Modelos Atômicos e Partículas Subatômicas

A preocupação com a constituição da matéria nasceu por volta do século V a.C. na Grécia. Alguns filósofos gregos acreditavam que toda matéria era formada por quatro elementos: água, terra, fogo e ar, que eram representados por:

Constituição da matéria século V a.C.

Constituição da matéria século V a.C.

 

A estes elementos foram atribuídas “qualidades”: quente, frio, seco e úmido.

Qualidades dos elementos

Qualidades dos elementos

 

Tudo na natureza seria formado pela combinação desses quatro elementos em diferentes proporções. Por volta de 400 a.C., os filósofos Leucipo e Demócrito elaboraram uma ideia filosófica (não científica) segundo a qual toda matéria era constituída por pequenas partículas indivisíveis, denominadas átomos (que em grego significa “indivisível”).

Para eles, toda a natureza era formada por átomos e vácuo.

No final do século XVIII, Lavoisier e Proust realizaram experiências relacionando as massas dos participantes das reações químicas, dando origem às Leis das combinações químicas (Leis ponderais).

A primeira delas, a Lei da conservação da massa, elaborada por Lavoisier, é enunciada da seguinte maneira:

Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.

Ao realizar vários experimentos, Lavoisier concluiu que:

Num sistema fechado, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos.

A    +    B    →    X   +    Y

mA        mB         mx        my

mA + mB = reagentes

mx my = produtos

Proust, por meio da análise de substâncias puras, determinou que sua composição em massa era independente de seu processo de obtenção e enunciou a segunda lei ponderal, a Lei das proporções constantes.

Toda substância apresenta uma proporção em massa constante em sua composição.

Vejamos um exemplo:

                                                  Carbono          +            Hidrogênio          →              Etano

Experiência I:

24g

6g

30g

Experiência II:

48g

12g

60g

Proporção:

4

1

5

Em 1808, John Dalton propôs uma teoria para explicar essas leis ponderais, denominada teoria atômica, criando o primeiro modelo atômico científico, em que o átomo seria maciço e indivisível.

A teoria atômica pode ser assim resumida:

1) “Os átomos são partículas muito pequenas, maciças e indivisíveis”

2) “Os átomos de um mesmo elemento são idênticos em massa e em todas as outras propriedades”

3) “Diferentes elementos são constituídos de diferentes tipos de átomos, de massas diferentes.”

4) “Os átomos são indestrutíveis, e as reações químicas não passam de reorganizações desses átomos.”

5) “Em uma combinação química, os átomos unem-se entre si em várias proporções, mas conservando suas respectivas massas.”

Simultaneamente aos trabalhos de Dalton se desenvolvia o estudo sobre a natureza elétrica da matéria, feito no início do século XIX pelo físico italiano Volta, que criou a primeira pilha elétrica.

Isto permitiu a Humphry Davy descobrir dois novos elementos químicos: o sódio (Na) e o potássio (K). A partir disso, foram intensificados os trabalhos com a finalidade de associar a eletricidade aos átomos.

Em 1874, Stoney admitiu que a eletricidade estava associada aos átomos em quantidades discretas e, em 1891, deu o nome de elétron para a unidade de carga elétrica negativa.

A Descoberta do Elétron

Com a finalidade de estudar a condução elétrica em gases, a baixas pressões, os cientistas Geissler e Crookes desenvolveram dispositivos denominados tubos de raios catódicos, semelhantes ao representado a seguir:

Descoberta do elétron

Descoberta do elétron

 

No seu interior, existia um gás rarefeito ( P ~ 10-2 atm), ao qual era aplicada uma ddp de aproximadamente 104 volts. Nestas condições, observa-se a formação de um feixe luminoso que parte do cátodo, e que foi denominado de raios catódicos.

Raios catódicos

Raios catódicos

 

Logo verificou-se que os raios catódicos se propagavam em linha reta.

Ampola de Crookes

Ampola de Crookes

 

No final do século XIX, Thomson, utilizando uma aparelhagem semelhante, demonstrou que esses raios poderiam ser considerados como um feixe de partículas carregados negativamente, uma vez que eram atraídos pelo pólo positivo de um campo elétrico externo e independiam do gás contido no tubo.

Thomson concluiu que essas partículas negativas deveriam fazer parte dos átomos componentes da matéria, sendo denominados elétrons. Após isto, propôs um novo modelo científico para o átomo.

Modelo de Thomson

Modelo de Thomson

 

Thomson propôs que o átomo era maciço, esférico, formado por um fluido positivo, no qual os elétrons estavam dispersos, sendo eletricamente neutros. Thomson associou o seu modelo a um “pudim de passas”, em 1897.

A Descoberta do Próton

Em 1886, Goldstein, provocando descargas elétricas num tubo a pressão reduzida (10 mmHg) e usando um cátodo perfurado, observou a formação de um feixe luminoso (raios canais) no sentido oposto aos raios catódicos e determinou que esses raios eram constituídos por partículas positivas.

Descoberta do próton

Descoberta do próton

 

Os raios canais variavam em função do gás contido no tubo. Quando o gás era hidrogênio, obtinham-se raios com partículas de menor massa, as quais foram consideradas as partículas fundamentais, com carga positiva, e denominadas prótons pelo seu descobridor, Rutherford, em 1904.

A descoberta da Radioatividade

Em 1895, Röentgen, realizando experimentos em que utilizava gases altamente rarefeitos em uma ampola de Crookes, descobriu acidentalmente que, a partir da parte externa do tubo, eram emitidos raios que conseguiam sensibilizar chapas fotográficas. Ele denominou esses raios (ondas eletromagnéticas de origem desconhecida) de raios X.

Isso possibilitou que, em 1896, Becquerel descobrisse a radioatividade e a descoberta do primeiro elemento capaz de emitir radiações semelhantes ao raio X: o urânio.

Logo a seguir o casal Curie descobriu dois outros elementos radioativos: o polônio e o rádio.

Com a finalidade de estudar as radiações emitidas pelos elementos radioativos, foram realizados vários tipos de experimentos, dentre os quais o mais conhecido é o representado a seguir, em que as radiações são submetidas a um campo eletromagnético externo.

Descoberta dos raios X

Descoberta dos raios X

 

A Experiência de Rutherford

Na primeira década do século XX, dentre as inumeráveis experiências brilhantes realizadas por Ernest Rutherford e seus colaboradores, uma se tornou célebre, mostrando que o modelo proposto por Thomson era incorreto.

A experiência consistiu em bombardear uma fina folha de ouro com partículas positivas e pesadas, chamadas α, emitidas por um elemento radioativo chamado polônio.

Experiência de Rutherford

Experiência de Rutherford

 

Rutherford observou que:

a) a maior parte das partículas α passaram pela folha de ouro sem sofrer desvios (A) e sem alterar a sua superfície;

b) algumas partículas α se desviaram (B) com determinados ângulos de desvio;

c) poucas partículas não atravessaram a folha de ouro e voltaram (C).

O modelo de Rutherford

A experiência da “folha de ouro” foi o marco decisivo no aparecimento de um novo modelo atômico, mais satisfatório, que explicava melhor uma série de fatos observados.

O átomo deve ser constituído por duas regiões:

a) um núcleo, pequeno, positivo e possuidor de praticamente toda a massa do átomo.

b) uma região negativa, praticamente sem massa, que envolveria o núcleo. A essa região se deu o nome de eletrosfera.

Modelo de Rutherford

Modelo de Rutherford

 

Vamos relacionar o modelo de Rutherford com os resultados de sua experiência.

A ideia de um núcleo pequeno justifica o grande número de partículas que atravessam a folha de ouro sem sofrer desvio.

Além de pequeno, o núcleo deve ser positivo, o que justifica as poucas partículas α (positivas) que se desviam. Esses desvios ocorrem por repulsão entre a partícula α e o núcleo, ambos com cargas elétricas de mesmo sinal. A análise dos ângulos deu preciosas informações que foram posteriormente usadas em várias determinações desse mesmo núcleo.

Esse modelo de átomo nucleado justifica também as poucas partículas a que não atravessam a folha de ouro e voltam impedidas pela grande massa concentrada (o núcleo).

Com a experiência de Rutherford, ficou demonstrado que o átomo é constituído em grande parte pelo vazio; ele é descontínuo. Um pequeno núcleo que concentra praticamente toda a massa e uma grande eletrosfera muito difusa e praticamente sem massa.

Temos aí, numa rápida abordagem, o que é um modelo, o que é uma experiência e que significado eles têm para a Ciência.

A descoberta do nêutron

Estudos posteriores permitiram perceber que no núcleo do átomo deveriam existir mais do que uma carga positiva (próton). Entretanto, isso comprometeria a estabilidade do núcleo, pois entre os prótons existiria repulsão, o que provocaria a desintegração do núcleo.

Rutherford passou a admitir a existência de partículas sem carga elétrica e com massa semelhante à dos prótons, que teriam a finalidade de diminuir a repulsão entre eles.

Essas partículas foram descobertas, em 1932, por Chadwick, que as denominou nêutrons.

Assim, o modelo clássico passou a ser representado por:

Modelo atômico clássico

Modelo atômico clássico

 

O Modelo Atômico Clássico

Essa ideia muito se assemelha à do sistema solar. O núcleo seria o sol e as partículas da eletrosfera, os planetas.

Esse sistema mostrou ser constituído por 3 partículas fundamentais:

Núcleo = prótons (p) + nêutrons (n)

Eletrosfera = elétrons (e)

E que o raio do núcleo é cerca de 10.000 vezes menor que o raio do átomo.

Algumas características físicas das partículas atômicas fundamentais:

Elétron tem carga negativa (- 1) e possui massa relativa igual a 1/1836, ou seja, praticamente zero. Próton tem carga positiva (+ 1) e possui passa relativa igual a 1. Nêutron não tem carga (0) e possui massa relativa igual a 1.

É a diferente quantidade de partículas formadoras dos átomos que ocasiona as diferenças entre eles.

O número de prótons de um átomo é a sua característica mais importante. Diferenças de números de prótons dão diferenças químicas entre átomos.

O número de nêutrons constitui característica de importância relativa. Diferença somente no número de nêutrons, por exemplo, não conduz a diferenças químicas entre os átomos.

O Número Atômico (Z)

Em 1913, ao realizar experimento com vários elementos químicos com raios X, Moseley percebeu que o comportamento de cada elemento químico estava relacionado com a quantidade de cargas positivas existentes no núcleo.

Assim, a carga nuclear, ou número de prótons, caracteriza cada elemento, sendo denominado número atômico e é representado pela letra Z.

Número atômico (Z) indica o número de prótons presentes no núcleo de cada átomo.

O átomo de cálcio (Ca) contém no seu núcleo 20 prótons; logo, seu número atômico (Z) é igual a 20. Ca (Z=20), ou seja, p = 20.

Como um átomo é um sistema eletricamente neutro, se conhecermos o seu número atômico, teremos então duas informações: o número de prótons e o número de elétrons.

Prótons = Elétrons

Ca

Z = 20

p = 20

e = 20

Íons

Os átomos podem perder ou ganhar elétrons, originando novos sistemas, carregados eletricamente: os íons.

Nos íons, o número de prótons é diferente do número de elétrons

íons → p ≠ e

Os átomos, ao ganharem elétrons, originam íons negativos, os ânions, e, ao perderem elétrons, originam íons positivos, os cátions.

Cátions (íons positivos)

Num cátion, o número de prótons é maior que o número de elétrons.

Vamos relacionar o átomo de sódio (Na) com o seu cátion monovalente (Na+):

Na (Z = 11)

p = 11 → 11 cargas positivas = + 11

e = 11 → 11 cargas negativas = -11

carga elétrica total = zero

Na+ (Z = 11)

p = 11 → 11 cargas positivas = + 11

e = 10 → 10 cargas negativas = -10

carga elétrica total = + 1

Ânions (íons negativos)

Num ânion, o número de prótons é menor que o número de elétrons.

Vamos relacionar o átomo de enxofre (S) com seu ânion bivalente (S2-):

S (Z = 16)

p = 16 → 16 cargas positivas = + 16

e = 16 → 16 cargas negativas = -16

carga elétrica total = zero

S2- (Z = 16)

p = 16 → 16 cargas positivias = + 16

e = 16 → 18 cargas negativas = -18

carga elétrica total = – 2

O Elemento Químico

É o conjunto de átomos e íons do mesmo número atômico. A cada número atômico corresponde um e um único elemento químico. Há uma relação biunívoca.

Número Atômico = Elemento Químico

A cada elemento químico atribui-se um nome; a cada nome corresponde um símbolo e, consequentemente, a cada símbolo corresponde um número atômico.

Sódio (Na) Z = 11

Chumbo (Pb) Z = 82

Ferro (Fe) Z = 26

Enxofre (S) Z = 16

Urânio (U) Z = 92

Cromo (Cr) Z = 24

Cloro (Cl) Z = 17

O Número de Massa

Uma outra diferença entre átomos é o número total de prótons e nêutrons. O número de prótons somado ao número de nêutrons é chamado número de massa e é representado pela letra A.

Número de massa (A) é o número de prótons mais o número de nêutrons.

Vejamos alguns exemplos:

Cl [ p = 17; n = 18; e = 17 ]

Z = 17

A = p + n

A = 17 + 18

A = 35

K [ p = 19; e = 19 ]

Z = 19

A = 40

A = n + Z

n = A – Z = 40 – 19 = 21

Uma maneira de representar o número atômico (Z) e o número de massa (A) para os átomos é:

Número de massa (A) do lado esquerdo e Número atômico (Z) do lado esquerdo

Número de massa (A) do lado esquerdo e Número atômico (Z) do lado esquerdo

ou

Número de massa (A) do lado direito e Número atômico (Z) do lado esquerdo

Número de massa (A) do lado direito e Número atômico (Z) do lado esquerdo

Assim:

Número de massa (A) Neônio e Número atômico (Z) Neônio

Número de massa (A) Neônio e Número atômico (Z) Neônio

p = 10; e = 10

A – Z = n

21 – 10 = n

n = 11

Resumo Sobre Modelos Atômicos e Partículas Fundamentais

Modelo atômico de Dalton (1808) → Átomos como esferas maciças indivisíveis. Átomos diferentes tinham massa diferente.

Representação de moléculas no modelo de Dalton:

Modelo atômico de Thomson (1898) → Modelo do pudim de passas (ou panetone) baseado no experimento dos tubos catódicos. Átomos tendo parte da massa positiva e partículas negativas incrustadas.

Representação do modelo de Thomson:

Modelo atômico de Rutherford (1911) → Átomo dividido em núcleo e eletrosfera baseado no experimento de bombardeamento da folha de ouro.

Modelo nuclear ou planetário de Rutherford:

Modelo atômico de Bohr (1913) → Quantização da energia. Elétrons em níveis de energia. Absorção e emissão de energia na forma de luz.

Partículas Subatômicas:

Número atômico (Z): é igual ao número de prótons de um átomo.

Número de massa (A): é a soma de prótons e nêutrons (N) do núcleo dos átomos.

Átomo neutro: número de prótons igual ao número de elétrons (E).

Íon: átomo com carga elétrica. Ânion é íon negativo. Cátion é íon positivo.

Representação de um elemento:

A = Z + N

Q = P – E

Exercícios de Sala

1. Um átomo de urânio (U) tem número atômico (Z) 92 e número de massa (A) = 238.

p =

e =

n =

2. Determinado elemento é caracterizado por átomos de número atômico 18 e número de massa 40. Portanto, átomos neutros desse elemento contém:

a) 40p, 18n, 40e

b) 18p, 40n, 18e

c) 40p, 22n, 40e

d) 22p, 18n, 22e

e) 18p, 22n, 18e

3. Considere a representação

Número de massa (A) Lítio e Número atômico (Z) Lítio

Número de massa (A) Lítio e Número atômico (Z) Lítio

O átomo assim representado apresenta:

a) Prótons =

b) Nêutrons =

c) Elétrons =

d) Número de partículas nucleares =

e) Número de partículas na parte da periferia do átomo =

f) Número de partículas com carga elétrica positiva =

g) Número de partículas com carga elétrica negativa =

h) Número de partículas sem massa =

i) Número de partículas fundamentais que formam um átomo desse elemento =

4. Um dos principais poluentes atmosféricos é o monóxido de carbono (CO). Determine o número de prótons, nêutrons e elétrons presentes em uma molécula deste poluente.

Dados:

números atômicos: C = 6; O = 8

número de massa: C = 12; O = 16

5. Quantos prótons, nêutrons e elétrons apresentam os íons:

a)

Íon Urânio

Íon Urânio

p =

n =

e =

b)

Íon Fósforo

Íon Fósforo

p =

n =

e =

6. Qual o número atômico e o número de massa de um íon monoatômico com carga +3, contendo 23 elétrons e 30 nêutrons?

7. Qual o número atômico e o número de massa de um íon monoatômico com carga -2, contendo 10 elétrons e 8 nêutrons?

8. Indique o número de prótons, nêutrons e elétrons presentes nos íons que seguem:

Dados:

Hidrogênio

Hidrogênio

 

Oxigênio

Oxigênio

Fósforo

Fósforo

a) H3O+

p =

n =

e =

b) PO43-

p =

n =

e =

Oi, Me Chamo Elen Pereira e Quero Te Ajudar Com a QUÍMICA Para CONCURSOS!

Elen Pereira

Produtora de materiais didáticos específicos para estudantes que estão se preparando para concursos públicos que cobram química no edital.

Website: https://quimicaparaconcursos.com

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado.