Princpio da construo e Nmeros Qunticos

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Estudamos o tomo como parte constituinte da matria; responsvel por sua aparncia, comportamento, peso, reatividade. Mas o que e como se constri um tomo? A mecnica quntica est no centro desta discusso porque ela explica pelo menos parcialmente -a estrutura dos tomos e, como conseqncia, suas propriedades. Para esta discusso preciso ter familiaridade com o modelo nuclear do tomo e com a organizao geral da Tabela Peridica, preciso, tambm, os conceitos de energia cintica e energia potencial.

1. Como construir um tomo?Quando Rutherford, no comeo do sculo XX, fez a descoberta do tomo com ncleo positivo (figura ao lado), pensou que havia descoberto a teoria atmica definitiva. Ao contrrio, at hoje no temos o tomo final, mas... vamos nos virando bem com a teorias que vo surgindo. Rutherford esperava poder usar a mecnica clssica, isto , as leis de Newton, do sculo XVII, para descrever distribuio dos eltrons em torno do ncleo. Naquela poca a mecnica newtoniana era de enorme sucesso, pois podia prever o movimento de pedras e sis. A alegria durou pouco: duas perguntas bsicas eram a) como partculas girando to rapidamente como os eltrons no demonstram fora centrfuga, ou seja, no saem pela tangente; b) como foras de cargas contrrias, como entre o ncleo fortemente positivo e os eltrons no geravam atraes que acabariam com as rbitas perfeitas dos eltrons? Para investigar a estrutura interna de objetos do tamanho dos tomos preciso observ-los indiretamente, ou seja, como no nosso experimento da caixa preta, por suposies e eliminaes. Em toda a fsica e qumica mesmo na medicina uma boa dose de intuio e sorte ajudam em 70% dos casos. O mtodo mais usado a criao de um modelo e o teste do modelo para explicar os resultados experimentais. Se o ____________________________________________ 1 __________________________________Q.Geral

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modelo bom, fica anos ou dcadas em cartaz; seno vai para a lixeira e se procura outro. No caso dos tomos, sabamos que diferentes tomos queimam com diferentes cores o teste de chama que fazemos em analtica e a pergunta era: qual a relao entre cor e estrutura atmica? 2. Por que a matria pode ter luz colorida? Todos sabem que, se

pusermos um prisma na frente de um raio solar, teremos um belo arco-ris decompe particular. em Em termos espectro mais qumicos, a luz branca se um continuo, como na figura ao lado. Testando a luz atravs de vrias substncias, logo se descobriu que a luz muda com a molcula e o tomo. A anlise da radiao eletromagntica emitida ou absorvida por substncias , hoje, um ramo da qumica conhecido como ESPECTROSCOPIA, ou como usar a espectroscopia atmica a espectroscopia aplicada aos tomos para determinar sua estrutura. Gases quentes emitem luz que, ao passar pelo prisma se decompe em um espectro no contnuo, ou seja, forma linhas, veja a figura ao lado. Para piorar, os eltrons que eram considerados (agora com certeza!) do as menores partculas tomo

comearam a se comportam como ondas, e veio a teoria da dualidade carter eltrons onda-partcula: ondulatrio pde ser O dos provado

quando foi demonstrado que eles sofriam difrao. O que difrao? Voc j viu um jogador de futebol, em campo, com duas ou mais sombras? O ____________________________________________ 2 __________________________________Q.Geral

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experimento foi realizado em 1925, por dois cientistas norte-americanos e um escocs; que focalizaram um feixe de eltrons em um cristal de nquel. O arranjo regular dos tomos do cristal, cujos ncleos esto separados por 150 pm funciona como uma rede que difrata as ondas e eles observaram um padro de difrao como o figura abaixo. A difrao de eltrons tambm importante , agora, na uma tcnica da determinao

estrutura de molculas.

A mesma teoria atmica usada pelo telescpio Hubble, para estudar estrelas e galxias distantes a anos-luz de ns.

3. O TOMO REBELDE:Os problemas com o modelo do tomo de Rutherford foram resolvidos de

uma forma surpreendente por um fsico dinamarqus, jovem e meio amalucado, Niels Bohr. Em 1912, Bohr comeou a explicar o modelo pelo qual os eltrons giram em rbita ao redor do ncleo atmico. A sua explicao era interessante porque as leis faziam pouco sentido, quando comparadas com as teorias j bem estabelecidas da Fsica: Bohr dizia: "Aqui esto algumas leis que parecem impossveis, porm elas realmente funcionam para os sistemas atmicos, de forma que vamos us-las. Bohr comeou por presumir que os eltrons em rbita no descreviam movimento em espiral em direo ao ncleo. Isto contradizia tudo que se conhecia de eletricidade e magnetismo, mas adaptava-se ao modo das coisas acontecerem. Bohr determinou que os eltrons podem girar em rbita somente a determinadas distncias permitidas do ncleo e um tomo irradia energia quando um eltron salta de uma rbita de maior energia para uma de menor energia.

Veja o exemplo abaixo:A figura mostra as cinco primeiras rbitas permitidas para o nico eltron do Hidrognio. A primeira rbita situa-se um pouco alm do ncleo (0,529 ngstron). A ____________________________________________ 3 __________________________________Q.Geral

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segunda rbita permitida situa-se em um pouco mais de que 2 ngstron do ncleo (2,116 ngstron). Embora a figura mostre apenas as cinco primeiras rbitas, no existe limite para o nmero de rbitas teoricamente possveis. Por exemplo, a centsima rbita de Bohr para o tomo de hidrognio estaria dez mil vezes mais afastada do ncleo do que a primeira rbita, a uma distncia de 5.290 ngstron. rbitas de Bohr para o tomo de hidrognio: As rbitas extremamente distantes, tais como a dcima, a vigsima ou a centsima rbita, so improvveis, ou o eltron j fosse perdido pelo tomo. As rbitas mais importantes, aquelas que desempenham um papel principal na produo do espectro linear de um tomo, so as rbitas mais internas. uma lei bastante estranha esta de os eltrons poderem ocupar apenas determinadas rbitas fixas. Isto significa dizer que a maioria das rbitas seria impossvel. Um eltron de hidrognio no poderia girar numa rbita a 0,250; 1,50 ou 2,15 ngstron; as nicas rbitas permitidas so as enumeradas na figura. Suponha que uma bola atirada na parede de uma sala s pudesse seguir 2 ou 3 trajetos determinados, em vez das centenas de trajetos diferentes que ela realmente pode seguir. Seria como se a sala tivesse trajetos invisveis orientando a bola. Assim, a lei de Bohr afirma que os eltrons agem como se o espao ao redor do ncleo atmico possusse trajetos invisveis. Bohr no deu justificativa para esta estranha situao, mas provou que assim era. 4. A Luz da matria: Alm disso, um tomo absorve energia quando um eltron deslocado de uma rbita de menor energia para uma rbita de MAIOR energia. Em outras palavras, os eltrons saltam de uma rbita permitida para outra medida que os tomos irradiam ou absorvem energia. Se luz de energia adequada for absorvida pelo tomo, um eltron da

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rbita 1 salta para a rbita 2; se um eltron cai da rbita 2 para a rbita 1, h emisso de luz. As rbitas externas do tomo possuem mais energia do que as rbitas internas. O importante era que tudo isto EXPLICAVA o comportamento das barras de luzes dos gases quentes. E explicava tambm porque eram diferentes para o hidrognio, para o hlio, fsforo, etc DIFERENTES RBITAS, DIFERENTES EMISSES! Veja as figuras abaixo:

A linha vermelha no espectro atmico causada por eltrons saltando da terceira rbita para a segunda rbita.

A linha verde-azulada no espectro atmico causada por eltrons saltando da quarta rbita para a segunda rbita.

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A linha azul no espectro atmico causada por eltrons saltando da quinta rbita para a segunda rbita.

E finalmente, a linha violeta mais brilhante no espectro atmico causada por eltrons saltando da sexta rbita para a segunda rbita. Os comprimentos de onda da luz encontrados no espectro do hidrognio correspondem s diferentes rbitas. O comprimento de onda tem relao com a energia. Os menores comprimentos de onda de luz significam vibraes mais rpidas e maior energia. Veja que todos os saltos na figura so de rbitas de maior nvel para a rbita 2. Os saltos para a primeira rbita produzem irradiao ultravioleta, os saltos para a Terceira, Quarta e Quinta rbita produzem irradiao infravermelha; ambas no so vistas por nossos olhos. O salto de mais baixa energia o da terceira rbita para a segunda, e este salto produz a linha vermelha a 6,563 ngstron. Finalmente, existe uma srie de linhas na extremidade violeta do espectro, produzida por eltrons que saltam de rbitas externas distantes para a Segunda rbita.

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As rbitas determinadas por Bohr e os eltrons saltando entre estas destruram a antiga imagem dos eltrons como pequenas bolinhas girando em espiral em direo do ncleo e tambm a idia anterior de a luz era somente uma onda. Era tudo muito estranho. As idias arrojadas e imaginativas de Bohr funcionavam muito bem. Mas nem Bohr - nem ningum - conseguia compreender exatamenteDavisson e Germer e G. P. Thomson mostraram que eltrons produzem um padro de difrao quando refletidos em um cristal e quando atravessam uma folha muito fina de ouro. Teoria quando se sabe, precisamente, como G. E Thomson era filho de J. J. algo funcionaria, mas infelizmente no Thomson, que identificou o eltron. funciona. Ambos receberam o Prmio Nobel: J. J. por mostrar que o eltron uma Prtica quando algo funciona e no fazemos partcula e G. E por mostrar que o idia do por que. eltron uma onda.

como tudo funcionava.

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5. A equao da luz: Os fsicos e qumicos do sculo passado - sculo XX - tiveram que imaginar um modelo que explicasse a matria como onda-partcula. Vrias teorias foram propostas, mas um dos primeiros a formular uma teoria que funcionasse, foi o fsico-matemtico Erwin mas usada. A substituir abordagem a de Schrodinger foi de trajetria precisa de uma partcula de onda, (a letra grega muito conhecida so sem uma onda. Max Bom, enxergou um havia s uma equao: a probabilidade de Schrdinger, como era em 1927. teoria Tambm que Werner foi Heisenberg formulou uma muito funcionava, no

complicada,

por uma equao de funo psi). uma funo de onda x e cos x, que variam como Outro funo de fsico onda alemo, era a comportamento onde antes

encontrar uma partcula em certa posio; isto , a probabilidade de que a partcula esteja em certa regio do tomo. Como o quadrado de qualquer nmero sempre positivo, no temos de nos preocupar o fato de ter um sinal negativo em algumas regies do tomo, quando zero, temos um ponto nodal, no espao. A equao de Schrdinger usada para calcular as funes de onda do eltron. As solues para esta equao so chamadas de nmeros qunticos, que so agora, nosso objeto de estudo.

6. Orbitais e nmeros qunticos:Como vimos, em um tomo, alocamos os eltrons em espaos, chamados orbitais atmicos. No entanto, cuidado! Os orbitais no representam uma posio exata do eltron no espao, posio que no pode ser determinada porque o eltron tem natureza ondulatria e de partcula a chamada dualidade onda partcula da matria e apenas delimitam uma regio do espao na qual a probabilidade de encontrar o eltron maior. Os orbitais so representaes da equao de ____________________________________________ 8 __________________________________Q.Geral

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Schrdinger, onde a funo de onda, pela qual ele recebeu o Prmio Nobel de Fsica, em 1933.

Os orbitais ficam assim:

Densidades de probabilidades relativas aos orbitais do tipo Diagrama de pontos para a densidade eletrnica dos orbitais s e p. d

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Todos os Orbitais d

____________________________________________10mais complexos que os orbitais d. Q.Geral Os orbitais f - Os orbitais f so __________________________________ Eles so importantes para a qumica dos elementos lantandeos e actindeos.

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Experimentalmente se observa que sob o efeito de blindagem o eltron sempre ocupa o orbital de menor energia possvel, que estiver disponvel.

A regra

n+l

ajuda a explicar este comportamento. 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p____________________________________________11 __________________________________Q.Geral

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