Disciplina Cincia dos Materiais LOM 3013 2015 M

Disciplina : Ciência dos Materiais LOM 3013 – 2015 M 1 2 - Estrutura Atômica Prof. Carlos Angelo Nunes

Estrutura Atômica Conceitos Fundamentais Átomo : Prótons + Néutrons + Elétrons Carga elétrica do próton = +1, 602. 10 -19 C Carga elétrica do elétron = - 1, 602. 10 -19 C Carga elétrica do néutron = 0 Massa do próton ~ massa do néutron = 1, 67. 10 -27 kg Massa do elétron = 9, 11 10 -31 kg

• Cada elemento químico é caracterizado pelo número de prótons no seu núcleo, ou seu número atômico (Z). • Z varia de 1 (H) a 92 (U), considerando apenas os elementos que ocorrem naturalmente. • A massa atômica de um átomo específico pode ser expressa como a soma das massas dos prótons e néutrons no interior do seu núcleo. Pergunta: Todos os átomos de um mesmo elemento químico possuem a mesma massa atômica?

• Isótopos : Átomos do mesmo elemento químico, mas com diferentes número de néutrons. • Peso atômico : Corresponde à média ponderada das massas atômicas dos isótopos do átomo que ocorrem naturalmente. A unidade de massa atômica (uma) é usada para calcular o peso atômico. • 1 uma = equivale a 1/12 da massa atômica do isótopo mais comum do carbono, o carbono 12 (12 C). Assim, cada elemento químico terá um peso atômico expresso em uma. • A massa de 6, 02. 10 23 átomos (número de avogrado) de 12 C = 12 g. Então, 1 uma/átomo = 1 g/mol. • A massa molar de um elemento corresponde à massa de 6, 02. 10 23 atomos daquele elemento. O mesmo vale para um composto ou molécula. Pergunta: Qual a massa de um átomo de Ferro? Qual a massa de um mol de Al 2 O 3?

Estrutura Atômica Elétrons nos átomos • Modelo atômico de Bohr : assume que os elétrons circulam ao redor do núcleo atômico em orbitais discretos e a posição de qualquer elétron particular está mais ou menos bem definida em termos do seu orbital. E as energias dos elétrons só podem variar de maneira discreta. • Bohr foi um dos precursores da Mecânica Quântica • A energia de um elétron pode mudar, mas para fazê-lo o elétron deve realizar um salto quântico para um estado de energia permitido mais elevado (com absorção de energia) ou para um estado de energia permitido mais baixo (com emissão de energia).

A figura abaixo mostra os três primeiros níveis de energia permitidos para o elétron do hidrogênio OBS. • O nível zero de referência corresponde ao elétron sem qualquer ligação, ou seja, o elétron livre. • O modelo de Bohr representa uma tentativa de descrever os elétrons nos átomos, em termos tanto de posição (orbitais eletrônicos) quanto da energia (níveis de energia quantizados)

• A incapacidade do modelo de Bohr de explicar vários fenômenos envolvendo os elétrons conduziu a um modelo mecânico-ondulatório. Neste, o elétron possui características tanto de uma onda como de uma partícula. • Neste novo modelo a posição do elétron é considerada como a probabilidade de um elétron estar em locais ao redor do núcleo. A posição é descrita por uma distribuição de probabilidades, ou uma nuvem eletrônica.

Números quânticos • Cada elétron é caracterizado por quatro parâmetros conhecidos como números quânticos. • O primeiro número quântico (n), chamado principal, define a camada. Este pode assumir valores inteiros a partir da unidade: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Algumas vezes essas camadas são designadas por K, L, M, N, O. . . e assim por diante • O segundo número quântico (l) define a subcamada, que é identificada por uma letra minúscula s, p, d, f; ele está relacionado à forma da subcamada. A quantidade dessas subcamadas está limitada pelo valor de n. OBS. Apenas a quatro primeiras camadas

Números quânticos • O número de estados energéticos para cada subcamada é determinado pelo terceiro número quântico, ml. Para uma subcamada s existe um único estado energético, enquanto para as subcamadas p, d e f existem, respectivamente, três, cinco e sete estados de energia. Na ausência de campo magnético externo, os estados dentro de cada subcamada são idênticos. • Associado a cada elétron há momento de spin (momento de rotação). O quarto número quântico, ms, está relacionado a este momento de spin, para o qual existem dois valores possíveis (+1/2 e -1/2) OBS. Apenas a quatro primeiras camadas

Formatos dos orbitais s, p, d e f

A figura abaixo mostra as energias relativas dos elétrons para várias camadas e subcamadas

Configurações eletrônicas • Como são preenchidos os estados quânticos em um átomo isolado (gás)? Para isso fazemos uso do Princípio de Exclusão de Pauli. • Princípio de Exclusão de Pauli: Cada estado eletrônico pode comportar no máximo dois elétrons, os quais devem possuir spins opostos. • Os elétrons preenchem os estados energéticos mais baixos possíveis nas camadas e subcamadas eletrônicas, dois elétrons (que possuem spins opostos) por estado.

Elétrons de valência • São aqueles que ocupam a camada mais externa. São estes elétrons que participam da ligação entre os átomos para formar agregados atômicos e moleculares. • Muitas das propriedades físicas e químicas dos sólidos estão baseadas nestes elétrons de valência. • Alguns átomos possuem o que é denominado configuração eletrônica estável, isto é, os estados na camada eletrônica mais externa, ou de valência, estão completamente preenchidos Esses elementos (Ne, Ar, Kr, He) são os gases inertes, ou gases nobres, que são, virtualmente não reativos. He : 1 s 2 Ne: 1 s 2 2 p 6 Ar: 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 Kr: 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 10 4 p 6 Xe: 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 10 4 p 6 5 s 2 4 d 10 5 p 6 Rn: 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 10 4 p 6 5 s 2 4 d 10 5 p 6 6 s 2 4 f 14 5 d 10 6 p 6

A Tabela Periódica • Elementos posicionados em ordem crescente de número atômico, em sete fileiras horizontais chamadas de períodos • Todos os elementos localizados em uma dada coluna ou grupo, possuem estruturas semelhantes dos seus elétrons de valência, assim como propriedades físicas e químicas similares

Alcalinos terrosos Gases nobres Halogênios Metais de transição • Metais de transição: possuem estados eletrônicos d parcialmente preenchidos e, em alguns casos, um ou dois elétrons na próxima camada energética mais elevada.

• Metais : elementos eletropositivos, indicando que são capazes de ceder seus poucos elétrons de valência para se tornarem íons carregados positivamente • Os elementos situados no lado direito da tabela são eletronegativos, isto é, prontamente aceitam elétrons para formar íons carregados negativamente, ou algumas vezes compartilham elétrons com outros átomos.