Série Didática para o Apoio à Formação de Professores de Química – Volume 1 – Átomos

De Marcos Aires de Brito

Química é uma ciência fascinante, mas complexa e, por isso, é desejável uma intensa vivência tanto teórica quanto experimental dos estudantes durante a sua formação na educação superior. Este volume trata dos fundamentos de Química, sendo o primeiro de uma série didática de cinco volumes para o apoio à formação de professores de Química.

Apresentamos, em uma abordagem histórico-fenomenológica, as contribuições iniciais da Química e da Física para a elucidação da estrutura do átomo, incluindo a estrutura do núcleo atômico, assim como também tratamos a tabela periódica dos elementos químicos e das propriedades associadas, como a energia de ionização, a afinidade eletrônica e a eletronegatividade, pois no Volume II serão tratadas as ligações químicas intramoleculares e intermoleculares para a formação de íons e moléculas.

Se você desejar um enfoque fenomenológico-matemático consulte, o "Apêndice: o átomo e a Mecânica Quântica".

• Idioma: Português
• Editora: Editora Appris
• Data de lançamento: 27 de set. de 2018
• ISBN: 9788547314705

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COMITÊ CIENTÍFICO DA COLEÇÃO FORMAÇÃO DE PROFESSORES

APRESENTAÇÃO

O universo é formado por matéria e energia. A matéria é composta de elementos químicos e/ou de moléculas. Os elementos químicos consistem de um tipo específico de átomo, por exemplo, ouro 24 quilates, isto é, o ouro puro é formado por átomos de ouro, enquanto diamante e grafite são formados por átomos de carbono etc.

Por outro lado, moléculas são formadas por átomos e estima-se, por exemplo, que exista cerca de 10⁸⁰ átomos de hidrogênio disponíveis no universo e cerca de 1.700.000 compostos de

carbono-hidrogênio, naturais e sintetizados por químicos!

A Química estuda as moléculas, suas transformações etc., e para contribuir para o apoio à formação de professores de Química apresentamos cinco volumes nesta série didática:

I – Átomos; II – Moléculas; III – Simetria Molecular; IV – Compostos de Coordenação; V – Mecanismos de Reações Inorgânicas.

A Química é uma ciência complexa e, por isso, é desejável uma intensa vivência tanto teórica quanto experimental dos estudantes durante a sua formação na educação superior (GONSALVES e BRITO, 2014).

Planejamos os Volumes I e II com os fundamentos de Química, enquanto os demais volumes foram concebidos como aprofundamentos no estudo da Química Inorgânica.

Apresentamos uma abordagem histórico-fenomenológica no Capítulo 1 do Volume I, com as contribuições iniciais da Química e da Física para a elucidação da estrutura do átomo, incluindo a estrutura do núcleo atômico, mas se você desejar um enfoque fenomenológico-matemático consulte o Apêndice: o átomo e a Mecânica Quântica. Nesse apêndice você encontrará a dedução da forma geométrica-espacial dos orbitais no átomo de hidrogênio, pois será importante para o estudo das ligações químicas em moléculas (Volume II).

No Capítulo 2 deste volume, tratamos a tabela periódica dos elementos químicos e das propriedades associadas, como a energia de ionização, a afinidade eletrônica e a eletronegatividade.

Marcos Aires de Brito

SUMÁRIO

1

ÁTOMOS

1.1 AS CONTRIBUIÇÕES INICIAIS DA QUÍMICA 

1.2 AS CONTRIBUIÇÕES INICIAIS DA FÍSICA 

1.3 EXPERIÊNCIAS COM O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO 

1.4 A DETERMINAÇÃO DA RELAÇÃO CARGA-MASSA PARA O ELÉTRON 

1.5 A EXPERIÊNCIA DE MILLIKAN E A CARGA DO ELÉTRON 

1.6 A CONTRIBUIÇÃO DE RUTHERFORD PARA O ENTENDIMENTO DO ÁTOMO 

1.7 O ÁTOMO DE HIDROGÊNIO E A TEORIA DE BOHR 

1.8 O ÁTOMO: UMA ONDA COMPLEXA 

1.9 A TEORIA QUÂNTICA 

1.9.1 A hipótese de Louis de Broglie: dualidade partícula-onda para o elétron 

1.9.2 Spin do elétron 

1.9.3 A experiência de Stern e Gerlach e o spin do elétron 

1.9.4 O princípio de exclusão de Pauli 

1.9.5 Configuração eletrônica e o princípio aufbau 

1.10 O núcleo atômico

1.10.1 A transmutação nuclear: átomos não são eternos 

1.10.2 A descoberta do nêutron 

1.10.3 Antipartículas e fissão nuclear 

1.10.4 A estrutura em camadas para o núcleo atômico 

1.11 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE ÁTOMOS 

2

A TABELA PERIÓDICA E AS PROPRIEDADES ASSOCIADAS

2.1 INTRODUÇÃO 

2.2 ELEMENTOS QUÍMICOS 

2.3 PROPRIEDADES PERIÓDICAS 

2.3.1 Energia de ionização 

2.3.2 Afinidade eletrônica 

2.3.3 Eletronegatividade 

APÊNDICE

O ÁTOMO E A MECÂNICA QUÂNTICA

1.1 INTRODUÇÃO 

1.2 O MODELO QUÂNTICO MODERNO PARA O ÁTOMO 

1.2.1 A equação de Schrödinger 

1.2.2 O átomo de hidrogênio e o modelo de Schrödinger 

1.2.3 Números quânticos e o átomo de hidrogênio 

1.3 O PRINCÍPIO DE INCERTEZA DE WERNER HEISENBERG 

1.3.1 Quantização espacial do momento angular orbital

1.3.2 O spin do elétron e a Mecânica Quântica

1.3.2.1 O efeito Zeeman e o efeito Zeeman anômalo 

1.4 FUNDAMENTOS DE MECÂNICA QUÂNTICA 

1.4.1 Os postulados 

1.4.2 O sistema de coordenadas esféricas polares 

1.4.3 Orbitais no átomo de hidrogênio 

1.4.4 Átomos multieletrônicos e o princípio de Pauli 

1.4.5 Átomos multieletrônicos: termos espectroscópicos e acoplamento

Russell-Saunders 

1.4.5.1 Dedução dos termos espectroscópicos para o átomo de carbono 

1.4.5.2 Dedução do termo espectroscópico do estado fundamental para configurações d¹ a d⁹

1.4.6 Átomos multieletrônicos e equação de Schrödinger 

REFERÊNCIAS

1

ÁTOMOS

Considerando que o átomo é normalmente estudado em uma abordagem matemática, em disciplinas de Química Quântica, apresentamos aqui uma abordagem histórico-fenomenológica para o estudo dos átomos. Iremos enfocar as contribuições iniciais da Química e da Física, em uma sequência histórica, para a elucidação da estrutura do átomo, incluindo a estrutura do núcleo atômico.

1.1 AS CONTRIBUIÇÕES INICIAIS DA QUÍMICA

Mesmo utilizando uma hipótese errada, até o final do século XIX, centrada na ideia da massa atômica como a característica fundamental dos elementos, os químicos foram capazes de obter novas substâncias. Isso ocorria porque faltava um modelo para o átomo e esse modelo apenas se tornou possível no início do século XX, a partir da contribuição de físicos. Nesta parte introdutória, você encontrará um breve relato da participação de químicos que, trabalhando principalmente com moléculas, contribuíram com evidências experimentais para o átomo e verificará como o conhecimento foi se acumulando lentamente ao longo dos séculos para, finalmente, chegar-se à lei periódica e à tabela periódica moderna dos elementos químicos.

A matéria e as transformações da matéria não eram discutidas ao nível de hipóteses até o período dos filósofos gregos. Aristóteles (século IV a.C.) imaginava que a matéria era constituída de quatro substâncias elementares (água, fogo, terra e ar), mas Demócrito (século V a.C.) considerava que a matéria era constituída de diferentes partículas, em um número limitado e de diferentes tipos, que denominou átomo, o qual significa indivisível.

Os alquimistas, que atuaram entre 300 anos a.C. e 1500 anos d.C., misturando religião e magia, símbolos e receituários secretos, manipulavam as substâncias para obter o elixir da longa vida e a transmutação de metais inferiores e pouco desenvolvidos, como chumbo e ferro, em metais superiores e desenvolvidos, como prata e ouro. Eles acreditavam que a evolução dos metais, até se transformarem em ouro, poderia ser acelerada por meio da pedra filosofal, desde que fossem manipulados por um alquimista espiritualmente evoluído.

Em 1662, Robert Boyle publicou o livro Sceptical chymist, cujo título indica que Boyle aboliu o prefixo na palavra "alchemy e introduziu a palavra chemistry" (Química). Durante o século XVII d.C., os químicos estavam interessados no estudo dos gases e Boyle descobriu uma lei que estabelece uma relação inversa entre o volume e a pressão de um gás quando a massa e a temperatura se mantêm constantes, conforme a Figura 1.

FIGURA 1 – GRÁFICO DA LEI DE BOYLE: V α 1/P ⇒ PV = CONSTANTE OU P1V1 = P2V2

FONTE: o autor

Com o desenvolvimento da Química, os dados experimentais foram se acumulando havendo assim a necessidade de uma teoria científica sobre a constituição da