Modelo Nuclear Atômico
Teoria
Afinal, do que é feita a matéria?
Na química, um conceito muiiito importante é o de matéria.
A matéria é qualquer coisa que tem massa e ocupa um espaço! Ou seja, quase tudo que a gente lida na vida hahaha! O ouro, a água e até o ar que a gente respira são exemplos de matéria.
O rolê dos cientistas era definir do que é feita a matéria, e eles chegaram a conclusão de que o átomo era fundamental para defini-la. Mas até chegarmos no conceito de átomo que a gente tem hoje em dia, muitos cientistas fizeram a sua contribuição. Vamos estudar o modelo deles?
Modelo de Dalton
O primeiro conceito de átomo vem da ideia de que qualquer coisa pode ser dividida em pedaços cada vez menores até chegar a uma partícula indivisível: o átomo.
O conceito se tornou um pouco mais científico quando Dalton viu que os elementos se combinavam sempre nas mesmas proporções (tipo pra formar água, oxigênio e hidrogênio se combinam sempre na mesma razão mássica de 2:1).
O modelo atômico de Dalton ficou conhecido como modelo bola de bilhar. E os átomos desse modelo são pequenas esferas maciças, indivisíveis e indestrutíveis.
De acordo com o modelo de Dalton:
- Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos e caracterizados por terem a mesma massa;
- Elementos diferentes tem átomos de massas diferentes;
- Um composto seria a combinação em proporções específicas de átomos de elementos;
- Em reações químicas os átomos não são criados nem destruídos, mas recombinados para formarem novos compostos.
O que tem de errado nisso aí?
Hoje a gente já sabe que os átomos de um mesmo elemento não são idênticos (lembra que existe carbono 12 e carbono 14, por exemplo?). Os átomos de um mesmo elemento são caracterizados pelo mesmo número de prótons, e não de massa.
Mas o modelo de Dalton nem próton tem... Ou seja, esse modelo é bem incompleto!
Modelo de Thomson
O modelo de Thomson é bem importante porque ele descobriu a existência dos elétrons!
Na real, ele estava fazendo um experimento sobre raios catódicos. O experimento era o seguinte: ele colocava uma fonte metálica carregada negativamente (o catodo) e uma outra fonte metálica carregada positivamente. Entre as duas, no vácuo, ele colocou duas placas carregadas, como na figura abaixo:
Thomson viu que esses raios eram, na verdade, um fluxo de partículas carregadas negativamente (já que eram atraídos pela placa positiva) e que eram idênticos, independentes do metal que ele utilizava.
Conclusão: existe uma partícula negativa comum em todos os átomos. Voilà o primeiro conceito de elétron.
Thomson disse, então, que o átomo deveria ser formado por um fluído positivo onde esses elétrons estariam mergulhados. Assim surge o modelo pudim de passas.
Ainda não chegamos nos prótons, certo? Então segura aí.
Modelo de Rutherford
Num belo dia de sol, Rutherford resolveu bombardear uma placa de ouro muito, muito, muito fina (espessura de alguns poucos átomos) com partículas alfa (positivas).
Resultado: algumas partículas α passaram pela placa no maior estilo no problem; menos de 1% das partículas α sofriam um desvio superior a 90°; algumas eram completamente refletidas na direção da fonte. O que nós concluímos com isso? Muito pouco ou quase nada. Mas Rutherford concluiu que:
- O átomo é formado por um núcleo e uma eletrosfera (ao redor do núcleo);
- O núcleo tem carga líquida positiva e concentra a massa do átomo;
- A eletrosfera é constituída, principalmente, por espaço vazio e é nela que ficam os elétrons, ao redor do núcleo.
Ele concluiu isso a partir das partículas alfa que foram refletidas! Por esse núcleo ser carregado positivamente, houve uma repulsão de cargas de mesmo sinal que causou a reflexão das partículas alfa!
As partículas que foram desviadas o foram pela sua interação com os elétrons! Mas como só algumas partículas foram desviadas, Rutherford concluiu que tinha que existir um espaço vazio no átomo, que deixou as partículas passarem sem serem afetadas.
O modelo de Rutherford ficou conhecido como modelo planetário.
Muito inteligente esse modelo, né? Mas como as partículas positivas ficam juntas no núcleo de boas sem se repelirem? Afinal, elas tem todas a mesma carga!
O modelo final: de Rutherford-Bohr
Enquanto Rutherford trabalhou pra provar a existência dos prótons, Chadwick constatou a existência dos nêutrons, partículas presentes no núcleo que serviam para estabilizar a repulsão entre os prótons do núcleo!
O modelo atômico mais aceito passou a ser formado por:
É importante você notar que a massa do elétron é irrisória perto das massas do próton e do nêutron. Por isso o número de massa de um átomo é simplesmente a soma do número de nêutrons com o número de prótons.
Lembra que a gente falou que os átomos de um mesmo elemento são caracterizados pelo mesmo número de prótons? A partir de agora o número de prótons = número atômico, combinado? Então átomos de um mesmo elemento possuem o mesmo número atômico. E a gente vai representar o número atômico pela letra .
Beleza, até agora os elétrons estão ali na eletrosfera, em movimento ao redor do núcleo. Mas a física clássica dizia que esses elétrons deveriam perder energia, ficando cada vez mais próximos do núcleo até colapsar tudo (você nunca achou estranho o núcleo positivo não atrair os elétrons até que todo mundo ficasse amontoado lá no meio?).
Pois bem, no meio desse dilema Bohr, todo trabalhado na cara de pau, mandou logo que: eu não sei porque funciona, mas sei que funciona.
Na época de Bohr, os cientistas estavam intrigados com os espectros atômicos (veremos mais pra frente 😊) e Bohr escreveu uma série de postulados pra lançar um novo modelo atômico capaz de explicar os espectros. De acordo com esses postulados:
- Os elétrons giram ao redor do núcleo em órbitas bem definidas, sem perder energia ao permanecer na mesma órbita;
- Os elétrons podem migrar para uma órbita mais externa se absorverem uma quantidade adequada de energia;
- Os elétrons podem migrar para uma órbita mais interna se emitirem uma quantidade de energia;
- Cada uma dessas órbitas ficou conhecida como nível.
Acontece que Bohr propôs seu modelo baseado em postulados. Ou seja, afirmações que não precisavam ser provadas.
E o modelo dele não foi aceito por geral, não!!!
Mas, com os pitacos de Bohr, o átomo de Rutherford ficou com essa carinha aqui:
Mas a história não terminou aí.
A partir do modelo de Bohr a quântica se desenvolveu muito e, hoje em dia, o modelo atômico mais aceito se parece com algo assim:
Mas isso a gente explica com calma nos próximos tópicos.
Beleza, hora de praticar!
Modelo de Thomson
Modelo de Rutherford
O modelo final: de Rutherford-Bohr
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
UFG – Lista de Exercícios de Química Geral. Prof. Hélen Cristine de Rezende.
Compare os modelos atômicos de Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr.
Passo 1
Nessa questão você vai precisar, basicamente, escrever um resumão de todos os modelos. O melhor é você escrever mesmo, e não só “pensar na resposta”. É quando a gente vai escrever que percebe algumas falhas do nosso raciocínio.
Passo 2
Sabemos que, no modelo Bola de Bilhar, de Dalton, os átomos eram considerados esferas maciças e indivisíveis e elementos diferentes eram caracterizados por esferas de massas diferentes.
Passo 3
Thomson incorporou o conceito de elétron e lançou o modelo Pudim de Passas, que considerava que os elétrons, negativamente carregados, estariam imersos em um fluído positivamente carregado.
Passo 4
O modelo planetário, de Rutherford, afirmava que os elétrons, negativamente carregados, giravam em torno de um núcleo positivamente carregado. Enquanto o núcleo concentrava a maior parte da massa do átomo, a eletrosfera era constituída principalmente por espaço vazio.
Passo 5
O modelo de Bohr propunha uma limitação ao movimento dos elétrons ao redor do núcleo. Eles descrevem órbitas bem definidas e que apresentam diferença de energia entre elas. Para mudar de uma órbita para outra mais afastada do núcleo, o elétron precisa receber energia correspondente a diferença de energia entre essas órbitas. Para mudar de uma órbita para outra mais interna, o elétron precisa emitir energia.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #2
UFG – Lista de Exercícios de Química Geral. Prof. Hélen Cristine de Rezende.
Compare as características das três partículas subatômicas: próton, nêutron e elétron.
Passo 1
O próton tem carga positiva, massa de 1 u e fica no núcleo do átomo.
O nêutron não tem carga, tem massa de 1 u e também fica localizado no núcleo do átomo.
O elétron tem carga negativa, massa muito inferior às do próton e nêutron e fica na eletrosfera do átomo.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #3
Elaboração Própria
Qual falha do modelo atômico de Rutherford é evidenciada pela teoria do eletromagnetismo?
Passo 1
Bora lá! Primeiro vamos fazer uma breve revisão do que que o Rutherford descobriu no experimento dele!
Ele colocou um feixe emitindo partícula alfa numa lâmina de ouro e ele viu que nem toda radiação chegava do outro lado porque algumas eram refletida ou espalhadas.
Com isso, ele concluiu que:
- o átomo é na verdade composto por um núcleo pequeno em relação ao tamanho total
- esse núcleo contem toda a massa deste átomo e tem carga elétrica positiva
- esse núcleo é rodeado por elétrons de carga negativa que orbitam esse núcleo
Beleza, mas qual é a falha então?
Passo 2
Vamos ver agora o que a teoria do eletromagnetismo diz!
Ela diz que toda partícula carregada submetida a aceleração dará origem a uma onda eletromagnética.
No modelo de Rutheford o elétron está em movimento ao redor do núcleo, certo? Pra isso, ele teria que estar submetido a uma aceleração centrípeta, para que mantenha sua velocidade constante em orbita.
Esta aceleração resultaria na emissão de energia na forma de ondas eletromagnéticas. Essas ondas além de não serem percebidas, resultariam numa perda de energia mecânica por parte do eletron, o fazendo com que ele “caísse” em direção ao núcleo.
Resposta
Para que a teoria do eletromagnetismo seja respeitada no modelo atômico de Rutherford, o movimento orbital dos elétrons deveria resultar na emissão de ondas eletromagnéticas, levando a um decaimento do eletron em direção ao núcleo.
Exercício Resolvido #4
UFG – Lista de Exercícios de Química Geral. Prof. Hélen Cristine de Rezende.
O inglês John Dalton, baseado nos resultados de medidas das massas dos participantes de reações química, propôs o primeiro modelo atômico científico. Como era esse modelo? Como seu modelo ficou conhecido?
Passo 1
O modelo propunha átomos como sendo bolinhas maciças, indivisíveis e indestrutíveis capazes de se combinar para formar compostos diferentes.
De acordo com esse modelo, átomos de um mesmo elemento possuíam a mesma massa e átomos de elementos diferentes possuíam massas diferentes.
O modelo ficou conhecido como Bola de Bilhar.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #5
UFG – Lista de Exercícios de Química Geral. Prof. Hélen Cristine de Rezende.
Ernest Rutherford realizou em 1911 um experiência que envolveu a interação de partículas alfa com a matéria. Uma amostra de polônio radioativo emite partículas alfa (portadoras de carga elétrica positiva) que incidem sobre uma lâmina muito fina de ouro. Um anteparo indica a trajetória das partículas alfa após terem atingido a lâmina de ouro. As interpretações dadas por Rutherford para os resultados dessa experiência permitiram a criação de um modelo para o átomo.
- Quais os principais resultados experimentais que levaram Rutherford a criar esse modelo para o átomo?
- Como é esse modelo?
Passo 1
- Principais resultados experimentais:
- A grande maioria das partículas α atravessavam a lâmina sem sofrer desvio.
- Algumas poucas partículas sofriam desvios de trajetória e pouquíssimas eram rebatidas em direção à fonte.
Passo 2
Isso levou ao modelo planetário.
Nele, o átomo é constituído de um núcleo denso e positivo, localizado no centro do átomo. O núcleo é cercado pela elestrosfera, constituída quase que totalmente por espaço vazio, onde ficam os elétrons em movimento ao redor do núcleo.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #6
UFS – Lista de Exercícios de Química Geral - Modificado
O conhecimento sobre estrutura atômica evoluiu à medida que determinados fatos experimentais foram sendo observados, gerando a necessidade de proposição de modelos atômicos que os explicassem. Considere os fatos observados abaixo e diga que características eles adicionaram aos modelos atômicos.
- Investigação sobre a natureza elétrica da matéria e descargas elétricas em tubos de gases rarefeitos.
- Determinação das leis ponderais das combinações químicas.
- Análise dos espectros atômicos (emissão de luz com cores características para cada elemento).
- Estudo sobre radioatividade e dispersão de partículas alfa.
Passo 1
Vamos lá: quem tava investigando uns raios que surgiam em tubos com placas metálicas sob vácuo e tal?
Isso aí, Thomson.
Então o fato obervado (I) levou a que características do modelo atômico?
Partículas negativas dispersas em um fluído positivo.
Passo 2
Segunda afirmativa: quem tava vendo as relações de massa (ponderal = relativo à peso) entre os elementos que se combinavam quando propôs um modelo atômico?
Nosso querido Dalton!
As principais características do modelo atômico dele seriam átomos como esferas maciças e indivisíveis.
Passo 3
Embora você ainda não esteja familiarizado com os espectros, você já sabe que eles influenciaram o modelo de Bohr, certo?
A análise dos espectros atômicos levou a um modelo de átomo com elétrons movimentando-se ao redor do núcleo em trajetórias circulares, denominadas níveis, com valor determinado de energia.
Passo 4
Falou em partícula alfa e você já lembrou de quem?
Bem, aqui a gente tá falando do modelo de Rutherford.
Os fatos observados na afirmativa IV levaram a um modelo atômico com núcleo denso e positivo cercado por uma elestrosfera ocupada por elétrons e muito espaço vazio.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #7
UFG – Lista de Exercícios de Química Geral. Prof. Hélen Cristine de Rezende.
O modelo de Bohr propunha um átomo com núcleo que concentrava a massa, elétrons girando circulares em torno do núcleo e níveis energéticos permitidos aos elétrons, entre outras características. Quais das características citadas ainda hoje são aceitas?
Passo 1
Primeira característica: Massa atômica concentrada no núcleo.
O modelo atômico atual concorda com o modelo de Bohr nesse aspecto. Prótons e nêutrons, responsáveis pela maior parte da massa do átomo ficam localizados no núcleo do átomo.
Passo 2
Segunda característica: Elétrons girando circulares em torno do núcleo.
Essa característica já não é mais aceita.
O modelo atômico atual considera a característica dual onda-partícula do elétron.
A trajetória é um conceito particular que se perde um pouco na visão quântica do elétron.
Considerando o aspecto ondular do elétron, não faz sentido dizer que ele está girando ao redor do núcleo. Não faz sentido, nem mesmo, perguntar onde exatamente o elétron está. Hoje, o estudo quanto a posição do elétron na eletrosfera se detém a determinar qual a parcela de espaço onde a probabilidade de encontrar o elétron é maximizada.
Passo 3
Terceira característica: níveis energéticos permitidos aos elétrons.
Essa característica ainda é aceita.
Com o estudo do efeito fotoelétrico à quantificação da energia, o modelo atômico atual concorda que os elétrons apresentam níveis energéticos bem determinados e que podem ter este estado energético alterado pela absorção ou emissão de energia também quantizada, mudando de nível.
O interessante é que, quanto Bohr afirmou isso sem provar nada, através de postulados, hoje em dia, essa característica é cientificamente provada.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #8
UFRRJ – Lista de Exercícios de Química Geral. Estrutura Atômica. Modificada.
Descreva brevemente o modelo de Bohr. Como este modelo difere da física clássica?
Passo 1
Vamos lá.
Pelo modelo de Bohr os prótons (carga positiva) e nêutrons (carga neutra) ficam no núcleo do átomo.
Ao redor do núcleo temos a eletrosfera, onde ficam os elétrons (carga negativa).
Esses elétrons giram ao redor do núcleo em órbitas. À cada órbita corresponde um nível de energia bem definido. Logo, o elétron não pode girar em qualquer órbita (qualquer distância em relação ao núcleo). Apenas determinados níveis de energia, e assim determinadas órbitas, são permitidas.
A absorção de energia faz com que o elétron “pule” para uma órbita mais energética.
A emissão de energia faz com que o elétron ”pule” para uma órbita menos energética.
Passo 2
O grande problema do modelo de Bohr para a física clássica é que, segundo ela, toda a partícula carregada (como o elétron), quando acelerada, causa a emissão de uma onda eletromagnética.
E como Bohr previa um movimento circular do elétron, existe aí o papel da aceleração centrípeta. Logo, o elétron de Bohr é uma partícula carregada sob aceleração, e deveria emitir energia.
Se o elétron emitisse energia na forma de ondas eletromagnéticas, ele deveria perder energia potencial e cinética, orbitando cada vez mais devagar e mais perto do núcleo.
O modelo de Bohr difere da física clássica, então, ao prever uma partícula carregada girando sem perder energia (num estado estacionário).
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #9
UFS – Lista de Exercícios de Química.
O entendimento da estrutura dos átomos não é importante somente como curiosidade, mas também possibilita a produção de novas tecnologias. Um exemplo disso é a descoberta dos raios catódicos, feita pelo físico Willian Crookes enquanto estudava as propriedades da eletricidade. Tal descoberta, além de ter contribuído para um melhor entendimento da constituição da matéria, deu origem aos tubos de imagem de televisores e monitores dos computadores. Alguns grandes cientistas que contribuíram para o entendimento da estrutura do átomo foram: Dalton, Rutherford, Bohr, e Linus Pauling.
Com relação à estrutura da matéria, verifique se as afirmação a seguir são verdadeiras ou falsas.
- Ao passar entre duas placas eletricamente carregadas, uma positivamente e outra negativamente, as partículas alfa desviam-se para o lado da placa negativa.
- O átomo é a menor partícula que constitui a matéria.
- Cada tipo de elemento químico é caracterizado por um determinado número de massa.
- O modelo atômico que representa exatamente o comportamento do elétron é o modelo de Rutherford-Bohr.
Passo 1
Afirmativa I: Verdadeira
Como comentamos, as partículas alfa são positivas, então, são atraídas pela placa negativa.
Pra quem ficou curioso, as partículas alfa são 2 prótons e 2 nêutrons agarradinhos. Logo, possuem carga 2+.
Passo 2
Afirmativa II: Falsa
Como a gente viu, o átomo não é indivisível!!! Ele é formado por prótons, nêutrons e elétrons.
Passo 3
Afirmativa III: Falsa
Isso é o que Dalton pensava, mas não é verdade!
Cada elemento químico é caracterizado por um determinado número atômico (Z), que é o número de prótons do átomo do elemento.
Passo 4
Afirmativa IV: Falsa
Embora o modelo de Rutherford-Bohr tenha introduzido ideias revolucionárias ao estudo do átomo – e do elétron – , ele não descreve exatamente o comportamento do elétron.
Como vamos ver nos próximos capítulos, o elétron tem comportamento dual onda-partícula e ao afirmar que ele está “descrevendo uma trajetória elíptica ao redor do núcleo”, ignoramos sua natureza ondular e todas as consequências que esse fato traz.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #10
Adaptado de Peter Atkins & Loreta Jones. Princípios de Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp 49-1.2.
J.J Thomson inicialmente chamou os raios produzidos em sua aparelhagem de “raios canais”. Os raios canais sofrem desvios ao passar entre os polos de um ímã e depois atingem a tela de fósforo. A razão (em que é a carga e a massa) das partículas que compõem os raios canais é . O catodo e o anodo do aparelho são feitos de lítio e o tubo contém hélio. Use a informação abaixo para identificar as partículas (e suas cargas) que formam os raios canais. Explique seu raciocínio.
Passo 1
Fala aí! Olha só, esse exercício quer que a gente desenvolva um araciocínio para identificar as partículas, entre o Lítio e o Hélio, que vão formar os raios canais, certinho?
Bom, vamos começar lembrando alguns conceitos importantes pra gente resolver o problema. O primeiro é que que os raios canais são aqueles que possuem carga líquida positiva! Ou seja, eles apresentam excesso de prótons em relação a elétrons, beleza?
O segundo é sobre o cálculo de massa atômica... Não podemos esquecer que no cálculo da massa atômica só entram os prótons e os nêutrons, hein?! Nada de elétrons!
Beleza! Isso quer dizer então, que o hidrogênio tem um próton, um elétron e nenhum nêutron.
A massa que vamos trabalhar aqui é a de um próton. Então ao invés de dizer que a massa do hidrogênio é 1,67.10-27 kg, a gente diz que a massa é 1 u. Ou seja, só tem uma unidade atômica... Tranquilo? É esse raciocínio que vamos seguir para identificar as partículas!
Passo 2
Agora vamos fazer uma regra de 3 com os dados que foram fornecidos pra gente, ok? Olha só:
Fazendo a multiplicação cruzada, vamos ter:
Logo:
Ok! Achamos isso aí, mas o que isso significa?
Bom, esse resultado nos mostra que a cada unidade de massa atômica, temos .
E como vimos no passo 1, que os raios canais tem carga positiva, essa carga aí se refere aos prótons, certo? E o enunciado deu pra gente o valor da carga de um próton, partiu descobrir o número de prótons dessa quantidade de carga que nós achamos, usando outra vez regra de três!
Opa! Então quer dizer que para cada unidade de massa atômica, temos prótons em excesso em relação aos elétrons, show?
Passo 3
Bom, nossa conclusão até aqui foi que, se:
Então, temos que:
Beleza? Ou seja, as partículas que formam os raios canais possuem um próton em excesso a cada 4 u.
Observando os candidatos ao cargo de partícula dos raios canais, pelo enunciado, temos lítio e hélio.
Como precisamos de espécies positivas, vamos analisar os cátions de cada um deles:
3Li+: tem 3 prótons, 4 neutrons e uma carga positiva.
2He+: tem 2 prótons, 2 elétrons e uma carga positiva.
Opa, achamos um forte candidato! Olha só, calculando a massa atômica de cada um, temos:
Então para o Lítio, temos 7 unidades de massa atômica para uma carga positiva (próton), enquanto que para o Hélio nós temos 4 unidades de massa atômica para um próton... Olha o cara aí! A gente não tava procurando exatamente quem tenha um próton em excesso para ? Achamos ele!