01 Estrutura Atômica Origem dos Elementos

08/03/2012

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Departamento de Ciências Naturais

Química dos Elementos

1. Estrutura Atômica

Prof. Dr. Marco Antonio SCHIAVON

Estrutura atômica

• A origem dos elementos

• As estruturas dos átomos hidrogenóides

• Átomos multieletrônicos

2Química dos Elementos ‐ Prof. Marco SCHIAVON

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Porque estudar...

• Fundamentos para entendermos as i d d fí i í i d TODOS OSpropriedades físicas e químicas de TODOS OS

COMPOSTOS INORGÂNICOS.

• Interpretar propriedades atômicas

• Interpretar propriedades moléculas e sólidos


QuímicaQuímica Dos

Elementos


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Como surgiram todos os elementos?


A origem dos Elementos

Após Big Bang o universo era basicamente:

• Hidrogênio (89%)

• Hélio (11%)

• Reações Nucleares formaram uma grande variedade de outros elementos = Núcleossíntese


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Após o Big Bang...


Propriedades das Partículas Subatômicas

• Núcleons: partículas no núcleo:– p: próton

– n: nêutron.

• Número de massa, A: o número de p + n.

• Número atômico, Z: o número de p.

• Isótopos: têm o mesmo número de p e números diferentes de n.

Ex: 11H prótio 99,985%,21H deutério 0,015%,

31H Trício (sintético)

• Nas equações nucleares, o número de núcleons é conservado:

• 23892U 234

90Th + 42He


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www.if.ufrgs.br/~thaisa/FIS02207/cosmologia‐modelo_padrao.pdf



Elementos com Z ímpar são menos estáveis que seus vizinhos com Z par; elementos leves no geral mais

abundantes que os mais pesados

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Nucleossíntese dos elementos leves

• Primeiras estrelas → condensação de nuvens de H e He→ reações de fusãode H e He → reações de fusão.

• Exemplo

(42α : núcleo de He = dois prótons e dois neutrôns)

• Energia liberada é de 7,2 MeV!(1 eV = 1,602 x 10‐19 J)


Reações Nucleares x Reações Químicas

• Reação Química: E ~ 103 kJ mol‐1 , T baixas

• Reação Nuclear: E ~ 109 kJ mol‐1 , T altas

1 milhão de vezes mais energia que uma reação química!!

Força nuclear X Força eletromagnética


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• Até elemento com Z = 26

• Processo de Fusão nuclearProcesso de Fusão nuclear



Produzidos elementos mais pesados quando a queima de hidrogênio é completa→ aumenta densidade ede hidrogênio é completa → aumenta densidade e aumenta temperatura para 100 MK → permite a queima do hélio

• Ex. Baixa abundância do Berílio explicada pela reação subsequente com partícula para produzir carbono:produzir carbono:


CBe 126

42

84

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Energia de Ligação

Química dos Elementos ‐ Prof. Marco SCHIAVON 15

Representa a diferença em energia entre o próprio núcleo e o mesmo número de prótons e nêutrons individuais → uma energia de ligação positiva = núcleo com energia menor, mais

favorável (massa menor) do que seus núcleons.

Energia de LigaçãoA abundância do Fe e Ni se explica pela maior estabilidade, devido à maior energia de ligação no núcleo.

Energia de ligação relaciona‐se com a estabilidade entre prótons e nêutrons.

Elementos com Números atômicos pares são mais estáveis!


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Radioatividade


Radioatividade


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Tipos de Decaimento radioativo


Razão nêutron‐próton• O próton tem massa e carga altas.

• Conseqüentemente, a repulsão próton‐próton é grande.

• No núcleo, os prótons estão muito próximos uns dos outros.

• As forças coesivas no núcleo são chamadas de forças nucleares fortes. Os nêutrons estão envolvidos com a


força nuclear forte.

• À medida que mais prótons são adicionados (o núcleo fica mais pesado), a repulsão próton‐próton aumenta.

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Razão nêutron‐próton

• Quanto mais pesado o núcleo, mais nêutrons são ,necessários para a estabilidade.

• A faixa de estabilidade desvia da razão nêutron‐próton de 1:1 para massa


próton de 1:1 para massa atômica alta.

• No Bi (83 prótons), a faixa de estabilidade acaba e todos os núcleos são instáveis.

Razão nêutron‐próton

– Os núcleos acima da faixa de estabilidade sofrem emissão .Um elétron é perdido e o número de nêutrons diminui, onúmero de prótons aumenta.

– Os núcleos abaixo da faixa de estabilidade sofrem emissão + ou captura de elétron. Isso resulta no aumento do número de


pnêutrons e na redução do número de prótons.

– Os núcleos com números atômicos maiores que 83 normalmente sofrem emissão . O número de prótons e nêutrons diminui.

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Números mágicos• Núcleos com números pares de prótons e nêutrons são mais

estáveis do que núcleos com quaisquer núcleons ímpares.

• Números mágicos! São núcleos com 2, 8, 20, 28, 50 ou 82 prótons ou 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 nêutrons.

168O,

4020Ca,

20882Pb etc.

• O modelo de nível para o núcleo racionaliza essas observações. (O modelo de nível para o núcleo é semelhante


ç ( pao modelo de nível para o átomo.)

• Os números mágicos correspondem às configurações do núcleon de nível fechado e preenchido.

Nucleossíntese de Elementos Pesados

• Nuclídeos mais pesados são formados por

Mais estáveis: processos que consomem energia, não foram processos iniciais da evolução estrelar, mas sim como em uma supernova (explosão de uma estrela)

Nuclídeos mais pesados são formados por processos que incluem:

– Captura de nêutron

MonMo 9942

10

9842

– Decaimento (com emissão de neutrino)


eTcMo 9943

9942

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Série de radioatividade

Para o 238U, o primeiro decaimento é para 234Th (decaimento ).para Th (decaimento ). O 234Th sofre emissão para 234Pa e para 234U.

O 234U sofre decaimento (várias vezes) para 230Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, e 214Pb.

O 214Pb sofre emissão (duas vezes) através de 214Bi para 214Po o qual sofre decaimento para 210Pb


decaimento para Pb.

O 210Pb sofre emissão para 210Bi e 210Po o qual decompõe‐se () para o 206Pb estável.

Série de radioatividade


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Velocidade de decaimento radioativo

O 90Sr tem uma meia‐vida de 28,8 anos. Se 10 g de amostraestá presente em t = 0, logo, 5,0 g estará presente após28 8 anos 2 5 g após 57 6 anos e assim por diante O 90Sr28,8 anos, 2,5 g após 57,6 anos, e assim por diante. O Srdecai como:

9038Sr 90

39Y + 0‐1e

• Cada isótopo tem uma meia‐vida característica.


• As meia‐vidas não são afetadas pela temperatura, pressãoou composição química.

• Radioisótopos naturais tendem a ter meia‐vida mais longado que radioisótopos sintéticos.



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• As meias vidas podem variar de frações de segundo a• As meias‐vidas podem variar de frações de segundo a milhões de anos.

• Os radioisótopos naturais podem ser usados para determinar a idade de uma amostra.


• Esse processo é conhecido como datação radioativa.

Exemplo de decaimento para Sr


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Cálculos baseados em meia vida

• O decaimento radioativo é um processo de primeiraordemordem.

• No decaimento radioativo, a constante k é aconstante de decaimento.

• A velocidade de decaimento é chamada de atividade(desintegrações por unidade de tempo).

S N é ú i i i l d ú l N é ú


• Se N0 é o número inicial de núcleos e Nt é o númerode núcleos no tempo t, logo

ktNNt

0ln

Cálculos baseados em meia vida

• Com a definição de meia‐vida (o tempo gastoN ½N ) btpara Nt = ½N0), obtemos

21693.0

tk


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Aplicações de isótopos radioativos


Exemplo: Datação

• O carbono 14 é usado para determinar as idades de compostos orgânicos, uma que as meias‐vidas são constantes.

• Supomos que a razão de 12C para 14C tem sido constante através dos tempos.

• Para detectarmos o 14C, o objeto deve ter menos que 50 mil anos de idade.

• A meia‐vida do 14C é 5.730 anos.

l f d 14


• Ele sofre decaimento para 14N por meio de emissão :

146C 14

7N + 0‐1e

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Rastreadores radioativos

• Os rastreadores radioativos são usados para i l t t é d ãseguir um elemento através de uma reação

química.

• A fotossíntese foi estudada utilizando‐se o 14C:


• O dióxido de carbono é marcado com 14C.

Detecção da radiação

• A matéria é ionizada pela radiação.

• O contador Geiger determina a quantidade de ionizações através da detecção de uma corrente elétrica.

• Uma janela fina é penetrada pela radiação e provoca a ionização do gás Ar.

• O gás ionizado carrega uma carga e então a corrente é produzida


produzida.

• O pulso de corrente produzido quando a radiação entra é amplificado e contado.

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Detecção da radiação


Fissão Nuclear

• Durante a fissão, o nêutron que entra deve se moverentra deve se mover vagarosamente porque é absorvido pelo núcleo.

• núcleo pesado de 235U pode se separar em muitos núcleos filhos diferentes, por exemplo:


10n +

23892U 142

56Ba + 91

36Kr + 310n

libera 3,5 10‐11 J por núcleo de 235U.

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Fissão Nuclear

• Para toda fissão de 235U, são produzidos 2,4 nêutrons.

• Cada nêutron produzido pode causar a fissão de um outro núcleo de 235U.

• O número de fissões e a energia aumentam rapidamente.

• Finalmente, forma‐se uma reação em cadeia


em cadeia.

• Sem controle, ocorre uma explosão.

• Considere a fissão de um núcleo que resulta em nêutrons filhos.

Reatores Nucleares


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Lixo nuclear


Um frasco contendo urânio usado como combustível em um reator

nuclear.

Lixo nuclear

Um diagrama esquemático da Um diagrama esquemático da tentativa de isolar os lixos tentativa de isolar os lixos nucleares.nucleares.

Outras formas:Outras formas: Preparação dePreparação de


Outras formas: Outras formas: Preparação de Preparação de materiais via processo solmateriais via processo sol‐‐gel.gel.

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Reações Nucleares x Reações Químicas

• Reação Química: E ~ 103 kJ mol‐1 , T baixas

• Reação Nuclear: E ~ 109 kJ mol‐1 , T altas

Na Química, usualmente estamos mais interessados em reações que ocorrem na eletrosfera. Essas reações são de


ç q çmuito mais baixa energia que as reações nucleares.

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