Química – 2010 – Prof.. Luiz Antônio Tomaz Turmas 101 e 102

Química – 2010 – Prof.. Luiz Antônio Tomaz
Turmas 101 e 102
DIVIDINDO O INDIVISÍVEL: A DESCOBERTA DOS ELÉTRONS E DOS PRÓTONS
Em geral os gases não são bons condutores de corrente elétrica. Ainda bem, pois imagine se o ar
fosse bom condutor. Não poderíamos nem nos aproximar de uma tomada de nossa casa que levaríamos
um “choque”. No entanto, no século XIX, os trabalhos de Willian Crookes (1878) mostraram
experimentalmente que, quando submetidos a baixas pressões, os gases podem se tornar condutores
elétricos.
Para demonstrar o que foi dito, utiliza-se um tubo de vidro (ampola), apresentando nas
extremidades dois metais chamados eletrodos. Estes são ligados a uma fonte (bateria) de alta “voltagem”
ou tensão. O dispositivo é, então, ligado a uma bomba de vácuo para retirar o ar do interior.
Fig. 1: desenho esquemático da ampola de Crookes
Quando a pressão interna exercida pelo gás for reduzida a um décimo (1/10) da pressão
ambiente, observa-se que o gás entre os eletrodos passa a emitir luminosidade. Quando a pressão for
reduzida para cerca de 1/100 000 da pressão ambiente, desaparece a luminosidade, restando uma
“mancha” luminosa atrás do ânodo. Essa “mancha”, concluiu-se, provém do pólo negativo ou cátodo; por
isso, os raios foram chamados raios catódicos.
DESCOBRINDO ELÉTRONS
Tomando como referência os trabalhos de Crookes e aperfeiçoando-os, Joseph Thomson (1887),
esclareceu que os raios catódicos são, na verdade, constituídos por um fluxo de partículas menores do que
os átomos e dotadas de cargas negativas, denominando-as elétrons. Thomson concluiu que essas
partículas (raios catódicos) eram dotadas de carga negativa, pois ao submetê-las a um campo elétrico eram
atraídas pelo pólo positivo desse campo. Lembremo-nos: cargas elétricas de sinais contrários se atraem; de
mesmo sinal, se repelem.
DESCOBRINDO PRÓTONS
Outro cientista, o francês Eugene Goldstein (1886), observou que alterações no tubo ou ampola
de Crookes (como, por exemplo, variação da pressão exercida pelo gás existente no interior) fazem surgir
um feixe de raios em sentido contrário ao dos raios catódicos. Esses raios (que se dirigem para o cátodo)
também foram submetidos a um campo elétrico.
Concluiu Goldstein que tais raios apresentavam carga elétrica positiva, pois, ao contrário dos raios
catódicos, sofrem desvio para o pólo negativo do campo elétrico.
Fig. 2: ampola da Crookes adaptada
2
A origem dos raios positivos foi atribuída ao gás presente no interior do tubo. Devido à grande
velocidade com que os raios catódicos se “chocam” contra os “átomos” do gás residual, elétrons deste são
“arrancados”. Os “átomos” do gás passam a se movimentar em sentido oposto aos raios catódicos,
formando um novo feixe de raios, como já vimos, de carga elétrica positiva. A essa carga positiva dos
átomos Rutherford, mais tarde, deu o nome próton. Experimentalmente foi possível ainda verificar que essa
nova partícula subatômica era muito mais “pesada” (sabemos hoje que é 1836 vezes) do que o elétron.
Perceba, pelo que aprendemos até aqui, que os átomos possuem duas partículas: elétron (carga negativa)
e próton (carga positiva). Reforça-se, portanto, a idéia de que os átomos são divisíveis.
O MODELO “PUDIM DE AMEIXAS”
Em 1897, Thomson sugeriu que o átomo seria formado por uma esfera positiva “incrustada” de
elétrons (carga elétrica negativa). A conclusão de que a esfera deveria ser positiva está relacionada ao fato
de os átomos apresentarem carga elétrica total nula. O grande mérito de Thomson foi admitir (e comprovar)
que o átomo seria divisível.
Fig.3: modelo “pudim de ameixas” proposto por Thomson.
A “imagem” feita pelo próprio Thomson para o seu de átomo lembrava um “pudim de ameixas”, daí
esse modelo ter sido assim apelidado. O modelo imaginado por Thomson, apesar de significar grande
avanço, teve “vida curta”. Veremos, em seguida, contribuições de outros cientistas como Goldstein,
Rutherford e Bohr sobre modelos atômicos.
A AMPOLA DE CROOKES E O NOSSO COTIDIANO
Quando Crookes realizou suas experiências (dos raios catódicos) em um tubo (ou ampola), com
as extremidades ligadas a dois eletrodos e contendo ar rarefeito, provavelmente, não imaginava tantas
seriam as aplicações de seu dispositivo.
Os luminosos de neon, encontrados em letreiros de lojas comerciais são feitos de tubos
(semelhantes à ampola de Crookes), onde o gás residual é o neônio. Mudando o gás obtêm-se diferentes
efeitos luminosos: se o gás residual no interior do tubo for vapor de sódio, tem-se luz amarela, bastante
utilizada em vias públicas atualmente; lâmpadas fluorescentes, por sua vez, utilizam vapor de mercúrio, que
emite luz violeta e luz ultravioleta (esta última não visível). O tubo é, então, revestido com uma tinta
fluorescente (daí o nome da lâmpada) que absorve a luz emitida (violeta e ultravioleta) e reemite na forma
de luz branca. A propósito, alguns países não permitem que este tipo de lâmpada seja jogado diretamente
no lixo. Por quê?
Duas outras importantes aplicações da ampola de Crookes são o tubo de imagem dos televisores
e os chamados raios X. O primeiro é a ampola modificada adequadamente para que o cátodo emita os
elétrons ordenadamente. Os elétrons se chocam contra a superfície interna da tela (frente do tubo) que
possui uma tinta fluorescente (sulfeto de zinco). Esta tinta emite a luminosidade para, através de processos
mais complexos, formar as imagens. Podemos dizer que a ampola de Crookes é uma “televisão primitiva”.
A colisão dos elétrons (raios catódicos) contra materiais especiais ( ) dá origem também à emissão
de uma forma especial de energia: os raios X. Esses raios são ondas eletromagnéticas, semelhantes à luz,
porém mais energéticos. Como os raios X têm grande poder de penetração, são usados em radiografias.
Eles atravessam facilmente o tecido muscular, mas não os sais minerais dos ossos. Pelo contraste formado
“vê-se” o local em que há fratura (rompimento), pois ali os raios “atravessam”. Às vezes, para exames de
alguns órgãos (como o estômago) a pessoa, supostamente doente, precisa ingerir previamente um
“contraste” (sulfato de bário).
A exposição continuada aos raios X, isso está comprovado, é prejudicial à saúde. Não é à toa que
operadores de raios X em hospitais, por exemplo, protegem-se com aventais e paredes de chumbo. É que o
3
poder de penetração dos raios X é limitado, quando incidem nesse metal. Por terem esse mesmo princípio
de funcionamento, as telas de televisores também emitem raios X. Não se preocupe se você costuma
assistir várias horas diárias de TV! Talvez a programação seja mais prejudicial. Na verdade os raios X do
aparelho de televisão são praticamente inofensivos; eles têm penetração bem menor do que os raios X de
radiografias, pois são bem menos energéticos.
RADIOATIVIDADE: OUTRA EVIDÊNCIA DE QUE O ÁTOMO É DIVISÍVEL
Vimos que o modelo de átomo sugerido Thomson (“pudim de ameixas”), embora de grande
importância, pouco durou. Um dos fatores que contribuiu para a “vida curta” do modelo de Thomsom foi a
descoberta da radioatividade.
Antoine Becquerel (1896) descobriu que certos materiais que contêm urânio emitem
espontaneamente radiações (raios) de grande poder de penetração, capazes inclusive de “manchar” um
filme fotográfico. Mais tarde o casal Marie e Pierre Curie descobriu que o elemento polônio e elemento
rádio também eram radioativos.
Através de experiências, como submeter emissões radioativas a um campo magnético, Rutherford
(1903) verificou que elas sofriam diferentes desvios. Pôde, assim, identificar três tipos de emissões
(denominadas por letras gregas):
*
*
*
Raios alfa (), partículas “pesadas” e carregadas positivamente;
Raios beta (), partículas “leves” e carregadas negativamente;
Raios gama (), ondas eletromagnéticas (sem “peso”) de grande energia e penetrantes.
Não é nosso objetivo, pelo menos por enquanto, aprofundar o assunto radioatividade.
Oportunamente, durante o curso de Química, isso será feito. Esclarecemos, desde já, que as descobertas
citadas revolucionaram o mundo científico na época. Elas reafirmaram que os átomos são divisíveis.
Concluiu-se com os experimentos realizados que a radioatividade é um processo de “desintegração” do
átomo.
Hoje em dia sabemos que as partículas  (alfa) são constituídas de dois prótons e dois nêutrons,
oriundos do núcleo do átomo. As partículas  (beta), por sua vez, são formadas por um elétron que sai
também do núcleo em grande velocidade. Os raios  (gama) têm origem nuclear, mas não são partículas e
sim ondas eletromagnéticas, ou seja, uma das manifestações da energia. Quando se fala em perigos da
energia nuclear (bomba atômica, por exemplo) se está referindo às radiações gama. Na “desintegração” do
átomo (fenômeno radioativo), observa-se a transformação, ou melhor, “transmutação” (não era o sonho dos
alquimistas agora realizado?) de um elemento em outro. Teoricamente isso seria possível com qualquer
elemento, embora experiências sejam realizadas com aqueles elementos em que isso acontece
naturalmente. Saliente-se, por fim, que Rutherford deu continuidade aos trabalhos com radioatividade,
possibilitando que um novo modelo atômico surgisse e que leva o seu nome.
OS MODELOS NÃO PARAM DE EVOLUIR
Primeiramente, gostaríamos de recordar uma das atividades realizada, quando utilizamos uma
“caixa preta”. Tínhamos que “descobrir” o que havia em seu interior, mas não podíamos abri-la. Lembra-se?
Pois bem, ao estudar os átomos, é como se tivéssemos que “adivinhar” o que existe no interior de
muitas “caixas pretas”. Na verdade, fazemos modelos de provável possível realidade. Que fique claro:
modelos são provisórios. Sempre que novos conhecimentos são adquiridos e se for necessário eles podem
mudar.
Acompanhe o seguinte exemplo que, por coincidência, também se utiliza uma caixa:
“(...) Imagine que atiremos com uma metralhadora em um caixote de madeira fechado cujo
conteúdo desconhecemos. Se as balas ricochetearem, não atravessando o caixote, concluiremos que
dentro dele deve haver algum material como concreto ou ferro maciço. Mas, se as balas o atravessarem,
chegaremos à conclusão de que ele deve estar vazio ou então contém materiais leves como isopor,
serragem ou similares.
4
Porém, se uma parte das balas passar e parte ricochetear, concluiremos que materiais dos dois
tipos devem estar presentes dentro do caixote. Quanto mais balas o atravessarem, menos material pesado
deve existir em seu interior.(...)”
Podemos aproveitar o exemplo e fazer uma analogia com a experiência realizada por Rutherford
(1911), quando “bombardeou” uma fina lâmina de ouro, enquanto dava continuidade a seus trabalhos a
respeito da estrutura da matéria. Tal experiência propiciou, inclusive, que o modelo de Thomson para os
átomos fosse abandonado.
Fig. 4: representação esquemática do experimento de Rutherford.
A analogia que podemos fazer é a seguinte: as “balas” utilizadas por Rutherford, na verdade, são emissões
radioativas: as partículas . A “metralhadora”, uma amostra do elemento polônio que é radioativo. O
“caixote”, a lâmina de ouro extremamente delgada (cerca de 0,001cm!). Para saber se as “balas”, ou
melhor, partículas  atravessam ou “ricocheteiam” no “caixote” (fina lâmina), Rutherford usou uma tela feita
de material fluorescente (que emite luminosidade quando atingido por radiações).
No experimento realizado, a maioria das partículas alfa atravessou a lâmina de ouro, algumas
poucas desviaram e outras poucas também ricochetearam.
Fig. 5: representação suposta das partículas α ao atravessarem a lâmina de ouro no dispositivo de
Rutherford.
Rutherford concluiu então:
 no átomo há grandes espaços vazios, pois a maioria das partículas atravessou* a lâmina;
* recordemos da analogia: as “balas” atravessam o caixote porque não encontram obstáculos ou
por que são muito leves.
* no centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso (muita massa). Algumas partículas
alfa foram rebatidas;
* o núcleo tem cargas elétricas positivas (Rutherford denominou-as próton). As partículas alfa, que
possuem carga positiva, quando passavam pelo núcleo, eram repelidas sofrendo desvio (cargas de mesmo
sinal se repelem).
5
Rutherford admitiu ainda que os elétrons estariam girando ao redor do núcleo, afastados ao
máximo para não serem “engolidos” (cargas de mesmo sinal se atraem). A imagem feita para o modelo de
Rutherford é de um sistema solar, onde os planetas (elétrons para o átomo) orbitam o sol (núcleo). Por
causa disso, esse modelo ficou também conhecido como “modelo planetário”.
Fig. 6: modelo planetário proposto por Rutherford
A CONTRIBUIÇÃO DE NIELS BOHR
O modelo proposto por Rutherford, embora revolucionário, apresentava um problema: era
contraditório a um conhecimento já existente na época. As partículas elétricas em movimento acelerado
emitem energia (estudos nesse sentido foram realizados por Maxwel). No caso doas elétrons girando (com
aceleração centrípeta) perderiam energia gradativamente, diminuindo a velocidade e em espiral “caírem” no
núcleo. O sistema atômico de Rutherford, então, entraria em colapso. Isto, porém não é a realidade.
Em 1913, o dinamarquês Niels Bohr concluiu uma série de postulados, isto é, afirmações que não
precisam comprovação (tanto experimental quanto teórica). Esses postulados não faziam muito sentido em
função dos conhecimentos de Física da época.
Bohr então justificava: “Aqui estão algumas leis que parecem impossíveis, porém, elas realmente
correspondem ao modo como os sistemas atômicos parecem funcionar, de forma que vamos usá-las.”
“Se os elétrons podem se movimentar ao redor do núcleo do átomo sem perder nem ganhar
energia e, principalmente, sem cair no núcleo, é porque existem no átomo regiões onde isso é permitido.”
Os postulados de Bohr podem ser resumidos como segue:
1. Os elétrons giram em orbitas circulares e somente a determinadas distâncias do núcleo
(essas órbitas são chamadas camadas ou níveis de energia). Saliente-se que um elétron
não pode permanecer entre dois níveis de energia;
Fig. 7: modelo de camadas ou níveis de energia de Bohr
2. Um elétron pode passar de um nível para outro de maior energia, desde que absorva
energia externa (energia elétrica, luz, calor, etc.);
6
Fig. 8: ilustração do segundo postulado de Bohr.
3. Quando o elétron retorna para o nível de energia menor, o átomo devolve essa energia
(em geral na forma de luz)
Fig. 9: ilustração do terceiro postulado de Bohr. Fogos de artifício.
Os postulados de Bohr não são contraditórios ao modelo de Rutherford, mas complementares. Por
isso, ficou o modelo conhecido como modelo de Rutherford-Bohr.
As modificações dos modelos atômicos não param por aí. Em 1915, o cientista Sommerfeld
aperfeiçoou o modelo de Rutherford-Bohr admitindo não só a existência de orbitas circulares, mas também
elípticas.
Fig. 10: representação do modelo de Sommerfeld.
Em 1932, James Chadwick descobriu outra partícula subatômica de massa muito próxima à
massa do próton, mas sem carga elétrica (neutra, portanto). Essa partícula foi chamada nêutron e localizase no núcleo do átomo. Atualmente, há um modelo muito aperfeiçoado, baseado na idéia de orbitais,
apresentando inúmeras partículas subatômicas. Não é interessante presentemente detalhá-lo. Em momento
oportuno, ainda durante o nosso curso de Química, isso será feito. Por enquanto, para estudar (entender,
explicar, prever,...) os fenômenos químicos basta-nos estudar as três partículas fundamentais, de acordo
com o modelo de Rutherford-Bohr: próton, elétron, nêutron.