$ é a contrária da ordem por massa nos três casos.
2. b) A massa atômica de um elemento é a média ponderada das massas dos seus isótopos naturais: utilize essa ideia para explicar como um elemento com menor $Z$ pode resultar mais pesado do que o seguinte.
3. c) Conclua por que razão a massa atômica não pode ser o critério de ordenação da tabela e o número atômico sim.

A tabela de Mendeleiev apresentava quatro dificuldades que a tabela atual não tem: ① não havia coluna para os gases nobres; ② o hidrogênio não se enquadrava bem em nenhum grupo; ③ os isótopos de um mesmo elemento pareciam exigir várias posições; ④ as terras raras (lantanídeos) não encontravam lugar.

1. a) Explique a origem histórica ou química de cada uma das quatro dificuldades.
2. b) Explique como são resolvidas pela tabela atual, ordenada por $Z$ e construída a partir das configurações eletrônicas.
3. c) Quando Ramsay descobriu os gases nobres na década de $1890$, a tabela pôde incorporar uma coluna inteira sem se desestruturar: justifique por que essa descoberta reforçou a tabela em vez de destruí-la.

Imagine que você está em $1865$ e só conhece estes dez elementos, já ordenados por massa: Li ($6,9\ \text{u}$), Be ($9,0\ \text{u}$), B ($10,8\ \text{u}$), C ($12,0\ \text{u}$), N ($14,0\ \text{u}$), O ($16,0\ \text{u}$), F ($19,0\ \text{u}$), Na ($23,0\ \text{u}$), Mg ($24,3\ \text{u}$) e Si ($28,1\ \text{u}$). As propriedades deles: Li e Na são metais macios que reagem com a água; Be e Mg são metais mais duros e menos reativos; B e Si são semimetais; C, N, O e F são não metais.

1. a) Verifique a lei das oitavas de Newlands: cada oitavo elemento se assemelha ao primeiro da sua «escala»? Identifique os três pares que a confirmam.
2. b) O argônio ($Z = 18$, $39,9\ \text{u}$) só foi descoberto em $1894$: deduza onde Newlands o teria colocado e que problema teria representado para a escala musical dele um elemento que não se assemelha a nenhum outro.
3. c) Explique por que a tabela de Mendeleiev, que deixava espaços vazios, era mais flexível do que a escala fechada de Newlands.

Os pontos de fusão dos metais alcalinos são: Li: $181\ \celsius$, Na: $98\ \celsius$, K: $64\ \celsius$, Rb: $39\ \celsius$ e Cs: $28\ \celsius$.

1. a) Desenhe no seu caderno a tendência e estime o ponto de fusão do frâncio, o alcalino do sétimo período.
2. b) Preveja também, justificando a partir do comportamento do grupo: o seu estado físico à temperatura ambiente ($25\ \celsius$), a sua dureza e o seu comportamento diante da água.
3. c) O frâncio é tão escasso e radioativo que as suas propriedades medidas mal são conhecidas: explique por que a tabela periódica permite fazer ciência preditiva mesmo com elementos quase impossíveis de estudar em laboratório.

Você pode fazê-lo em papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Escreva um pequeno relatório intitulado «Das tríades ao número atômico: como se construiu a tabela periódica».

1. a) Resuma a contribuição de Döbereiner, Newlands, Mendeléiev e Moseley, indicando o critério de ordenação proposto por cada um.
2. b) Aponte que problema ficava por resolver após cada cientista e como foi abordado pelo seguinte.
3. c) Conclua explicando por que se afirma que uma boa teoria científica não só organiza o conhecido, como também prevê o desconhecido: ilustre isso com o caso do eka-alumínio.