Professora Paula Melo Silva

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1 Professora Paula Melo Silva
1.2. Energia dos eletrões nos átomos

2 ENERGIA DE REMOÇÃO ELETRÓNICA
A energia dos eletrões nos átomos inclui o efeito das atrações entre os eletrões e o núcleo, por as suas cargas serem de sinais contrários, e das repulsões entre os eletrões, por as suas cargas serem do mesmo sinal.

3 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Como se caracterizam os eletrões no átomo segundo o modelo quântico? Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica John Dalton Ernest Rutherford Demócrito Joseph Thomson Niels Bohr

4 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
De Broglie defendeu uma associação onda-partícula para as características da matéria. Alegou que se uma radiação eletromagnética tem propriedades de partícula (fotão de Einstein), então os eletrões considerados partículas também deveriam ter propriedades de onda.

5 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Uma das descobertas científicas que mais abalaram a comunidade científica de meados do século XX foi o Princípio da Incerteza de Heisenberg. De acordo com este princípio, é impossível determinar, simultaneamente e com exatidão, a posição e a energia do eletrão em torno do núcleo do átomo. Como consequência, o eletrão não podia movimentar-se numa órbita regular. Surge, assim, o conceito de orbital em substituição do de órbita.

6 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Orbital é a região do espaço, em torno do núcleo, onde existe grande probabilidade de encontrar o eletrão com uma determinada energia. Apesar de a noção de nível de energia, n, previsto pelo modelo de Bohr, se manter, a evolução do conhecimento científico a partir desse modelo levou à necessidade de alterações e ao aparecimento de um novo modelo atómico: o modelo quântico ou modelo da nuvem eletrónica ou modelo da orbital.

7 Para se conhecer a energia de cada eletrão num átomo recorre-se à espetroscopia fotoeletrónica.
Esquema representativo da técnica de espetroscopia fotoeletrónica.

8 VALORES DAS ENERGIAS DE REMOÇÃO ELETRÓNICA PARA UM ÁTOMO POLIELETRÓNICO

9 ESPETRO FOTOELETRÓNICO
A altura de cada pico é proporcional ao número de eletrões em cada nível ou subnível de energia. A posição de cada pico indica o valor da energia de remoção dos eletrões.

10 O espetro fotoeletrónico evidencia dois picos (dois valores diferentes de energia de remoção), logo os eletrões do lítio, no estado fundamental distribuem-se por dois níveis de energia.

11 Como a altura do pico corresponde ao número relativo de eletrões em cada nível de energia é também possível concluir que o primeiro nível de energia comporta mais eletrões que o nível de energia seguinte.

12 O espetro fotoeletrónico para o átomo de berílio também evidencia dois valores diferentes de energia de remoção, logo os 4 eletrões do berílio, no estado fundamental deverão distribuir-se por dois níveis de energia.

13 Como os dois picos têm uma altura semelhante, o número de eletrões em cada nível deve ser igual.

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15 TABELA II – DADOS DE ESPETROSCOPIA FOTOELETRÓNICA PARA OS ELEMENTOS QUÍMICOS DE NÚMERO ATÓMICO 1 ATÉ 12, EM MJ mol–1. Os valores de energias de remoção eletrónicas, obtidos por espetroscopia fotoeletrónica, permitem concluir que átomos de elementos diferentes têm valores diferentes da energia dos eletrões.

16 TABELA II – DADOS DE ESPETROSCOPIA FOTOELETRÓNICA PARA OS ELEMENTOS QUÍMICOS DE NÚMERO ATÓMICO 1 ATÉ 12, EM MJ mol–1. Do carbono ao néon, o aumento do número de eletrões está de acordo com o aumento da altura do terceiro pico do carbono para o néon, ou seja, cada eletrão que é adicionado vai ocupar o último subnível de energia.

17 Os 11 eletrões do átomo de sódio distribuem se por 3 níveis de energia, com o segundo nível desdobrado em 2 subníveis. O 11.º eletrão ocupa um novo nível de energia superior. As alturas dos picos correspondentes aos subníveis do segundo nível de energia são diferentes. O segundo subnível de energia comporta três vezes mais eletrões que o subnível de energia anterior, ou seja, seis eletrões.

18 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Configuração eletrónica dos átomos Energia (eV) 11 Na 5,2 47,4 71,4 99,1 138,6 172,5 208,9 264,7 300,4 1467,6 1651,5 o primeiro eletrão a ser removido do átomo apenas necessita de 5,2 eV – 1.ª energia de ionização – OG 101 os oito eletrões seguintes exigem valores muito superior, aproximadamente, uma ordem de grandeza a cima (47,4 eV a 300,4 eV) – OG 102 os dois últimos eletrões a serem removidos exigem ainda mais energia, outra ordem de grandeza acima (1467,6 eV a 1651,5 eV) – OG 103 3 níveis de energia

19 MODELO QUÂNTICO DO ÁTOMO
Louis de Broglie (1892 – 1987) Broglie propôs, em 1924, que o eletrão tem um comportamento ondulatório quando se move em torno do núcleo de um átomo, o que viria a ser comprovado experimentalmente, poucos anos depois, por C. Davisson e L. H. Germer.

20 MODELO QUÂNTICO DO ÁTOMO
Werner Heisenberg (1901 – 1976) Heisenberg formulou, em 1925, o chamado Princípio da Incerteza de Heisenberg, segundo o qual é impossível conhecer simultaneamente e com exatidão a posição e a velocidade de uma partícula subatómica.

21 MODELO QUÂNTICO DO ÁTOMO
Erwin Schrodinger (1887 – 1961) Em 1926, formulou a chamada equação de Schrödinger para proceder ao cálculo das funções de onda e, consequentemente, descrever o comportamento e as energias de partículas subatómicas num espaço restrito.

22 MODELO QUÂNTICO DO ÁTOMO
De acordo com o modelo quântico, a nuvem eletrónica representa a distribuição da densidade dos eletrões à volta do núcleo atómico, correspondendo as regiões mais densas a maior probabilidade de aí encontrar eletrões. Representação da probabilidade de encontrar o eletrão numa dada região do espaço: (a) nuvem eletrónica (orbital); (b) curva de probabilidade.

23 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Espetroscopia fotoeletrónica Existem tantos valores de energias de remoção quanto o número de subníveis.

24 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Arnold Sommerfeld associou o conceito de subnível à forma da orbital. Diferentes subníveis de energia admitem diferentes formas das orbitais. Descobriu também a existência de várias orientações no espaço possíveis para o movimento do eletrão. A cada orientação correspondem diferentes orbitais dentro de um mesmo subnível.

25 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Arnold Sommerfeld associou o conceito de subnível à forma da orbital. Diferentes subníveis de energia admitem diferentes formas das orbitais. Descobriu também a existência de várias orientações no espaço possíveis para o movimento do eletrão. A cada orientação correspondem diferentes orbitais dentro de um mesmo subnível.

26 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Arnold Sommerfeld associou o conceito de subnível à forma da orbital. Diferentes subníveis de energia admitem diferentes formas das orbitais. Descobriu também a existência de várias orientações no espaço possíveis para o movimento do eletrão. A cada orientação correspondem diferentes orbitais dentro de um mesmo subnível.

27 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Repare que o número de orbitais possível é sempre um número ímpar consecutivo até um máximo de 7 orbitais. Orbitais de um mesmo subnível, como acontece nos subníveis p, d e f, têm a mesma energia e, por isso, designam-se por orbitais degeneradas.

28 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Em cada orbital só podem existir, no máximo, dois eletrões com spins opostos – Princípio de Exclusão de Pauli.

29 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
Para se caracterizar a posição do(s) eletrão(ões) à volta do núcleo de um átomo é necessário caracterizar os seguintes conceitos: nível de energia, subnível de energia, orientação da orbital e spin. Estes serão considerados no estabelecimento da distribuição eletrónica.

30 2.4. Modelo quântico do átomo e configuração eletrónica
A forma como os eletrões se distribuem nos seus níveis e subníveis designa-se por configuração eletrónica. A configuração eletrónica mais estável para um elemento é aquela que apresenta os seus eletrões em posições de menor energia (estado fundamental). Num átomo os vários eletrões vão ocupando os diferentes subníveis e orbitais por ordem crescente de energia – Princípio da Construção.

31 Orbital atómica é a função de onda que é a solução da equação de Schrödinger e que representa a distribuição no espaço de um eletrão no modelo quântico do átomo. Orbital s: Diagrama de pontos para a densidade eletrónica das orbitais s (A) e superfície tridimensionais que representam as orbitais atómicas (B). Orbital p: Diagrama de pontos para a densidade eletrónica das orbitais p (A) e superfícies tridimensionais que representam as orbitais atómicas (B).

32 Orbital atómica é a função de onda que é a solução da equação de Schrödinger e que representa a distribuição no espaço de um eletrão no modelo quântico do átomo. Orbital d: Superfícies tridimensionais que representam as orbitais atómicas d.

33 SPIN ELETRÓNICO O spin é uma propriedade quantizada do eletrão, além da sua massa e carga, que permite dois estados diferentes. Experiência que permitiu demonstrar a existência do movimento angular intrínseco dos eletrões. Movimento de rotação eletrónica (spin).

34 CONFIGURAÇÃO ELETRÓNICA DOS ÁTOMOS
Princípio de Exclusão de Pauli Cada orbital só pode ser ocupada, no máximo, por dois eletrões, emparelhados, isto é, com spins opostos. Espetros obtidos por espetroscopia fotoeletrónica do átomo de carbono (A) e do átomo de néon (B). Em átomos polieletrónicos todas as orbitais de um mesmo subnível np, ou nd, têm exatamente a mesma energia e são designadas orbitais degeneradas.

35 Princípio de Construção ou de Aufbau
Os eletrões distribuem-se pelas orbitais por ordem crescente de energia. Ordem de preenchimento das orbitais atómicas.

36 Princípio de Construção ou de Aufbau
1H – 1s1 3Li – 1s2 2s1 6C – 1s2 2s2 2p2 19K – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 20Ca – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 22Ti – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2

37 CONFIGURAÇAO ELETRÓNICA EXEMPLO
A distribuição dos eletrões pelas orbitais atómicas pode ser apresentada de diversas formas: CONFIGURAÇAO ELETRÓNICA EXEMPLO • Pela escrita das orbitais realizada por ordem crescente de energia e o número de eletrões em cada subnível figura como expoente. Mg - 1s2 2s2 2p6 3s2 • Pela representação abreviada ou concisa em que o cerne do átomo é representado pelo gás nobre imediatamente anterior entre parêntesis retos, evidenciando-se depois os eletrões mais externos que determinam as suas propriedades. Mg - [Ne] 3s2

38 CONFIGURAÇAO ELETRÓNICA EXEMPLO
• Pela representação das orbitais como caixas e os eletrões que as ocupam como setas orientadas para cima ou para baixo. Os sentidos opostos das setas traduzem o facto de os eletrões de uma orbital possuírem diferentes estados de spin. • Num diagrama de energias das orbitais, com a vantagem de se poder visualizar a diferença de energia que existe entre os diversos níveis e subníveis eletrónicos para o átomo em causa.

39 Regra de Hund A distribuição mais favorável dos eletrões por orbitais degeneradas é aquela que conduz à obtenção do número máximo de spins paralelos. ELETRÕES DE VALÊNCIA - Eletrões do último nível de energia.

40 Síntese de conteúdos M9 Orbital é a zona do espaço em torno do núcleo do átomo onde existe maior probabilidade de encontrar o eletrão. Nuvem eletrónica é a representação da densidade da distribuição de eletrões à volta do núcleo, correspondendo às regiões mais densas a maior probabilidade de aí encontrar eletrões. O nível de energia está associado ao tamanho da orbital e à energia dos eletrões, sendo que a um maior valor de n corresponde um maior valor de energia e uma maior distância eletrão-núcleo. O subnível de energia está associado à forma da orbital. A orbital do tipo s possui forma esférica, as 3 orbitais do tipo p possuem a forma de lóbulos simétricos e as 5 orbitais do tipo d possuem formas diversificadas. Orbitais degeneradas (com a mesma energia) pertencem a um mesmo subnível. São exemplo as orbitais px py pz

41 Síntese de conteúdos M9 O spin está associado ao sentido de orientação do eletrão em torno do núcleo. Em cada orbital preenchida, os dois eletrões possuem sentidos de rotação opostos. A forma como os eletrões se distribuem nos seus níveis e subníveis designa-se por configuração eletrónica. A distribuição dos eletrões terá de obedecer: ao Princípio da Construção: num átomo polieletrónico os vários eletrões vão ocupando os diferentes subníveis, por ordem crescente de energias; orbitais de um mesmo subnível (np ou nd) possuem a mesma energia. A ordem apresentada para a configuração eletrónica, por ordem crescente de energia, é: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d…

42 Síntese de conteúdos M9 ao Princípio de Exclusão de Pauli: cada orbital apenas pode conter no máximo dois eletrões, com spins opostos; à Regra de Hund: no preenchimento das orbitais com igual energia (degeneradas) distribui-se em primeiro lugar um eletrão por cada orbital, de modo a ficarem com o mesmo spin, e só depois se completa o preenchimento das orbitais, com eletrões de spins opostos.