Modelos Atômicos – Sequência Histórica

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1 Modelos Atômicos – Sequência Histórica
Modelos Atômicos devem: Explicar observações experimentais; Predizer novas observações; Ser passível de novas modificações quando novos fatos forem descobertos. Gregos Antigos: Quatro elementos (fogo, ar, terra e água) se combinariam para formar tudo na natureza; Obs: atualmente: mais de 100 elementos (111, em 2003), sendo 90 naturais. Leucipo e Demócrito (idéia filosófica): toda matéria era constituída por partículas indivisíveis denominadas átomos.

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Quanto à natureza elementar da matéria (gregos antigos): Dois pontos de discussão: Questão da partícula contínua: átomo indivisível; Termo hyler para descrever a natureza contínua da matéria Hoje: Concepção atômica da matéria (descontínua); Mas: algumas áreas da ciência: natureza têm um comportamento contínuo; Campos elétrico, gravitacional e magnético.

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Relembrando, Modelos Atômicos devem: Explicar observações experimentais; Predizer novas observações; Ser passível de novas modificações quando novos fatos forem descobertos. Sendo assim: Características do modelo atômico pressupõem que o mesmo possa evoluir ao longo do tempo

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Fim do Século XVIII: Leis Ponderais (Leis das Combinações Químicas) Lei da Conservação de Massa (Lavoisier): ‘Num sistema fechado, a massa total dos reagentes é igual a dos produtos” Lei da Composição Definida (Lei de Proust): Lei das proporções constantes (múltiplas): “Toda substância apresenta uma proporção em massa constante em sua composição”

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Neste momento, cabe um parênteses: Lei: Generalização que resume similaridades, regularidades e coerências reveladas a partir da análise cuidadosa dos dados científicos Teoria: Respostas oferecidas para elucidar o porquê das leis; Seu sucesso está na habilidade em sugerir novas propriedades ou comportamentos não observados anteriormente; Usada para previsões que podem ser testadas posteriormente, por meio de novas experiências: Novos experimentos: Concordam teoria  tornam-na mais confiável; Não concordam teoria  modifica-se ou abandona-se a teoria

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Dessa Maneira: Leis Ponderais  Teoria para explicá-las 1808: Teoria Atômica de Dalton (Modelo Atômico de Dalton): Toda matéria é constituída de partículas fundamentais, os átomos; Os átomos são permanentes e indivisíveis, eles não podem ser criados nem destruídos; Todos os átomos de um elemento específico são iguais, têm o mesmo peso; Átomos de elementos diferentes têm pesos diferentes; As reações químicas consistem em uma combinação, separação ou rearranjo de átomos; Compostos químicos são formados por átomos de dois ou mais elementos em uma razão fixa.

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Leis Ponderais à luz do modelo atômico de Dalton: Lei da Conservação das Massas: Teoria Atômica de Dalton: cada átomo tem a sua própria característica; átomos são rearranjados durante uma reação química. Consequência:: massa total dos átomos dos reagentes deve ser a mesma que a dos átomos dos produtos (Lei de Conservação das massas). Lei da Composição definida: Compostos químicos são formados por átomos de dois ou mais elementos em uma razão fixa; Todos os átomos de um elemento específico têm o mesmo peso; Toda substância apresenta uma proporção em massa constante em sua composição

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Modelo Atômico de Dalton: Elementos Químicos e Massas Atômicas Época de Dalton: conhecidos aproximadamente 30 elementos; 50 anos seguintes: 25 novos elementos; Hoje: mais de 100 elementos, dos quais 90 ocorrem naturalmente. Teoria Atômica de Dalton: Essencialmente adequada para acomodar todas essas novas descobertas; Exceção: existência dos isótopos

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Modelo Atômico de Dalton: Elementos Químicos e Massas Atômicas Teoria Atômica de Dalton: Átomos de um dado elemento têm uma massa que é característica do elemento e que não é afetada por transformações químicas; Elemento A reage com elemento B, formando composto AB: massas de A e B consumidas estão na proporção fixa 2:1; então, um átomo de A pesa o dobro do átomo de B; Elemento A reage com elemento B, formando composto A2B: então, um átomo de A pesa o mesmo que um átomo de B; Para ter confiança neste sistema: necessário conhecer as fórmulas corretas de muitos compostos; 1805 a 1860: discordância considerável entre os cientistas quanto às fórmulas corretas de muitos compostos; Culpa: Dalton e outros, que não consideravam as moléculas poliatômicas, tais como: O2, H2, N2

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Modelo Atômico de Dalton: Elementos Químicos e Massas Atômicas - Tabela de massas atômicas elaborada: -base: massa relativa dos átomos; -estabeleceu-se um padrão arbitrário: -massa de todos os átomos comparadas em relação a ele; -Hoje: utiliza-se o isótopo do carbono-12.

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A Descoberta do elétron Experimentos em Tubos de Crookes: -eletrodos do tubo são ligados a uma fonte de alta voltagem; -tubo é conectado a uma bomba de vácuo; -tubo é evacuado gradualmente por um pequeno tubo lateral; - amostra de gás colocada em seu interior. De acordo com a variação da pressão dentro do tubo, vários fenômenos são observados: - pressões próximas à atmosférica: nada parece acontecer; -pressões intermediárias: gás residual no tubo começa a emitir uma leve incandescência; -baixas pressões: -interior incandescente desaparece gradualmente; -vidro na extremidade ânodo começa a emitir uma incandescência esverdeada;

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A Descoberta do elétron Tubos de Crookes (baixas pressões): -contendo uma amostra de sulfeto de zinco; - lado da amostra voltado para o cátodo: - emite uma incandescência fosforescente; - sombra da amostra pode ser vista no ânodo no final do tubo; - exame da superfície incandescente do sulfeto de zinco: - incandescência composta de incontáveis e minúsculos flashes de luz brilhante - todos os resultados podem ser obtidos: - usando qualquer metal como eletrodo - usando qualquer gás no tubo

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A Descoberta do elétron Interpretação dos experimentos do Tubo de Crookes: -é evidente que alguma coisa deixa o cátodo e viaja para o ânodo: - denominado originalmente raio catódico; -incandescência observada no sulfeto de zinco, indica que: - raio catódico seja composto de um fluxo de minúsculas partículas; - cada vez que uma partícula individual bate na superfície do sulfeto de zinco: - um flash de luz é emitido - partículas emitidas do cátodo viajam em linha reta: - se pudessem percorrer vários caminhos em torno do sulfeto de zinco: - a sombra no ânodo na extremidade do tubo seria indefinida

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A Descoberta do elétron - pressões intermediárias: - incandescência emitida pelo gás resulta da colisão das partículas em movimento com moléculas do gás; - baixas pressões: - concentração de moléculas do gás muito baixas para produzir luz visível; - sob estas condições, muitas partículas atingem o vidro no ânodo na extremidade do tubo, causando incandescência

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A Descoberta do elétron 1887 (Físico Inglês J.J. Thomson): - mostrou que as partículas em raios catódicos são carregadas negativamente: - raios podem ser desviados se passar entre placas de metais carregados opostamente em um tubo de Crookes; - direção do desvio (para a placa carregada positivamente): - mostra que as partículas do raio catódico carregam uma carga elétrica negativa. -Hoje: - prova-se a existência desta carga negativa, mostrando o desvio destas cargas em um campo magnético; - Determinou também a razão e/m (carga por massa do elétron)

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A Descoberta do elétron Partículas que emergem do cátodo em um tubo de Crookes: Possuem sempre as mesmas propriedades; independentes do material do cátodo; conclui-se: as partículas estão presentes em toda a matéria; Atualmente: estas partículas são chamadas elétrons

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1909 (Físico Robert Millikan): - experiência da gota de óleo: - determinou a magnitude da carga negativa no elétron; - vaporizou gotas de óleo entre duas placas metálicas carregadas opostamente; - observou que tais gotículas caíam pelo ar sob influência da gravidade;

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1909 (Físico Robert Millikan): - irradiou o espaço entre as placas com raio X: - que, chocando com as moléculas do ar: -refletiam elétrons destas moléculas; -alguns elétrons eram capturados pelas gotículas de óleo. - carregando a placa superior positivamente e a inferior negativamente: - poderia parar a queda de uma gota de óleo: - ajuste da quantidade de carga elétrica nas placas; - determinaria a carga; - calcularia a dimensão da carga em uma única gotícula; - cada gotícula poderia captar apenas um número inteiro de elétrons

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1909 (Físico Robert Millikan): - repetiu o experimento várias vezes: - cada gotícula poderia captar apenas um número inteiro de elétrons - cada gotícula era carregada por um múltiplo inteiro de -1,6 x C - concluindo, dessa forma, que cada elétron possuía carga igual a -1,6 x C - Thomson: - tinha determinado razão carga-massa = 1,76 x 1011 C/kg - de posse dessa informação: - Millikan: - massa do elétron = 9,1 x gramas - Millikan mostrou: - todos os elétrons são idênticos (mesma massa e mesma carga) - Elétrons: - presentes em toda matéria; - são idênticos

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A Descoberta do próton e do Neutrôn Eugene Goldstein (1888): Tubo de Crookes modificado: colocado um cátodo perfurado; do cátodo perfurado: partem os elétrons ou raios catódicos (representados em vermelho); que se chocam com as moléculas do gás (em azul claro) contido no interior do tubo;

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A Descoberta do próton e do Neutrôn Eugene Goldstein (1888): Com o choque, as moléculas do gás perdem um ou mais elétrons: originando íons positivos (em azul escuro): que repelidos pelo ânodo; são atraídos pelo cátodo; atravessam os furos e colidem com a parede do tubo de vidro, enquanto os elétrons: são atraídos pelo ânodo e; ao colidirem com a parede de vidro do tubo produzem fluorescência.

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A Descoberta do Próton e do Neutrôn Goldstein: Chamou este fluxo de íons positivos de raio canal; pela observação da direção da deflexão do raio canal (campo magnético ou elétrico): Provou que os raios eram carregados positivamente Diferente dos elétrons de um raio catódico: Partículas de um raio canal não são todas semelhantes: Mesmo que apenas um gás puro esteja presente no tubo; Elas detêm diferentes cargas (todas múltiplas de 1,6 x C); Massas muito maiores que as de um elétron

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A Descoberta do Próton e do Neutrôn Para todos os outros elementos, excetuando o hidrogênio: massa dos seus átomos maior que a soma das massas dos seus elétrons e prótons; Durante alguns anos da década de 20: Diferença atribuída a uma outra partícula fundamental: O nêutron Mas ninguém a havia identificado 1933 (J. Chadwick): Descobriu o nêutron; Desde então: reconhecemos o nêutron como uma partícula fundamental na estrutura atômica

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A Descoberta do Próton e do Neutrôn 1933 (Descoberta do nêutron (Chadwick)): Num acelerador de partículas subatômicas: partícula alfa (núcleo átomo de hélio): lançada contra o núcleo do átomo de berílio; Na colisão: átomo de berílio adiciona a partícula alfa e transmuta-se: no elemento químico carbono-13, que por ser instável: elimina um nêutron e transmuta-se no carbono estável C-12 O nêutron eliminado, ao atravessar um campo elétrico, não sofre desvio; Conclusão: o nêutron é uma partícula que não possui carga elétrica; mas que possui massa praticamente igual a do próton.

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Espectrógrafo de Massa 1898 (Wein): observou que os raios positivos também podiam ser desviados por um campo magnético; 1913 (Thomson): aperfeiçoou o instrumento que media a carga e a massa dos raios positivos: - Método dos desvios parabólicos dos raios canais submetidos a campos elétricos e magnéticos; espectrógrafo de massas: Feixe de partículas positivas (os raios canais): Era defeltido por um campo eletromagnético; Formando curvas visíveis; Cada uma delas associada a um certo valor e/m da partícula

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Espectrógrafo de Massa 1913 (Thomson): primeiras comparações feitas por Thomson com o seu aparelho de desvios parabólicos: Muitos dos elementos pareciam obedecer ao segundo postulado de Dalton (inexistência de isótopos) produziu-se parábolas: que pareciam provir de grupos de átomos com diferentes velocidades; mas com as mesmas massas; - apenas os inconclusivos resultados com o Neônio pareciam alimentar a crença na existência dos isótopos não-radioativos;

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Espectrômetro de Massa Passos a serem seguidos: Preciso bombear o ar para fora do instrumento; Deixamos entrar na câmara: Um elemento: na forma de gás (Neônio, por exemplo); ou na forma de vapor de um elemento líquido ou sólido (mercúrio ou zinco, por exemplo); Átomos de gás ou vapor expostos a um feixe de elétrons muito rápidos: Elétron acelerado colide com um átomo: Choca-se com outro elétron, expelindo-o, deixando o átomo com carga positiva; Íons positivos: São acelerados para fora da câmara: forte campo elétrico aplicado entre as duas grades metálicas; Velocidades atingidas pelos íons: Dependem de suas massas

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Espectrômetro de Massa Íons positivos se movendo rapidamente: Passam entre os pólos de um eletroimã; Campo Magnético: Encurva a trajetória dos íons, conforme: Velocidade; Intensidade do campo; Cada íon que chega a um detector produz um sinal; O instrumento combina os sinais em um espectro de massas: Gráfico do sinal detectado contra a intensidade do campo magnético; Posições dos picos: fornecem a massa dos íons;

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Radioatividade e Partículas subatômicas Conceito de Radioatividade: Ajuda a discernir a estrutura atômica; Serve de instrumento para o estudo experimental da estrutura do átomo; Primeira observação da Radioatividade (1896): Exemplar clássico da descoberta acidental em Química; Henry Becquerel Dava continuidade às pesquisas sobre as propriedades dos Raios X: Descobertos recentemente por Wil¨helm Röentgen; Observou que tanto os raio-x quanto a luz solar induziam certos minerais à fluorescência; Descobriu que o filme fotográfico, mesmo quando acondicionado numa caixa à prova de luz: Era afetado pelos raio-X; Objetivo da pesquisa: verificar se o mineral, depois de exposto à luz, continuava a emitir algum tipo de radiação: Igual aos raios-X que sensibilizavam o material fotográfico

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Radioatividade e Partículas subatômicas Henry Becquerel Num dia nublado: suspendeu as suas experiências; Guardou a amostra de óxido de urânio em uma gaveta que continha algumas placas fotográficas; Composto de urânio: escureceu as placas; Apesar de as placas estarem cobertas com um material opaco Percebeu que o composto de urânio devia estar emitindo algum tipo de radiação. Marie Slodowska Curie: Mostrou que a radiação, que ela chamava de radioatividade: Era emitida pelo Urânio, independentemente do composto em que ele estava; Concluiu: que os átomos de Urânio eram a fonte da radiação; Juntamente com Pierre, seu marido, concluiu ainda: tório, rádio e polônio também eram radioativos

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Radioatividade e Partículas subatômicas Apesar das descobertas de Curie e Becquerel: A origem da radiação foi inicialmente um mistério; Existência dos núcleos atômicos desconhecida até o momento; 1898 (Ernest Rutheford): Deu o primeiro passo para a descoberta da origem da radiação: Ao observar o efeito do campo elétrico sobre emissões radioativas: Identificou três tipos de radiação:  (alfa): - constituída de partículas contendo, cada uma: - duas unidades de carga positiva; - massa quatro vezes a massa do átomo de hidrogênio  (beta): - simplesmente uma corrente de elétrons;  (gama): - radiações eletromagnéticas extremamente penetrantes; - de comprimento de onda muito curto.

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Modelo Atõmico de Thomson A partir de 1890: Ficou evidente para a maioria dos cientistas: Átomos consistem uma parte carregada positivamente e alguns elétrons; Mas isto não estava plenamente claro. Persistia a pergunta: De que os átomos são constituídos? 1898 (Thomson) Sugeriu: átomo poderia ser uma esfera carregada positivamente; Na qual alguns elétrons estão incrustados o que facilitaria a fácil remoção de elétrons dos átomos. Modelo “pudim de ameixas”

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O Átomo Nuclear de Rutherford Período de 1909 a 1911: Rutherford, H. Geiger e EMarsden: Desenvolveram engenhosa experiência para estudar o interior do átomo: Focalizando um raio de partículas alfa numa folha fina de metal: Observaram o efeito deste projéteis de alta velocidade: À medida que eram projetados na folha de metal; Resultado: maioria das partículas alfa: -Passava direto pela folha de metal; -podendo ser detectadas, conforme atingiam uma tela fluorescente ocasionalmente: - esses projéteis de alta velocidade eram desviados; - voltando, algumas vezes, diretamente à fonte

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O Átomo Nuclear de Rutherford Análise da Experiência de Rutherford, Geiger e marsden (À Luz do modelo de Thomson): Não causou espanto Maioria das partículas alfa atravessarem em linha reta a folha metálica: Com pouca ou nenhuma deflexão; Raciocínio: massas e cargas elétricas positiva e negativa: - espalhadas ao acaso através de cada átomo na folha Essa distribuição difusa poderia significar: Nada seria muito sólido que impedisse uma partícula alfa de passar; Carga positiva carregada pela partícula alfa: -não seria influenciada por nenhuma concentração alta de: - carga positiva ou negativa localizada na folha Problema: como os maiores desvios experimentados pelas partículas alfa poderiam ser explicados?

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O Átomo Nuclear de Rutherford Grande Questão: Como os maiores desvios experimentados pelas partículas alfa poderiam ser explicados? Rutherford, buscando a resposta: Retomou idéia proposta em 1904 pelo físico Japonês H. Nagaoka; Átomo poderia ser composto por um pequeníssimo núcleo carregado positivamente (no centro do átomo); Rodeado por uma região comparativamente maior: contendo os elétrons Argumentou que só ocorreria o desvio de uma partícula alfa: Se ela se aproximasse do núcleo maciço, compacto e positivamente carregado; E, aproximando bastante, experimentariam grandes desvios;

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O Átomo Nuclear de Rutherford Rutherford, buscando a resposta: Reconheceu: Resultados de Geiger-Marsden: não serviriam para distinguir entre um núcleo carregado positivamente e um carregado negativamente; Núcleo negativo pesado: poderia também provocar deflexões grandes; Admitiu que o núcleo era positivo: Por saber que os elétrons têm massas relativamente baixas; Se um núcleo fosse constituído por elétrons: Uma partícula alfa mais provavelmente removeria o núcleo do átomo ao invés de se desviar

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O Átomo Nuclear de Rutherford Mis do que admitir que o núcleo era positivo: Resultados de Geiger-Marsden: serviu para estimar que: Maior parte da massa do átomo responsável pelos desvios: - estaria dentro de uma região 1/10000 do diâmetro do átomo todo.

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