Microsoft PowerPoint - OS EL\311TRONS 1
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OS ELÉTRONS O MODELO DA MECÂNICA QUÂNTICA E AS ENERGIAS ELETRÔNICAS • Modelo atual se baseia na MECÂNICA QUÂNTICA • Considera os conceitos da quantização da energia eletrônica (Bohr), fornecendo uma explicação do porque da quantização da energia. • Um bom modelo deve ser capaz de explicar propriedades atômicas, propriedades periódicas, ligação química Elétrons como ondas? O INSUCESSO DA MECÂNICA CLÁSSICA • Mecânica clássica (séc. XVII – Isaac Newton): foi um completo sucesso até a observação dos efeitos quânticos (início séc. XX). É falha na descrição do movimento de pequenas partículas, como os elétrons. O PRINCÍPIO DA INCERTEZA DE HEISENBERG (1927) É impossível conhecer simultaneamente e com certeza a posição e o momento (m.v) de uma partícula microscópica como o elétron. Werner Karl Heisenberg 1901 - 1976 Nobel prize in Physics 1932 Não podemos conhecer exatamente posição e momento (e portanto velocidade) ao mesmo tempo!! • O ato de realizar a medida influencia nos valores medidos. • Trajetórias eletrônicas rigorosamente definidas propostas por Bohr não têm significado real. • O problema não é tão importante para objetos grandes. Nestes casos a incerteza associada a cada medida é desprezível em relação à grandeza da própria medida. A incerteza pode ser expressa pela seguinte fórmula: ћ = h barrado ћ = 1,05457 x 10-34Js • Quais as velocidades para: uma bola de futebol de 0,450 kg e Δposição é de apenas 1 mm? um ē, m = 9,109x10-31 kg e está dentro de um átomo 200 pm? • uma bola de futebol de 0,450 kg e Δ posição de apenas 1 mm? ∆p = m∆v ∆p = 1,0x10-3 m m = 0,450 kg = 1,2 x 10-31 m/s Incerteza na velocidade é desprezível. • um ē, m = 9,109x10-31 kg e está dentro de um átomo 200 pm? ∆p = m∆v ∆p = 200x10-12 m m = 9,109x10-31 kg = 289 km/s, ou seja Veloc. do ē = ± 144,5 km/s O resultado é um modelo que descreve precisamente a energia do elétron, enquanto define sua localização em termos de probabilidades. DUALIDADE PARTÍCULA-ONDA (Louis De Broglie – 1924) • Einstein mostrou que as ondas possuem propriedades de partículas ou fótons. Poderia a recíproca ser verdadeira? As partículas poderiam mostrar propriedades de ondas em algumas experiências? • De Broglie: os fótons também têm natureza dupla, podem se comportar como onda ou partícula. De Broglie: equação para calcular o comprimento de onda associado a qualquer partícula de velocidade v. • De acordo com Planck e Einstein a energia de um “fóton”, ou uma “partícula de radiação” E=hν • Ainda de acordo com Einstein a energia de qualquer partícula é E = mc2 • Igualando as duas expressões • Para uma velocidade v qualquer, λ = h/mv mc2 = hν = hc/λ λ ou mc = h/λ λ mv = h/λ λ Relação de De Broglie A qualquer corpo de massa m está associado um comprimento de onda λ • Equação: todas as partículas tem propriedades de ondas. • Os objetos grandes (ex. bola) também tem, mas como a massa é muito grande em comparação à constante de Planck, seus comprimentos de onda são extremamente pequenos e seu caráter ondulatório é desprezível. • Evidência experimental que sustentou a proposta de De Broglie: difração dos elétrons. Difração abertura Padrão de difração onda plana “Padrão de difração” de um feixe de luz depois de atravessar um orifício λ de várias partículas Partícula Massa, Kg Velocidade, m.s-1 λ, nm Elétron 9,1 x 10-31 4,0 x 106 0,18 Próton 1,7 x 10-27 2,0 x 105 2,0 x 10-3 Tartaruga 2,2 1,0 x 10-2 3,0 x 10-23 EXERCÍCIOS 1) Calcular o comprimento de onda para um homem que pese 85 kg e esteja se deslocando a 30 km.h-1. 2) Calcular o comprimento de onda de um elétron acelerado por uma ddp de 100 eV (v = 5,9 x 106 m.s-1) e para um átomo de hélio a uma temperatura de 300 K (v = 1,4 x 103 m.s-1). Dados: massa do elétron: 9,1 x 10- 31 kg massa do átomo de hélio: 6,6 x 10-27 kg J = N. m = kg.m.s-2.m = kg.m2.s-2 OS NÍVEIS ELETRÔNICOS DE ENERGIA • Bohr: conjunto de níveis de energia eletrônicas quantizadas. NÍVEL DE ENERGIA (CAMADA) • Todos os elétrons em uma mesma camada estão a uma mesma distância média do núcleo. • Designada pelo valor do número quântico principal, n. • Camada mais próxima do núcleo, n = 1, a seguinte n = 2 etc. • Pode-se utilizar letras: Letra n K 1 L 2 M 3 N 4 O... 5... SUBCAMADAS OU SUBNÍVEIS • s, p, d, f: com 1, 3, 5 e 7 orbitais respectivamente. s_ p___ d_____ f_______ • Número máximo de elétrons nos subníveis s (2) p(6) d(10) f(14) SPIN ELETRÔNICO • É uma propriedade do elétron. • Qualquer partícula com carga ou com spin apresenta momento magnético (atua como se fosse um pequeno imã). • Experiência de Stern-Gerlach: Feixe de átomos passando por uma fenda e um campo magnético. Marcas correspondente aos elétrons girando em sentidos opostos. • Ex. feixe de átomos de sódio ao passar por um campo magnético sofre desvio. Como o sódio não tem carga, desvio atribuído ao spin eletrônico. • Quando 2 elétrons estão aos pares em um mesmo orbital, seus spins estão em direções opostas (podemos imaginar sentido horário e antihorário), havendo assim uma compensação de forças magnéticas. Spin eletrônico PROPRIEDADES MAGNÉTICAS PARAMAGNETISMO comportamento de substâncias que têm um ou mais elétrons desemparelhados. são atraídas por um imã. DIAMAGNETISMO comportamento de substâncias que NÂO têm elétrons desemparelhados. não são atraídas por um imã. CONFIGURAÇÕES ELETRÔNICAS Informam em quais orbitais os elétrons de um elemento estão localizados. • DIAGRAMA DE PREENCHIMENTO: ordem de energia. • PAULI: dois elétrons com mesmo spin não podem ocupar o mesmo orbital. Wolfgang Ernst Pauli 1900 – 1958 Nobel Prize in Physics 1945 Configurações eletrônicas no estado fundamental H (Z = 1): ____ 1s ms= + ½ He (Z = 2): ____ 1s Li (Z = 3): ____ ____ 1s 2s Be (Z = 4): ____ ____ 1s 2s ms= - ½ H (Z = 1): 1s1 NOTAÇÃO ESPECTROSCÓPICA He (Z = 2): 1s2 Li (Z=3): 1s2 2s1 Be (Z = 4): 1s2 2s2 REGRA DE HUND: elétrons numa mesma subcamada tendem a permanecer desemparelhados (em orbitais separados), com spins paralelos. Friedrich Hund 1896 – 1997 C (Z = 6): ____ ____ ___ ___ ___ 1s 2s 2p A convenção cerne do gás nobre: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Z = 2, 10, 18, 36, 54, 86). He: 1s2 Demais: ns2np6 Ne (Z = 10): 1s2 2s2 2p6 Ex. Si (Z= 14) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 [Ne] 3s2 3p2 Ar (Z = 18): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 [Ar] K (Z = 19): [Ar] 4s1 Ca (Z = 20): [Ar] 4s2 (Z = 19): [Ar] 4s1 Ca (Z = 20): [Ar] 4s2 Sc (Z = 21): [Ar] 3d1 4s2 Ti (Z = 22): [Ar] 3d2 4s2 V (Z = 23): [Ar] 3d3 4s2 Cr (Z = 24): [Ar] 3d5 4s1 Mn (Z = 25): [Ar] 3d5 4s2 Fe (Z = 26): [Ar] 3d6 4s2 Co (Z = 27): [Ar] 3d7 4s2 Ni (Z = 28): [Ar] 3d8 4s2 Cu (Z = 29): [Ar] 3d10 4s1 Zn (Z = 30): [Ar] 3d10 4s2 Na seqüência de preenchimento, algumas vezes aparecerão irregularidades que podem normalmente ser explicadas pela estabilidade da subcamada semi ou totalmente preenchida. Configuração do N: 1s2 2s2 2p3 Há outras configurações eletrônicas permitidas nos orbitais ‘p’. No entanto, estas configurações possuem maior energia que o estado fundamental. Configuração no estado Fundamental (menor energia) ↑ ↑ ↑ 2p ↓ ↑ ↑ ↑↓ Ou qualquer outra variação . ↑↓ 2s ↑↓ 1s ↑
