Moléculas e íons

Aula 2
Átomos, moléculas e íons
A descoberta da estrutura atômica
• Grécia, século V A.C., Demócrito: Toda a matéria
consiste em partículas pequenas e indivisíveis, os
átomos;
• A idéia não foi bem aceita na época;
• Platão e Aristóteles não concordavam com esta idéia;
• Resultados experimentais deram suporte ao conceito de
Atomismo fazendo surgir definições modernas de
elementos e compostos;
A teoria atômica da matéria
• John Dalton (1808) formulou uma definição precisa
sobre a constituição da matéria:
– Cada elemento é constituído de partículas pequenas,
os átomos.
– Todos os átomos de um elemento são idênticos.
– Os compostos são formados quando átomos de mais
de um elemento se combinam.
– Em qualquer composto, a razão entre os números de
átomos de quaisquer elementos presentes é um
número inteiro e pequeno;
– Nas reações químicas, os átomos não são alterados,
apenas rearranjados, separados ou combinados.
A teoria atômica da matéria
A lei das proporções múltiplas de Dalton: Átomos de
nitrogênio e oxigênio podem combinar-se em proporções
específicas para formar tanto o NO ou o NO2.
A teoria atômica da matéria
O comportamento das cargas
A descoberta do elétron
• Um tubo de raios catódicos ou tubo de Crooks é um
recipiente profundo com um eletrodo em cada
extremidade.
• Uma alta voltagem é aplicada através dos eletrodos.
• A voltagem faz com que partículas negativas se
desloquem do eletrodo negativo (catodo) para o
eletrodo positivo (anodo).
• A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela
presença de um campo magnético.
A descoberta do elétron
Tubo evacuado
Catodo (C)
Raios catódicos invisíveis
Buraco
Anodo (A)
Fonte de alta
voltagem
Tela com cobertura
fosforescente para
detectar a posição dos raios
catódicos.
A descoberta do elétron
A descoberta do elétron
A razão carga/massa do elétron
Em 1897, J. J. Thomson idealizou um tubo de raios catódicos
a fim de determinar a razão entre a carga e a massa do
elétron.
• Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo
através de um pequeno orifício.
– Se eles interagirem com um campo magnético (H)
perpendicular a um campo elétrico (P) aplicado, os
raios catódicos podem sofrer diferentes desvios
sugerindo a presença de cargas.
– O desvio produzido é proporcional à carga do elétron e
inversamente proporcional à sua massa
• razão e/m = 1,76 ! 108 C/g
A razão carga/massa do elétron
Propriedades dos raios catódicos
A descoberta da carga do elétron
Considere o seguinte experimento:
• Gotas de óleo são borrifadas sobre uma chapa carregada
positivamente contendo um pequeno orifício.
• À medida que as gotas de óleo passam através do orifício,
elas são carregadas negativamente.
• A gravidade força as gotas para baixo. O campo elétrico
aplicado força as gotas para cima.
• Quando uma gota está perfeitamente equilibrada, seu
peso é igual à força de atração eletrostática entre a gota e
a chapa positiva.
A descoberta da carga do elétron
O experimento de Millikan
A descoberta da carga do elétron
A descoberta da carga do elétron
• De 1906 a 1914 utilizando este experimento, Robert
Millikan mostrou que gotas de óleo ionizadas podem ser
equilibradas contra a força da gravidade por um campo
elétrico.
• A carga das gotas era sempre um múltiplo inteiro da carga
e 1,60 x 10-19 C.
• Conhecendo a proporção carga/massa, 1,76 x 108 C/g,
Millikan calculou a massa do elétron: 9,10 x 10-28 g.
• O valor mais preciso para a massa do elétron é de
9,10939.10-28 g.
A descoberta da Radioatividade
Considere o seguinte experimento realizado por Rutherford:
• Uma substância radioativa é colocada em um anteparo
contendo um pequeno orifício de tal forma que um feixe
de radiação seja emitido pelo orifício.
• A radiação passa entre duas placas eletricamente
carregadas e é detectada.
• Três pontos são observados no detector:
- um ponto no sentido da chapa positiva,
- um ponto que não é afetado pelo campo elétrico,
- um ponto no sentido da chapa negativa.
A descoberta da Radioatividade
A radioatividade é a emissão espontânea de radiação por
uma substância.
• raios X e raios ! são luz de alta energia.
• partículas " é uma corrente de núcleos de hélio,
He2+.
• Partículas # é uma corrente de elétrons de alta
velocidade que se originam no núcleo.
A descoberta da Radioatividade
Experimento de Rutherford
A descoberta da Radioatividade
A descoberta do próton
Em 1886 usando um tubo com gás e cátodo perfurado, Goldstein notou
que do orifício do cátodo partia um feixe luminoso em sentido oposto ao
dos raios catódicos, Os raios canais.
• os raios canais são constituídos de partículas com carga positiva (íons)
e, por isso, foram chamados raios positivos.
• a massa das partículas constituintes dos raios canais varia com o gás
sendo aproximadamente igual à massa das moléculas do gás.
• usando o hidrogênio, os raios positivos obtidos são os de menor massa.
• a massa das partículas constituintes dos raios positivos obtidos com o
hidrogênio é 1836 vezes maior que a massa do elétron, e sua carga é
igual à do elétron, com sinal contrário.
Rutherford - As menores partículas com carga positiva eram as
constituintes dos raios canais, quando o gás era o hidrogênio, sendo
denominado de próton.
A carga de um próton seria totalmente neutralizada pela carga de um
elétron.
A descoberta dos neutrons
• O modelo atômico de Rutherford deixou um problema a ser
resolvido;
• O hidrogênio continha apenas um próton e o átomo de hélio,
dois prótons;
• A razão mHe:mH deveria ser de 2:1 na verdade é de 4:1;
• Rutheford e outros postularam que deveria haver outra
partícula subatômica no núcleo do átomo;
• James Chadwick (1932) bombardeou folhas de berílio com
partículas " e o metal emitiu uma radiação de energia elevada
semelhante aos raios #;
• Experiências mostraram que a radiação era constituída por
uma terceira partícula subatômica, os nêutrons;
Modelos A descoberta dos neutrons
• No núcleo do hélio existe dois prótons e dois nêutrons
enquanto que o núcleo do hidrogênio existe 1 próton e
nenhum nêutron por isso a razão de 4:1;
• Os nêutrons são partículas eletricamente neutras e
ligeiramente superior à massa dos prótons;
Rutherford
prótons 1919
James Chadwick
nêutrons 1932
Modelos atômicos
Modelos atômicos
O átomo nucleado - J. J. Thomson
• Pela separação da radiação, concluiu-se que o átomo
consiste de entidades neutras e carregadas negativa e
positivamente.
• Thomson supôs que todas essas espécies carregadas eram
encontradas em uma esfera como um “pudim de ameixa”.
Modelos atômicos
•
•
•
•
•
Experimento de Geiger-Rutherford-Marsden - 1909
Uma fonte de partículas " foi colocada na boca de um
detector circular.
As partículas " foram lançadas através de uma fina chapa
de ouro.
A maioria das partículas " passaram diretamente através
da chapa, sem desviar.
Algumas partículas " foram desviadas com ângulos
grandes.
Se o modelo do átomo de Thomson estivesse correto, o
resultado de Rutherford seria impossível.
Modelos atômicos
Experimento de Geiger-Rutherford-Marsden - 1909
Modelos atômicos
•
•
•
•
Experimento de Geiger-Rutherford-Marsden - 1909
Para fazer com que a maioria das partículas " passe através
de um pedaço de chapa sem sofrer desvio, a maior parte do
átomo deve consistir de carga negativa difusa de massa
baixa $ o elétron.
Para explicar o pequeno número de desvios grandes das
partículas ", o centro ou núcleo do átomo deve ser
constituído de uma carga positiva densa.
Rutherford modificou o modelo de Thomson da seguinte
maneira:
Suponha que o átomo é esférico mas a carga positiva deve
estar localizada no centro, com uma carga negativa difusa
em torno dele.
Modelos atômicos
• O átomo consite de entidades neutras,
positivas e negativas (prótons, elétrons e
nêutrons).
• Os prótons e nêutrons estão localizados no
núcleo do átomo, que é pequeno. A maior
parte da massa do átomo se deve ao núcleo.
–Pode haver um número variável de
nêutrons para o mesmo número de prótons.
–Os isótopos têm o mesmo número de
prótons, mas números diferentes de
nêutrons.
• Os elétrons estão localizados fora do núcleo.
Grande parte do volume do átomo se deve
aos elétrons.
Modelos atômicos
Número atômico, número de massa e Isótopos
Todos os átomos podem ser identificados pelo seu número de
prótons e de nêutrons.
Número atômico (Z) é o número de prótons no núcleo de
cada átomo de um elemento, o número de prótons é igual ao
número de elétrons;
A identidade química de um átomo pode ser determinada
apenas pelo seu número atômico;
O número de massa (A) é o número total de prótons e de
nêutrons presentes no núcleo do átomo de um elemento;
número p + número n
número p
Símbolo do elemento
Número atômico, número de massa e Isótopos
átomos de um dado elemento não têm todos a mesma massa;
Isótopos são átomos que têm o mesmo número atômico, mas
números de massa diferentes;
Há três isótopos do hidrogênio:
um possui um próton e nenhum nêutron chamado de
hidrogênio, 11H, outro tem um próton e um nêutron chamado
2
deutério, 1 H, e outro tem 1 próton e dois nêutrons chamado de
trítio, 13 H.
!
Outro
exemplo são os isótopos do urânio
!
235
92
U
238
92
U
!
!
Espectrometria de massas - determinação da
massa atômica
• Uma amostra gasosa é ionizada por bombardeamento com
•
elétrons na parte inferior do aparelho.
Os íons positivos formados são sujeitos a um campo elétrico
por um placas selectoras de velocidade elétricas e sujeitos a um
campo magético perpendicular à página.
Apenas alguns íons em particular são defletidos pelo campo
magnético em caminhos circulares.
Íons com diferentes massas atingem o detetor (placa
•
fotográfica) em diferentes regiões.
Quanto mais íons de um dado tipo, maior é a resposta do
•
•
detetor (intensidade de linha na placa fotográfica).
Espectrometria de massas - determinação da
massa atômica
Espectrometria de massas - determinação da
massa atômica
Espectro de massa do mercúrio. A abundância relativa percentual dos isótopos do
mercúrio são 196Hg, 0,146%; 198Hg, 10,02%; 199Hg, 16,84%; 200Hg, 23,13%; 201Hg,
13,22%; 202Hg, 29,80%; 204Hg, 6,85%.
Tabela periódica
• Mais da metade dos elementos hoje conhecidos foi
descoberto entre 1800 e 1900;
• O descobrimento da regularidade periódica nas
propriedades físicas e químicas e a necessidade de
organizar um grande volume de informações acerca das
propriedades das substâncias levaram ao desenvolvimento
da tabela periódica;
• A tabela periódica é um quadro em que os elementos com
propriedades físicas e químicas semelhantes encontram-se
agrupados;
•
Tabela periódica
• As colunas na tabela periódica chamam-se grupos ou famílias
de acordo com semelhanças nas suas propriedades químicas.
• As linhas na tabela periódica chamam-se períodos.
• Os metais estão localizados no lado esquerdo da tabela
periódica (a maioria dos elementos são metais).
• Os não-metais estão localizados na parte superior do lado
direito da tabela periódica.
• Os elementos com propriedades similares, tanto com os metais
quanto com os não-metais, são chamados metalóides e estão
localizados no espaço entre os metais e os não-metais.
Metais Alcalinos
Tabela periódica
Alcalinos Terrosos
Halogêneos
Gases Nobres
Grupo Principal
Metais de transição
Grupo Principal
Lantanídeos e Actinídeos
Tabela periódica
• Alguns dos grupos na tabela periódica recebem nomes
especiais.
• Estes nomes indicam as similaridades entre os membros
de um grupo:
•
•
•
•
•
Grupo 1A: Metais alcalinos
Grupo 2A: Metais alcalinos terrosos
Grupo 6A: Calcogênios
Grupo 7A: Halogênios
Grupo 8A: Gases nobres
Moléculas e íons
• De todos os elementos da tabela periódica, apenas os
gases nobres do grupo 18 (8A) existem na natureza como
átomos isolados (monoatômicos);
• Uma molécula é um agregado de pelo menos dois átomos
ligados em um arranjo definido por forças químicas
(interatômicas) chamadas de ligações químicas;
• uma molécula pode conter átomos idênticos ou átomos
diferentes unidos por uma razão fixa.
Moléculas e íons
• Cada molécula tem uma fórmula química.
• A fórmula química indica
- quais átomos são encontrados na molécula e
- em qual proporção eles são encontrados.
• Compostos formados a partir de moléculas são compostos
•
•
moleculares.
As moléculas que contêm dois átomos ligados entre si são
chamadas moléculas diatômicas e com mais de dois átomos
são ditas poliatômicas;
As fórmulas moleculares fornecem os números e tipos reais de
átomos em uma molécula. Ex: H2O, CO2, CH4, H2O2, e O2.
Moléculas e íons
Esquema padrão de cores
Moléculas e íons
H2O2
CH3CH(OH)CH3
CH3CH2Cl
HCO2H
P4O10
Moléculas e íons
• Um íon é um átomo ou grupo de átomos eletricamente
•
•
•
•
carregado;
o número de prótons no núcleo permanece o mesmo durante
transformações químicas, mas um átomo poderá ganhar ou
perder elétrons;
A perda de elétrons gera um cátion ou seja, um íon de carga
positiva;
o ganho de elétrons gera um ânion ou seja, um íon de carga
negativa;
Um átomo pode ganhar ou perder mais de um elétron
tornando-se um íon polivalente;
Moléculas e íons
O número de elétrons que um átomo perde ou ganha está
relacionado com a sua posição na tabela periódica.
Em geral: átomos metálicos tendem a perder elétrons para se
transformarem em cátions; íons não-metálicos tendem a ganhar
elétrons para formarem ânions.
Moléculas e íons
• Compostos iônicos são formados por cátions e ânions;
• Muitos compostos iônicos são binários formados por apenas
dois elementos;
Moléculas e íons
Moléculas e íons
• Para formar o NaCl, o átomo de sódio neutro, Na, deve perder
•
um elétron para se transformar em um cátion: Na+.
O elétron não pode ser totalmente perdido, dessa forma ele é
transferido para um átomo de cloro, Cl, que então se
transforma em um ânion: o Cl-.
• Os íons Na+ e Cl- ligam-se para formar o cloreto de sódio
•
(NaCl),
Importante: observe que não existem moléculas de NaCl
facilmente identificáveis na rede
iônica. Portanto, não
podemos usar fórmulas moleculares para descrevermos
substâncias iônicas.
Nomenclatura dos compostos
• A nomenclatura de compostos é dividida em compostos
orgânicos
(aqueles
que
contêm
C)
e
compostos
inorgânicos (o resto da tabela periódica).
• Os cátions formados a partir de um metal têm o mesmo
nome do metal. Ex: Na+ = íon de sódio.
• Se o metal puder formar mais de um cátion, a carga é
indicada entre parênteses no nome. Ex: Cu+ = cobre(I);
Cu2+ = cobre(II).
• Os cátions formados de não-metais têm a terminação - io.
Ex: NH4+ íon amônio.
Nomenclatura dos compostos
Nomenclatura dos compostos
• Os ânions monoatômicos têm terminação $eto. Ex: Cl! é o
íon cloreto.
• Exceções: hidróxido(OH!), cianeto(CN!), peróxido (O22!).
• Os ânions poliatômicos que contêm oxigênio têm a
terminação -ato ou -ito. (Aquele com mais oxigênio é
chamado -ato). Ex: NO3- é o nitrato, NO2- é o nitrito.
• Os ânions poliatômicos contendo oxigênio com mais de
dois membros na série são denominados em ordem
decrescente de oxigênio:
- per-….-ato
- -ato
- -ito
- hipo-….-ito
Nomenclatura dos compostos
• Os ânions poliatômicos que contêm oxigênio com
hidrogênios adicionais recebem o nome adicionando-se
hidrogeno ou bi- (um H), dihidrogeno (dois H), etc., ao
nome:
•
•
•
•
CO32- é o ânion carbonato
HCO3- é o ânion hidrogenocarbonato (ou bicarbonato).
H2PO4- é o ânion dihidrogenofosfato.
Para o composto iônico dá-se o nome para o ânion seguido
do prefixo “de” e do nome do cátion. Ex: BaBr2 = brometo
de bário.
Nomenclatura dos compostos
Nomenclatura dos compostos
• Os nomes dos ácidos estão relacionados com os nomes
dos ânions:
-eto transforma-se em ácido ….-ídrico;
-ato transforma-se em ácido -ico;
-ito transforma-se em ácido -oso.
Nomenclatura dos compostos
• Os compostos moleculares binários têm dois elementos.
• O elemento mais metálico é normalmente escrito antes
(por exemplo, o que se encontra mais à esquerda na tabela
periódica). Exceção: NH3.
• Se ambos os elementos estiverem no mesmo grupo, o que
fica mais abaixo é escrito primeiro.
• Os prefixos gregos são utilizados para indicar o número de
átomos.
Nomenclatura dos compostos
Fim da Aula