RESUMO TEÓRICO DE QUÍMICA DO ENSINO MÉDIO - TÓPICO 1: ATOMÍSTICA

Blog “Ciências Exatas Contemporâneas”, de autoria de Superdotado Álaze Gabriel.

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Estrutura atômica

Cronologia

450 a.C. - Leucipo

A matéria pode se dividir em partículas cada vez menores.

400 a.C. - Demócrito

Denominação átomo para a menor partícula de matéria. Considerado o pai do atomismo grego.

60 a.C. - Lucrécio

Autor do poema De Rerum Natura, através do qual foi consolidado o atomismo de Demócrito.

1661 - Boyle

Autor do livro Sceptical chemist, no qual defendeu o atomismo e deu o primeiro conceito de elemento com base experimental.

1808 - Dalton

Primeiro modelo atômico com base experimental. O átomo é uma partícula maciça e indivisível. O modelo vingou até 1897.

1834 - Faraday

Estudo quantitativo de eletrólise, através do qual surgiu a idéia da eletricidade associada aos átomos.

1859

Primeiras experiências de descargas elétricas em gases a pressão reduzida (ao redor de 10 mmHg). Descoberta dos "raios" posteriormente chamados catódicos.

1874 - Stoney

Admitiu que a eletricidade estava associada aos átomos em quantidades discretas. Primeira idéia de quantização da carga elétrica.

1879 - Crookes

Primeiras experiências de descarga elétrica a alto vácuo.

1886 - Goldstein

Descargas elétricas em gases a pressão reduzida com cátodo perfurado. Descoberta dos raios canais ou positivos.

1891 - Stoney

Deu o nome de elétron para a unidade de carga elétrica negativa.

1895 - Röentgen

Descoberta dos raios X.

1896 - Becquerel

Descoberta da radioatividade.

1897 - Thomson

Descargas elétricas em alto vácuo (tubos de Crookes) levaram à descoberta do elétron. O átomo seria uma partícula maciça, mas não indivisível. Seria formado por uma geléia com carga positiva, na qual estariam incrustados os elétrons (modelo do pudim de passas). Determinação da relação carga/massa (e/m) do elétron.

1898 - Casal Curie

Descoberta do polônio e do rádio.

1900 - Max Planck

Teoria dos quanta.

1905 - Einstein

Teoria da relatividade. Relação entre massa e energia (e = mc²). Esclarecimento do efeito fotoelétrico. Denominação fóton para o quantum de energia radiante.

1909 - Millikan

Determinação da carga do elétron.

1911 - Rutherford

O átomo não é maciço nem indivisível. O átomo seria formado por um núcleo muito pequeno, com carga positiva, onde estaria concentrada praticamente toda a sua massa. Ao redor do núcleo ficariam os elétrons, neutralizando sua carga. Este é o modelo do átomo nucleado, um modelo que foi comparado ao sistema planetário, onde o Sol seria o núcleo e os planetas seriam os elétrons.

1913 - Bohr

Modelo atômico fundamentado na teoria dos quanta e sustentado experimentalmente com base na espectroscopia. Distribuição eletrônica em níveis de energia. Quando um elétron do átomo recebe energia, ele salta para outro nível de maior energia, portanto mais distante do núcleo. Quando o elétron volta para o seu nível de energia primitivo (mais próximo do núcleo), ele cede a energia anteriormente recebida sob forma de uma onda eletromagnética (luz).

1916 - Sommerfeld

Modelo das órbitas elípticas para o elétron. Introdução dos subníveis de energia.

1920 - Rutherford

Caracterização do próton como sendo o núcleo do átomo de hidrogênio e a unidade de carga positiva. Previsão de existência do nêutron.

1924 - De Broglie

Modelo da partícula-onda para o elétron.

1926 - Heisenberg

Princípio da incerteza.

1927 - Schrödinger

Equação de função de onda para o elétron.

1932 - Chadwick

Descoberta do nêutron.

Carga elétrica

	Natureza	Valor relativo	Massa relativa
Próton	Positiva	+1	1
Nêutron	Não existe	0	1
Elétron	Negativa	-1	1/1836

Camadas eletrônicas

Os elétrons estão distribuídos em camadas ou níveis de energia:

núcleo	camada
	K	L	M	N	O	P	Q
	1	2	3	4	5	6	7
	nível

Número máximo de elétrons nas camadas ou níveis de energia:

K	L	M	N	O	P	Q
2	8	18	32	32	18	2

Subníveis de energia

As camadas ou níveis de energia são formados de subcamadas ou subníveis de energia, designados pelas letras s, p, d, f.

Subnível	s	p	d	f
Número máximo de elétrons	2	6	10	14

Subníveis conhecidos em cada nível de energia:

Subnível	1s	2s 2p	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f	5s 5p 5d 5f	6s 6p 6d	7s
Nível	1	2	3	4	5	6	7
	K	L	M	N	O	P	Q

Subníveis em ordem crescente de energia:

1s

2s

2p

3s

3p

4s

3d

4p

5s

4d

5p

6s

4f

5d

6p

7s

5f

6d

Preenchimento dos subníveis

Os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de energia, com o número máximo de elétrons possível em cada subnível. (Regra de aufbau)
Os números quânticos indicam a energia do elétron no átomo e a região de máxima probabilidade de se encontrar o elétron.

O número quântico principal (n) indica o nível de energia. Varia de n = 1 a n = ¥, respectivamente, no 1º, 2º, 3º, ... nível de energia.

O número máximo de elétrons em cada nível é dado por 2n². Entre os átomos conhecidos, no estado fundamental, o número máximo de elétrons num mesmo nível é 32.

O número quântico secundário ou azimutal (l) indica a energia do elétron no subnível. Nos átomos conhecidos, no estado fundamental, há quatro subníveis, representados por s, p, d, f, em ordem crescente de energia.

Subnível	s	p	d	f
Número quântico azimutal	l = 0	l = 1	l = 2	l = 3

Orbitais

Os subníveis são formados de orbitais. Orbital é a região da eletrosfera onde há maior probabilidade de estar localizado o elétron do átomo. O número máximo de elétrons em cada orbital é 2.

A cada orbital foi atribuído um número quântico magnético (m) cujo valor varia de -l a +l, passando por zero.

subnível s	um só orbital s	(0)
subnível p	três orbitais p	(-1) (0) (+1)
subnível d	cinco orbitais d	(-2) (-1) (0) (+1) (+2)
subnível f	sete orbitais f	(-3) (-2) (-1) (0) (+1) (+2) (+3)

O orbital s tem forma esférica. Os orbitais p têm forma de duplo ovóide e são perpendiculares entre si (estão dirigidos segundo três eixos ortogonais x, y e z.

Spin

Spin é o movimento de rotação do elétron em torno de seu eixo. Pode ser paralelo ou antiparalelo. A cada um deles foi atribuído um número quântico: + 1/2 e -1/2.

Princípio da exclusão de Pauli

Em um mesmo átomo, não existem dois elétrons com quatro números quânticos iguais. Como conseqüência desse princípio, dois elétrons de um mesmo orbital têm spins opostos. Um orbital semicheio contém um elétron desemparelhado; um orbital cheio contém dois elétrons emparelhados (de spins opostos).

Regra de Hund

Ao ser preenchido um subnível, cada orbital desse subnível recebe inicialmente apenas um elétron; somente depois de o último orbital desse subnível ter recebido seu primeiro elétron começa o preenchimento de cada orbital semicheio com o segundo elétron.

Elétron de maior energia ou elétron de diferenciação é o último elétron distribuído no preenchimento da eletrosfera, de acordo com as regras estudadas.

Periodicidade química

Cronologia

1829

Lei das Tríades de Döbereiner

1863

Parafuso telúrico de Chancourtois

1864

Lei das oitavas de Newlands

1869

Lei periódica de Mendeleev e Lothar Meyer. Classificação periódica com os elementos em ordem crescente de massas atômicas.

1913

Lei de Moseley: conceito atual de número atômico. Classificação periódica com os elementos em ordem crescente de números atômicos.

Períodos e famílias

Períodos são as sete filas horizontais da Tabela Periódica; 1^o, 2^o, 3^o, 4^o, 5^o, 6^o, 7^o. Reúnem elementos com configurações eletrônicas diferentes, portanto, com propriedades diferentes.

Famílias ou grupos são as dezoito colunas verticais da Tabela Periódica. Reúnem elementos com configurações eletrônicas semelhantes, portanto, com propriedades semelhantes.

Elementos representativos são aqueles cujo subnível de maior energia de seus átomos é s (bloco s) ou p (bloco p).

Bloco s	Grupos IA e IIA
Bloco p	Grupos IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA e 0

Elementos de transição são aqueles cujo subnível de maior energia de seus átomos é d. Constituem o bloco d, os Grupos IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB E VIIIB.

Elementos de transição interna são aqueles cujo subnível de maior energia de seus átomos é f. Constituem o bloco f, os lantanídios (Z = 59 e Z = 71) e os actinídeos (Z = 89 a Z = 103).

O átomo de um elemento localizado no enésimo (nº) período tem seus elétrons distribuídos em n níveis de energia. Exemplo: elementos do 5º período têm os elétrons de seus átomos distribuídos em 5 níveis de energia.

Principais famílias

IA	Metais alcalinos: Li Na K Rb Cs Fr
IIA	Metais alcalino-terrosos: Be Mg Ca Sr Ba Ra
IVA	Família do carbono: C Si Ge Sn Pb
VA	Família do nitrogênio: N P As Sb Bi
VIA	Calcogênios: 0 S Se Te Po
VIIA	Halogênios: F Cl Br I At
0	Gases nobres: He Ne Ar Kr Xe Rn

Para os elementos representativos e dos Grupos IB e IIB, o número do grupo é o número de elétrons no último nível de energia do átomo (camada de valência).

	IA	IIA	IB	IIB	IIIA	IVA	VA	VIA	VIIA	0
Número de elétrons na camada de valência	1	2	1	2	3	4	5	6	7	8
	s1	s2	s1	s2	s2p1	s2p2	s2p3	s2p4	s2p5	s2p6

Propriedades periódicas

Propriedades periódicas - Os valores crescem e decrescem sucessivamente à medida que aumenta o número atômico. A maioria das propriedades dos elementos são periódicas.

Propriedades aperiódicas - Os valores somente crescem ou decrescem à medida que aumenta o número atômico. Exemplos:massa atômica e calor específico.

Energia de ionização é a energia necessária para arrancar um elétron de um átomo no estado gasoso.

Eletroafinidade ou afinidade eletrônica é a energia envolvida na entrada de um elétron num átomo no estado gasoso.

Ligações químicas pelo modelo do octeto

Teoria do octeto

Na natureza, todos os sistemas tendem a adquirir a maior estabilidade possível. Os átomos ligam-se uns aos outros para aumentar a sua estabilidade. Os gases nobres são as únicas substâncias formadas por átomos isolados. Conclusão: os átomos dos gases nobres são os únicos estáveis.

Os átomos dos gases nobres são os únicos que possuem a camada da valência completa, isto é, com oito elétrons (ou dois, no caso da camada K). Conclusão: a saturação da camada da valência com oito elétrons (ou dois, no caso da camada K) aumenta a estabilidade do átomo.

A configuração eletrônica com a camada da valência completa é chamada configuração estável. Os átomos dos gases nobres são os únicos que já têm a camada da valência completa.

Teoria do octeto - Os átomos dos elementos ligam-se uns aos outros na tentativa de completar a camada da valência de seus átomos. Isso pode ser conseguido de diversas maneiras, dando origem a diversos tipos de ligações químicas.

Ligações químicas

Ligação iônica ou eletrovalente é a atração eletrostática entre íons de cargas opostas num retículo cristalino. Esses íons formam-se pela transferência de elétrons dos átomos de um elemento para os átomos de outro elemento.

Para se formar uma ligação iônica, é necessário que os átomos de um dos elementos tenham tendência a ceder elétrons e os átomos do outro elemento tenham tendência a receber elétrons.

Quando os átomos de dois elementos A e B têm ambos tendência a ceder ou a receber elétrons, não pode se formar uma ligação iônica entre eles. Os átomos com tendência a ceder elétrons apresentam um, dois ou três elétrons na camada da valência; são todos átomos de metais, com exceção dos átomos de H e He. Os átomos com tendência a receber elétrons apresentam quatro, cinco, seis e sete elétrons na camada da valência; são os átomos dos não-metais e do H.

Uma ligação iônica forma-se entre um metal e um não-metal ou entre um metal e o H. Os elétrons são transferidos dos átomos dos metais para os dos não-metais ou do H. Os átomos dos metais, cedendo elétrons, transformam-se em íons positivos ou cátions, e os átomos dos não-metais ou do H, recebendo elétrons, transformam-se em íons negativos ou ânions.

Todo ânion monoatômico tem configuração estável, semelhante à de um gás nobre, porque, na formação do ânion, o átomo recebe exatamente o número de elétrons que falta para ser atingida a configuração estável.

Nem todo cátion monoatômico tem configuração estável. O átomo, ao ceder os elétrons de sua camada da valência , nem sempre fica com configuração estável.
Os cátions dos metais alcalinos e alcalino-terrosos, bem como o cátion de alumínio, têm configurações estáveis. Os cátions dos metais de transição não têm, em sua maioria, configuração estável.

Valência é o poder de combinação dos elementos. O conceito de valência foi criado por Berzelius, em 1820.

Eletrovalência é a valência do elemento na forma iônica. É igual à carga do seu íon monoatômico.

Ligação covalente é um par de elétrons compartilhado por dois átomos, sendo um elétron de cada átomo participante da ligação.

Ligação dativa ou coordenada é um par de elétrons compartilhado por dois átomos, no qual os dois elétrons são fornecidos apenas por um dos átomos participantes da ligação. Forma-se quando um dos átomos já tem o seu octeto completo e o outro ainda não.

Ligação metálica é constituída pelos elétrons livres que ficam entre os cátions dos metais (modelo do gás eletrônico ou do mar de elétrons). Os metais são constituídos por seus cátions mergulhados em um mar de elétrons.
A ligação metálica explica a condutividade elétrica, a maleabilidade, a ductilidade e outras propriedades dos metais.

Eletronegatividade de um elemento é uma medida da sua capacidade de atrair os elétrons das ligações covalentes das quais ele participa.
Quanto maior for a capacidade de um átomo de atrair os elétrons das ligações covalentes das quais ele participa, maior será a sua eletronegatividade.

Ligação covalente polar é aquela que constitui um dipolo elétrico. Forma-se quando as eletronegatividades dos elementos ligados são diferentes.

Ligação covalente apolar é aquela que não constitui dipolo elétrico. Neste caso, as eletronegatividades dos átomos ligados são iguais.

Tipos de substâncias

Substância iônica ou eletrovalente é toda substância que apresenta pelo menos uma ligação iônica. Mesmo as substâncias que apresentam ligações iônicas e covalentes são classificadas como iônicas.

Substância molecular apresenta somente ligações covalentes e é formada por moléculas discretas.

Substância covalente apresenta somente ligações covalentes e é formada por macromoléculas.

Propriedade das substâncias iônicas

Alto ponto de fusão (PF) e ponto de ebulição (PE).

Sólidas à temperatura ambiente.

Conduzem a corrente elétrica no estado fundido e não no estado sólido.

Cristais duros e quebradiços.

As substâncias moleculares não apresentam as propriedades acima. As substâncias covalentes, ao contrário das moleculares, têm PF e PE altíssimos (analogia com as iônicas).

Fórmulas eletrônicas e estruturais

Estruturas de Lewis ou fórmulas eletrônicas são representações dos pares de elétrons das ligações covalentes entre todos os átomos da molécula, bem como dos elétrons das camadas da valência que não participam das ligações covalentes.

Estruturas de Couper ou fórmulas estruturais planas são representações, por traços de união, de todas as ligações covalentes entre todos os átomos da molécula.

Simples ligação é uma ligação covalente entre dois átomos (A - B).
Ligação dupla são duas ligações covalentes entre dois átomos (A = B).
Ligação tripla são três ligações covalentes entre dois átomos (A º B).

Número de oxidação

Número de oxidação (nox) é um número associado à carga de um elemento numa molécula ou num íon. O nox de um elemento sob forma de um íon monoatômico é igual à carga desse íon, portanto é igual à eletrovalência do elemento nesse íon.

O nox de um elemento numa molécula e num íon composto é a carga que teria o átomo desse elemento supondo que os elétrons das ligações covalentes e dativas se transferissem totalmente do átomo menos eletronegativo para o mais eletronegativo, como se fosse uma ligação iônica.

Elementos com nox fixo em seus compostos

metais alcalinos (+1)

metais alcalino-terroso (+2)

alumínio (+3)

prata (+1)

zinco (+2)

O oxigênio é o mais eletronegativo de todos os elementos, exceto o flúor. O oxigênio tem nox negativo em todos os seus compostos, exceto quando ligado ao flúor.
Na grande maioria de seus compostos, o oxigênio tem nox = -2. Nos peróxidos (grupo -O-O-) o oxigênio tem nox = -1.

O hidrogênio é menos eletronegativo que todos os não-metais e semimetais; por isso, quando ligado a esses elementos, tem nox positivo e sempre igual a +1.
O hidrogênio é mais eletronegativo que os metais; por isso, quando ligado a esses elementos, tem nox negativo e sempre igual a -1.

A soma dos nox de todos os átomos de:

·       uma molécula é igual a zero.

·       um íon composto é igual à carga do íon.

O nox de qualquer elemento sob forma de substância simples é igual a zero.

O nox máximo de um elemento é igual ao número do grupo onde está o elemento na Tabela Periódica, com exceção dos elementos do Grupo VIIIB. O nox mínimo é igual a (número do grupo - 8),no caso de o elemento ser um não-metal ou um semimetal.

Nox e valência - O nox de um elemento na forma de um íon monoatômico é igual à sua eletrovalência. O nox de um elemento na forma de molécula ou de íon composto não é obrigatoriamente igual à sua valência. A valência, nesses casos, é dada pelo número de ligações covalentes e dativas. Cada ligação covalente conta como uma unidade de valência, e cada ligação dativa, como duas unidades de valência.

Ligação covalente pelo modelo do orbital molecular

Orbital molecular

Orbital molecular é a região de máxima probabilidade de se encontrar o par de elétrons compartilhado da ligação covalente.

Orbital molecular sigma ou ligação sigma resulta da interpenetração, num mesmo eixo, de dois orbitais atômicos semicheios, um de cada átomo de ligação, com elétrons de spins opostos.

Orbital molecular pi ou ligação pi resulta da interpenetração em paralelo de dois orbitais atômicos semicheios, um de cada átomo da ligação, com elétrons de spins opostos.

Uma ligação simples (A - B) é sempre sigma.
Uma ligação dupla (A = B) é sempre uma ligação sigma e outra pi.
Uma ligação tripla (A º B) é sempre uma ligação sigma e duas ligações pi.

Polaridade das moléculas - ligações intermoleculares

Ligação covalente e polaridade

Ligação covalente apolar - Os átomos ligados têm igual eletronegatividade.

Ligação covalente polar - Os átomos ligados têm diferente eletronegatividade. A toda ligação covalente polar está associado um vetor polarização, orientado da carga positiva para a negativa.

Ligação covalente polar - Ligação intermediária entre a ligação covalente apolar e a ligação iônica.

Polaridade das moléculas

Molécula apolar - A soma vetorial dos vetores polarização associados a todas as ligações covalentes polares da molécula é nula.

Molécula polar - A soma vetorial dos vetores polarização associados a todas as ligações covalentes polares na molécula é diferente de zero.

Polaridade e solubilidade

Polaridade e solubilidade: "O semelhante dissolve o semelhante."

·       Substância polar dissolve substância polar e não dissolve ou dissolve pouca quantidade de substância apolar.

·       Substância apolar dissolve substância apolar e não dissolve ou dissolve pouca quantidade de substância polar.

Ligações intermoleculares ou forças de van der Waals

Ligações intermoleculares ou ligações de van der Waals, ou forças de van der Waals :

I - atração dipolo induzido: dipolo induzido ou forças de dispersão de London;

II - atração dipolo permanente: dipolo permanente;

III - ponte de hidrogênio ou ligação de hidrogênio
Substâncias apolares estabelecem somente ligações intermoleculares I; substâncias polares sem ligações H - F, O - H e N - H estabelecem ligações intermoleculares I e II.
Substâncias polares com ligações H - F, O - H e N - H estabelecem ligações intermoleculares I e III.

Quanto maior for o tamanho da molécula, mais fortes serão as forças de dispersão de London. Quanto mais fortes forem as ligações intermoleculares, mais elevada será a temperatura de ebulição.

Radioatividade

Emissões radioativas naturais

Radioatividade é a emissão espontânea de partículas e/ou radiações de núcleos instáveis.

Emissões radioativas naturais	Natureza	Velocidade relativa à da luz (c)	Poder de penetração relativo	Poder de ionização relativo
a	2 prótons + 2 nêutrons	5 a 10%	1	10 000
b	elétron	40 a 95%	100	100
g	onda eletromagnética	100%	10 000	1

Séries radioativas naturais

Elementos radioativos naturais - Todos com Z £ 84; parte dos que têm Z entre 81 e 83. São exceções os isótopos radioativos naturais com Z < 81.

Séries radioativas naturais

·       Série do urânio ²³⁸U ® ²⁰⁶Pb (4n + 2)

·       Série do tório ²³²Th ® ²⁰⁸Pb (4n)

·       Série do actínio ²³⁵U ® ²⁰⁷Pb (4n + 3)

Contador Geiger-Muller é o aparelho usado para detectar radioatividade. As emissões radioativas ionizam os gases, tornando-os condutores de eletricidade; este é o princípio de funcionamento do aparelho.

Cinética das radiações

v = k·N

v = velocidade de desintegração ou atividade radioativa

k = constante radioativa

N = número de átomos do elemento radioativo

Meia-vida (t_1/2) é o tempo depois do qual metade dos átomos da amostra se desintegra.

k·t_1/2 = 0,693

Vida média = 1/k

A velocidade de desintegração ou atividade radioativa não depende de fatores externos como pressão e temperatura, nem da substância sob a qual se apresenta o elemento radioativo. Só depende do número de átomos N do elemento radioativo presentes na amostra.

Transmutação artificial (Rutherford, 1919)

¹⁴N + ⁴a ® ¹⁷O + ¹p

A partir dessa, muitas outras transmutações foram conseguidas.

Fissão atômica e fusão nuclear

Fissão atômica - Transmutação com divisão do núcleo, dando dois núcleos menores. É a transmutação da bomba atômica.

Fusão nuclear - Transmutação com união de dois núcleos, dando um único núcleo. É a transmutação da bomba de hidrogênio.