Slide - Modelos Atômicos Pt1 - 2023-2

28/09/2023 1 Modelos Atômicos Prof. Luciano Andrey Montoro Departamento de Química - ICEx Modelos Atômicos 1 2 28/09/2023 2 Antoine Laurent de Lavoisier Análises Quantitativas Lei da Conservação de Massas Análises Quantitativas Lei da Conservação de Massas Numa reação química, a soma das massas dos reagentes é igual a soma das massas dos produtos "Nada se cria, nada se perde; tudo se transforma" 3 4 28/09/2023 3 Análises Quantitativas Lei das Proporções Constantes Em compostos químicos, elementos se combinam numa razão de pequenos números inteiros Joseph L. Proust, 1754 - 1826 Um composto químico sempre contém os mesmos elementos nas mesmas proporções Lei das Proporções Múltiplas John Dalton, 1766 - 1844 Lei das Proporções Múltiplas 5 6 28/09/2023 4 Modelo Atômico de Dalton Átomo A Átomo B  Os átomos de um dado elemento são idênticos.  Os átomos de elementos diferentes têm massas diferentes.  Um composto é uma combinação específica de átomos de mais de um elemento em proporções numéricas fixas 1:1, 1:2, 1:3, 2:3, 2:5, ...  Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, mas rearranjados para produzir novas substâncias. O átomo pode ser imaginado como uma minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível e indivisível. John Dalton 1807 Modelo Atômico de Dalton 7 8 28/09/2023 5 Lei Volumétrica de Gay-Lussac A razão entre os volumes de reagentes gasosos e os produtos da reação podem ser expressos em números inteiros. 1778 - 1850 Lei Volumétrica de Gay-Lussac 9 10 28/09/2023 6 Lei Volumétrica de Gay-Lussac Tubos de Geissler 11 12 28/09/2023 7 Tubos de Crookes “Raios Catódicos” Partículas com trajetórias retilíneas originadas no cátodo Fatos da História / História dos Fatos "There is nothing new to be discovered in physics now, all that remains is more and more precise measurement." William Thomson, 1900 William Thomson “Lord Kelvin” 1824 – 1907 13 14 28/09/2023 8 J.J. Thomson e os Elétrons Descobriu em 1897 que os raios catódicos são partículas negativamente carregadas, tendo ainda determinado a sua razão massa/carga (me/e). Ganhou em 1906 o prêmio Nobel. Joseph John Thomson 1856 - 1940 J.J. Thomson e os Elétrons 15 16 28/09/2023 9 J.J. Thomson e os Elétrons  Qual informação pode-se obter quanto a carga dos raios catódicos?  Os resultados obtidos permitiram calcular que m/e = -5,6857  10-9 g.C-1 Modelo Atômico de Thomson “Pudim de Passas” 17 18 28/09/2023 10 Millikan e a Carga do Elétron Determinou em 1909 a carga do elétron e consequentemente sua massa e = 1,602  10-19 C m = 9,1  10-31 Kg Modelos Atômicos 19 20 28/09/2023 11 A Descoberta da Radioatividade Henry Becquerel (1852 – 1908) Pitchblenda Marie Curie e Pierre Curie (1867 – 1934) (1854 – 1906) A Descoberta da Radioatividade Ernest Rutherford (1871 – 1937) 21 22 28/09/2023 12 Rutherford e o Núcleo Atômico Que comportamento esperar a partir do modelo atômico de Thomson? Rutherford e o Núcleo Atômico “It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you.” 23 24 28/09/2023 13 Modelo Atômico de Rutherford Rutherford (prótons - 1920) James Chadwick (neutrons - 1932) A Estrutura do Átomo 25 26 28/09/2023 14 Propriedades Representações Atômicas 27 28 28/09/2023 15 Modelo Atômico de Rutherford Algumas questões levantadas pelo modelo de Rutherford 1. Como os elétrons estão arranjados ao redor do núcleo? 2. Como o núcleo se mantém estável? 3. O que mantém os prótons unidos no núcleo? Modelos Atômicos 29 30 28/09/2023 16 Segunda Conferência Solvay – 1913 : A Estrutura da Matéria Modelo Atômico de Rutherford Ernest Rutherford 1911 31 32 28/09/2023 17 r m F e e C  2 =  2 0 4 1 r Ze e FE − +  =   ( ) m r Ze r Ze r m e r e e e 2 0 2 2 2 0 2 4 1 4 1  =   =     Força centrípeta Força eletrostática Velocidade do elétron na órbita: A velocidade do elétron varia de acordo com o raio da sua órbita. Quanto mais próximo ao núcleo, maior a sua velocidade. r ve e e+ = 0  = + e e E C a m F F    Modelo de Rutherford: Abordagem Clássica       − =   − = r Ze r Ze E r Ze m E r e e 2 2 0 ) ( 2 0 2 2 4 1 4 1 2 1    Energia total do elétron ( Ek + Ep ): A energia do elétron depende apenas do raio da sua órbita. Quanto mais próximo ao núcleo, maior sua energia. Energia Cinética: Energia Potencial: 0 2 1 2 ( )  = e e k v m E  0 4 1 2 0 ( )   = − r Ze E p r  0 8 1 2 0 ( )  = − r Ze E r  ETotal 0 + − Estados Livres Estados Ligados r →  r → 0 A energia total do elétron ligado ao núcleo é sempre negativa Modelo de Rutherford: Abordagem Clássica 33 34 28/09/2023 18 Matéria Luz Dalton Thomson Rutherford Newton Maxwell Planck Einstein Bohr & de Broglie ? Colisão de Idéias Matéria Luz Dalton Thomson Rutherford Newton Maxwell Planck Einstein Bohr & de Broglie ? A Natureza da Luz Teoria Corpuscular da Luz Isaac Newton 1643 – 1727 Isaac Newton - Século XVII • Viaja em linha reta • Sofre reflexão e refração • Transfere energia A luz é formada por pequenas partículas denominadas corpúsculos 35 36 28/09/2023 19 A Natureza da Luz Teoria Ondulatória da Luz Christiaan Huygens 1629 – 1695 “Luz é uma onda” Thomas Young 1773 – 1829 Difração Interferência A Natureza da Luz Difração 37 38 28/09/2023 20 A Natureza da Luz Interferência A Natureza da Luz Teoria Eletromagnética da Luz "The agreement of the results seems to show that light and magnetism are affections of the same substance, and that light is an electromagnetic disturbance propagated through the field according to electromagnetic laws". Maxwell - 1864 James Clerk Maxwell 1831 – 1879 Ondas de luz possuem propriedades elétricas e magnéticas, podendo viajar no vácuo em velocidade próxima a 310.740.000 m/s c =  Velocidade da luz = comprimento de onda  frequência 39 40 28/09/2023 21 Teoria Eletromagnética da Luz Espectro Eletromagnético Luz branca é um espectro contínuo de radiação eletromagnética na região do visível c =  Fatos da História / História dos Fatos "There is nothing new to be discovered in physics now, all that remains is more and more precise measurement." William Thomson, 1900 William Thomson “Lord Kelvin” 1824 – 1907 1. Espectros de Emissão 2. Radiação do Corpo Negro 3. Efeito Fotoelétrico Falhas na explicação de fenômenos envolvidos na interação luz-matéria 41 42 28/09/2023 22 Problema #1: Espectros de Emissão Testes de Chama Fogos de Artifício Problema #1: Espectros de Emissão 43 44 28/09/2023 23 Luminosos Problema #1: Espectros de Emissão Bunsen & Kirchhoff (1862) Espectroscopia Atômica Espectrômetro Robert Bunsen 1811 – 1899 Um dos químicos mais importantes da história. Dentre a sua enorme produção científica, está o desenvolvimento do primeiro espectrômetro de emissão, juntamente com Gustav Kirchhoff, e a descoberta do Rb e Cs. Espectros de Emissão Atômica 45 46 28/09/2023 24 Espectros de Emissão Atômica O padrão de linhas, ou espectro descontínuo, emitido por átomos excitados de um elemento é único Espectroscopia Atômica Espectro de Emissão Espectro de Absorção 47 48 28/09/2023 25 Espectroscopia Atômica Luz emitida a partir de gáses excitados produzem um espectro de linhas (e.g. H2) Espectroscopia Atômica  Luz branca, ao passar através de um gás (e.g. H2), irá produzir um espectro de absorção.  Observa-se linhas escuras sobre um espectro contínuo.  Linhas de absorção e emissão ocorrem na mesma frequência.  Estas linhas espectrais surgem a partir de uma transição entre energias.  Conclusão: Elétrons no átomo de H tem energias específicas e discretas. 49 50 28/09/2023 26 51 Espectroscopia Atômica  Linhas não são aleatórias → Existe um padrão n = 2 m = 3, 4, 5, 6 ... h = 364,56 nm Johann Jakob Balmer 1825 – 1898 (1885)  Previsão de novas linhas: para m = 7 →  = 397 nm Série de Balmer Equação empírica (obtida experimentalmente): 2 2 2 n m hm − =  52 Espectroscopia Atômica  Novas séries de linhas foram identificadas no UV e IR n1 = 1, 2, 3 ... n2 = n1 +1, n1 +2 ...  = 1,097  10-2 nm-1 Johannes Rydberg 1854 – 1919 (1888) Não era ainda possível explicar a origem dos espectros, mas podia-se prever as linhas de emissão do H2 Equação Geral de Rydberg (também empírica)       − =  2 2 2 1 1 1 1 n n  51 52 28/09/2023 27 Espectroscopia Atômica  Séries de linhas foram observadas nos espectros de emissão de outros elementos, mas organizadas de maneira muito mais complexa Sódio Nos metais alcalinos (sódio, potássio, rubídio, césio), as linhas se agrupam em quatro séries designadas pelo aspecto das linhas:  Fina  Principal  Difusa  Fundamental → Sharp (s) → Principal (p) → Diffuse (d) → Fundamental (f) Problema #2: Radiação do Corpo Negro A radiação do corpo negro é a radiação emitida por um corpo submetido à aquecimento. O corpo negro é idealmente cte T máx =  Lei de Wien (1893): máx T     Wilhelm Wien 1864 – 1928 T 4 Itot  =  Lei de Stefan-Boltzmann (1879): Jožef Stefan 1835 – 1893  = 56,7 nW.m-2.K-4 um corpo capaz de absorver e emitir em todos os comprimentos de onda. cte = 2,8977  10-3 m.K 53 54 28/09/2023 28 Problema #2: Radiação do Corpo Negro Problema #2: Radiação do Corpo Negro 55 56 28/09/2023 29 Problema #2: Radiação do Corpo Negro Aplicações da Radiação do Corpo Negro Lâmpadas Halógenas: W(g) + 2I(g) WI2(g) Temperatura de operação 2500K → 3400K 57 58 28/09/2023 30 Radiação do Corpo Negro Lei de Rayleigh-Jeans (1905): Abordagem Clássica: Os átomos em um material se comportam como osciladores harmônicos. 4 ( ) 8    k T U B = John William Strutt “Lord Rayleigh” 1835 – 1893 Densidade de Energia Irradiada A Lei de Rayleigh-Jeans é válida apenas para altos comprimentos de onda. Fortes emissões de raios UV, raios-X e raios- seriam observadas mesmo em baixas temperaturas. CATÁSTROFE DO ULTRAVIOLETA Radiação do Corpo Negro Energia Estados Contínuos de Energia E = 0 Teoria Clássica Energia Estados Discretos de Energia Teoria Quântica       −  = 1 1 8 5 ( ) k T hc B e hc U      A Quantização da Energia (1900) Max Planck 1858 – 1947 ‘Nobel de Física – 1918’ “a energia de cada oscilador eletromagnético é limitada a certos valores discretos e não pode variar arbitrariamente” Estes valores discretos de energia, ou pacotes de energia, são denominados QUANTA 59 60 28/09/2023 31 Teoria Quântica A teoria da quantização da luz de Max Planck foi um marco histórico no desenvolvimento da ciência, redirecionando a abordagem clássica dos séculos XVIII e IX, para a abordagem quântica no século XX; abrindo assim, novos caminhos. Problema #2: Efeito Fotoelétrico  Elétrons são ejetados quando a frequência da radiação ultrapassa um valor mínimo, característico de cada metal.  A energia cinética dos elétrons emitidos varia linearmente com a frequência da radiação incidente, e é independente da sua intensidade.  Mesmo com luz de baixa intensidade, há a ejeção de elétrons desde que a frequência seja superior ao limiar fotoelétrico. 61 62 28/09/2023 32 Efeito Fotoelétrico  Elétrons são ejetados quando a frequência da radiação ultrapassa um valor mínimo, característico de cada metal.  A energia cinética dos elétrons emitidos varia linearmente com a frequência da radiação incidente, e é independente da sua intensidade. Efeito Fotoelétrico h elétrons ejetados ligação cinética fóton E E E + = 2 2 1 me   − =    h me 2 2 1 Energia cinética dos elétrons ejetados Energia fornecida pelos fótons Energia necessária para ejetar o elétron “Função Trabalho” Albert Einstein 1879 – 1955 Partículas de radiação eletromagnética são denominadas fótons, e possuem energia h 1905 Radiação eletromagnética se comporta como uma partícula, colidindo e transferindo energia cinética. E = nh h = 6,626  10-34 J.s n = 0, 1, 2, ... 63 64 28/09/2023 33 Efeito Fotoelétrico −  =    h me 2 2 1 b ax y + = EK  Coeficiente angular (a) = h Coeficiente linear (b) = - Elétron ligado Fotoelétron A Dualidade Onda-Partícula “Luz é uma onda!” Christiaan Huygens 1629 – 1695 Thomas Young 1773 – 1829 Albert Einstein 1879 – 1955 “Luz é uma partícula!” 65 66 28/09/2023 34 1a Conferência Solvay (1911) “Radiation and the Quanta” Nernst Brillouin Solvay Lorentz Warburg Perrin Wien M. Curie Poincaré Goldschmidt Planck Sommerfeld M. de Broglie Jeans Rutherford Kamerlingh Onnes Einstein Langevin 67