Post on 10-Nov-2018
BIK0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA
Crédito: Sprace
ProfessorHugo B. Suffredini
hugo.suffredini@ufabc.edu.br
Site:www.suffredini.com.br
PARTÍCULAS ELEMENTARESe
INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS
PARTÍCULAS ELEMENTARES
© Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari
BIK0102 – Estrutura da Matéria
Você deve conhecer, do ensino médio, o átomo de Rutherford.
Os elétrons, até onde conhecemos hoje, são partículas elementares.( elementar = indivisível )
O núcleo é composto por prótons e neutrons que, por sua vez, não são elementares.
prótonneutron
Prótons e neutrons contem partículas menores chamadas quarks. Os quarks são, até onde sabemos, elementares.
quark up
quark down
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A natureza elementar da matéria é estudada através de experimentos de colisões.
LHC, próximo a Genebra, na fronteira Suíça - França.
Túnel de 27Km de circunferência, com equipamentos resfriados a hélio líquidoa uma temperatura de −271.25° C
PARTÍCULAS ELEMENTARES
BIK0102 – Estrutura da Matéria
PARTÍCULAS ELEMENTARES
© Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari
Pergunta: como as partículas elementares conseguem se organizar em estruturas de tamanhos tão diferentes, e tão complexas, como observamos na natureza?
Resposta: em última instância, graças às interações fundamentais (ou forças elementares) que são sentidas por estas partículas elementares.
Resumo: tudo que existe no universo é feito de átomos, que por sua vez são feitos por partículas menores, indivisíveis, chamadas de partículas elementares.
BIK0102 – Estrutura da Matéria
FORÇA
INTERAÇÃO
interação (s. f.)1. Influência recíproca de dois ou mais elementos.2. Psicol. Fenômeno que permite a certo número de indivíduos constituir-se em grupo, e que consiste no fato de que o comportamento de cada indivíduo se torna estímulo para outro.3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre duas partículas.
fonte: www.priberam.pt/DLPO
FORÇAS ELEMENTARES
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BIK0102 – Estrutura da Matéria
Interações de contato: exigem um contato direto entre os corpos envolvidos.
FORÇAS ELEMENTARES
Interações de campo: agem mesmo que nãosem contato direto entre os corposenvolvidos.
Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra.
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GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)
PUXÕES EMPURRÕES ATRITO ..... INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
interações de contato
interações de campo
FORÇASELÉTRICAS
FORÇASMAGNÉTICAS
FORÇAS ELEMENTARES
BIK0102 – Estrutura da Matéria
FORÇAS ELEMENTARES
Relembremos que o átomo é composto por partículas com carga negativa (elétrons) e positiva (prótons) em igual número, ou seja, tipicamente o átomo é eletricamente neutro.
Uma vez que os átomos são neutros, o que faz com que eles se unam formando moléculas estáveis?
Resposta: A força residual eletromagnética. As partes carregadas de um átomo podem interagir com as partes carregadas de outro átomo. Isso permite que diferentes átomos se juntem.
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BIK0102 – Estrutura da Matéria
FORÇAS ELEMENTARES
Portanto, a força eletromagnética é responsável, em última instância, por todas as ligações químicas entre átomos.
Ou seja, toda a química existe porque existe a interação eletromagnéticas. Ela é responsável por todas as propriedades químicas dos diferentes elementos.
A vida depende necessariamente de um conjunto extremamente complexo de reações químicas. Por isto, a existência da interação eletromagnética é também, em última instância, o que propicia a existência da vida.
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BIK0102 – Estrutura da Matéria
FORÇAS DE CONTATO não são mais que o produto das
interações eletromagnéticasentre os átomos da superfície
dos materiais
FORÇAS COMO PUXÕES EMPURRÕES ATRITO ....não são elementares, mas sim resultados de interações eletromagnéticas.
FORÇAS ELEMENTARES
Além disso, sempre que temos duas superfícies “em contato”, os átomos que compõem as duas superfícies estão tão próximos que podem exercer forças eletromagnéticas uns entre os outros...
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LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES
INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
FORÇAS ELEMENTARES
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próton neutron
“FORÇA” NUCLEAR FORTE
“FORÇA” NUCLEAR FRACA
FORÇAS ELEMENTARES
A lista de interações fundamentaisestá quase completa.Existem só mais duas interações, que foram descobertas mais recentemente, e que basicamente só “funcionam” dentro do núcleo atômico.
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BIK0102 – Estrutura da Matéria
LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES
INTERAÇÃO GRAVITACIONAL INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA INTERAÇÃO NUCLEAR FRACA INTERAÇÃO NUCLEAR FORTE
Esta é, até onde sabemos, uma lista completa de todas as interações elementares observadas no universo.
É uma lista surpreendentemente curta – representa uma grande síntese do conhecimento físico acerca do universo.
Mas a lista pode ser ainda menor!
FORÇAS ELEMENTARES
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BIK0102 – Estrutura da Matéria
O conceito de átomo antecede a ciência moderna:
▪ Origem na antiga Grécia
▪ Discussão da divisibilidade de matéria
▪ A partir do século XVII – avanços da ciência na explicação de fenômenos naturais – metodologia científica
Hipótese Atômica
Hipótese na Antiquidade
No séc. V e III a.C., conjecturou-se que a matéria seria composta departículas minúsculas e indestrutíveis que caminham no vazio(vácuo).
O filósofo grego Demócrito no século VI a. c. propôs a hipótese deque a matéria é composta de átomos, partículas muito pequenas,indivisíveis, indistingüíveis e eternas. As diferentes propriedades damatéria viriam dos diferentes tipos de arranjos que essas partículasfariam para compor o objeto.
Demócrito Leucipo EpicuroOs átomos de
Várias formas
Conceito de elementos
Boyle define elementos como sendo certos corpos não formados por quaisquer outros corpos, ou seja, são ingredientes dos quais
todos os corpos são feitos.
▪ Evolução da química: estudos qualitativos ciência exata, estudos quantitativos.
Origens da Teoria Atômica e da Química
▪ Séc. XVIII: contribuição de Lavoisier para a sistematização e quantificação da química.
Lavoisier: um elemento químico é amenor porção de uma substância queainda apresenta as mesmas propri-edades químicas e não pode ser sub-dividido e outros elementos.
Bases Experimentais para a Teoria Atômica
1) Lei da conservação das massas
2) Lei das proporções definidas
3) Lei das proporções múltiplas
Lei da Conservação de Massas
A massa total é a mesma antes e após uma reação química.
“Na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma”.
A conservação de massas é compatível com a idéia deque a matéria é composta por unidades básicas (átomos),que não são criados e nem destruídos durante umatransformação química, e sim apenas rearranjados.
CH4 + 2 O2 —→ CO2 + 2 H2O
Modelo Atômico de Dalton (1808)
Toda substância é composta de pequenas
partículas indivisíveis chamadas átomos.
Modelo Atômico de Dalton (1808)
▪ Todos os átomos de um mesmo elemento apresentam asmesmas propriedades. Átomos de diferentes elementos químicostêm propriedades químicas diferentes.
▪ Durante uma reação química, nenhum átomo de determinadoelemento desaparece ou se transforma em um átomo de outroelemento. Os átomos apenas se reagrupam (lei da conservação demassas).
▪ Formam-se substâncias compostas quando se combinam átomosdistintos de mais de um elemento. Num dado composto químico,os números relativos de átomos de cada elemento são definidos econstantes e podem expressar-se como inteiros ou frações simples(lei das proporções definidas e múltiplas).
Lei de Gay-Lussac: a pressão e temperaturaconstantes, os volumes de gases que secombinam quimicamente guardam entre siproporções simples.
Lei das Combinações Volumétricas
2m³ de gás hidrogênio +
1m³ de gás oxigênio= 2m³ de vapor de água
1m³ de gás nitrogênio +
3 m³ de gás hidrogênio= 2m³ de vapor de amônia
1m³ de gás hidrogênio +
1m³ de gás cloro= 2m³ de cloreto de hidrogênio
1 mol de átomos = 6,02 × 1023 átomos
Unidades Básicas do Sistema Internacional
Quantidade de Matéria e o Conceito de mol
constante de Avogadro (número de átomos presentes em 12 g de 12C)
1 mol de Átomos de Diversos Elementos
1 mol de átomos = 6,02 × 1023 átomos
Número de grãos de areia numa quadra de vôlei de praia: ~ 5 × 1011
C12 g
S32 g
Pb207 g
Hg201 g
Cu64 g
Relações de massa entre os componentes de uma reação química:
CONSERVAÇÃO DE MASSA
CH4 + 2 O2 —→ CO2 + 2 H2O
1 mol 2 mol 1 mol 2 mol
16 g 2 × 32 g 44 g 2 × 18 g
massa dos reagentes: 80 g massa dos produtos: 80 g
Estequiometria
Equações Químicas
H2 + O2 → H2O
1° passo: representação de átomos e moléculas envolvidos na reação
H + O → H2O
INCORRETO:
as substâncias hidrogênio e oxigênio não são formadas por átomos isolados, e sim por moléculas diatômicas
hidrogênio + oxigênio → água
✓CORRETO:
porém ainda incompleto (falta o balanceamento)
Equações Químicas
2° passo: balanceamento da equação (encontrar a proporção entre os componentes, de modo que nenhum átomo seja criado nem destruído durante a reação química)
hidrogênio + oxigênio → água
H2 + ½ O2 → H2O
2 H2 + O2 → 2 H2O H2 + O2 → H2O2
CORRETOS
✓INCORRETO:
H2O2 representa a substância peróxido de hidrogênio, e não água
H2O2
2 H2O
Exemplo: Produção de Ferro
? Fe2O3 + ? C —→ ? Fe + ? CO2
Qual a massa de ferro metálico que pode ser obtida de 1 t de minério?
Massas molares: Fe (56 g/mol), C (12 g/mol), O (16 g/mol)
Elemento Químico: Conceito Atual (IUPAC)
1. Espécie de átomos, todos os átomos com o mesmo número de prótons no núcleo.
2. A substância química pura constituída por átomos com o mesmo número de prótons no núcleo. Às vezes, este conceito é chamado de “substância elementar”, distinta do conceito de elemento químico tal como definido no ítem 1. Usualmente, o termo elemento químico é usado para ambos os conceitos.
Substância Química
Matéria de composição constante, caracterizada pelas entidades (moléculas, unidades de fórmula, átomos) de que é constituída. Propriedades físicas, como densidade, índice de refração, condutividade elétrica, ponto de fusão, etc caracterizam a substância química.
Substâncias simples: formadas por átomos do mesmo elemento.
Substâncias compostas: formadas por dois ou mais elementos
✓Formada por duas ou mais substâncias, cada uma delas sendo
denominada componente.
✓Como as misturas apresentam composição variável, têm
propriedades — como ponto de fusão, ponto de ebulição,
densidade — diferentes daquelas apresentadas pelas
substâncias quando estudadas separadamente.
Mistura
Composição do ar:
• gás nitrogênio (N2) = 78%;
• gás oxigênio (O2) = 21%;
• gás argônio (Ar) = 1%;
• gás carbônico (CO2) = 0,03%.
Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.
Mistura
Fase: cada uma das porções que apresenta aspecto visual
homogêneo (uniforme), o qual pode ser contínuo ou não,
mesmo quando observado ao microscópio comum.
Tipos de Misturas
Mistura homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase
➢ As misturas homogêneas são chamadas soluções.
➢ Alguns exemplos: água de torneira, vinagre, ar, álcool
hidratado, pinga, gasolina, soro caseiro, soro fisiológico e
algumas ligas metálicas.
➢ Além dessas, todas as misturas de quaisquer gases são
sempre misturas homogêneas.
Tipos de Misturas
Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases
➢ Alguns exemplos: água e óleo, areia, granito, madeira,
sangue, leite, água com gás.
➢ As misturas formadas por n sólidos apresentam n fases,
desde que estes sólidos não formem uma liga ou um cristal
misto.
Tipos de Misturas
Mistura heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases
Imagens: Química — volume único, João Usberco e Edgard Salvador, Saraiva - 5ª ed. reform.
Tipos de Misturas
Soluções versus Colóides/Suspensões
açúcar + água: moléculas individuais dispersas no solvente
óleo + sabão + água: aglomerados de moléculas de óleo (pequenas gotas) dispersas em água
tamanho das partículas: ordem de 0,1 – 1 nm(moléculas pequenas)
tamanho das gotas: ordem de 1 nm – 1 m
COLÓIDES E
SUSPENSÕES
Mais informações: https://infograph.venngage.com/p/89761/types-of-mixtures
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=XEAiLm2zuvc
PARA CASA:
A ferrugem é uma mistura de dois compostos de ferro. Em uma peçade ferrugem foram analisados esses dois compostos e verificaram-se dois arranjos possíveis de ferro, oxigênio e hidrogênio: (1) com 52.12% de ferro, 45.04% de oxigênio e 2.84% de hidrogênio; (2) com 62.20% de ferro, 35.73% de oxigênio e 2.25% de hidrogênio (porcentagens de massa!). Identifique os compostos químicos e diga como esses dados estão relacionados com a lei das proporções múltiplas
Massas molares em g/mol: Fe (56); O (16), H (1)