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Aula de quimica inorganica
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Estrutura eletrnica dos tomos
* Muito do entendimento atual sobre a estrutura eletrnica dos tomos veio da anlise da
luz emitida ou absorvida pelas substncias estudos de espectroscopia
* Para entender a base para o mtodo atual da estrutura eletrnica devemos primeiro
compreender mais sobre a luz
Radiao eletromagntica
* Desde os gregos, h mais de 2000 anos que o magnetismo conhecido sec XII a
atrao magntica exercida sobre im pelo campo magntico terrestre ja era usada para
orientao dos navegantes
* Em quase 2 sculos seguidos, cientistas como Coulomb estudaram os fenmentos
eltricos e magnticos de forma isolada
Ondas: Campo eltrico/magntico oscilatrios perpendiculares entre si
* Em 1864, James Maxwell estabeleceu que qualquer radiao visvel ou invisvel era a propagao de um campo eltrico e de um campo magntico vibratrios, constantemente normais entre si
Radiao eletromagntica
* Existem vrios tipos de radiaes eletromagnticas alm da luz visvel:
- ondas de rdio (que transportam a msica)
- radiao infravermelho (calor de lareiras incandescentes)
- raios X (usadas em radiografias)
Radiao eletromagntica
* Todos os tipos de radiaes eletromagnticas movem-se no vcuo a uma mesma velocidade
C = 3,00 x 108 m/s Velocidade
da luz
* Todas as radiaes eletromagnticas tem caractersticas ondulatrias
Radiao eletromagntica
* Uma seo transversal de onda mostra que ela peridica:
- A distncia entre os picos (depresses) chamada de comprimentos de onda - A frequncia representa o nmero de vibraes produzidas na unidade de tempo Relao entre e = c
Radiao eletromagntica
Relao entre e = c
Radiao eletromagntica
A Figura mostra vrios tipos de radiao eletromagntica distribudos em ordem crescente de
um mostrador chamado espectro eletromagntico
A luz visvel de 400 a 700 nm corresponde a uma poro extremamente pequena do espectro eletromagntico!!!!
Radiao eletromagntica
Radiao como forma de energia
quantizada e ftons
* Vimos que a radiao eletromagntica tem caractersticas ondulatrias
* Porm, qualquer radiao transporta energia quando slidos so aquecidos emitem
radiaes (ex. incadescncia vermelha dos trempes de um fogo eltrico)
* Em 1900, um fsico alemo Max Planck descobriu que a energia das radiaes emitidas
(ou absorvidas) por tomos e molculas s poderia assumir quantidades discretas
quantum
* Planck considerou que a energia de um nico quantum:
E = h. const. de Planck = 6,63 x 10-34 joule segundos (J s)
* De acordo com a Teoria de Planck, a energia sempre emitida ou absorvida pela matria em mltiplos inteiros de h (2 h, 3 h etc)
A proposta revolucionria de Planck sobre a energia ser
quantizada
Prmio Nobel de Fsica em 1918 por seu trabalho sobre Teoria Quntica
* Em 1905, Albert Einstein (1879 1955) usou a Teoria Quntica de Planck para
explicar o efeito fotoeltrico
emisso de eltrons por metais sob a ao de luz incidente
Efeito Fotoeltrico
* Einstein sups que a energia radiante atingindo a superfcie metlica um fluxo de
pacotes minsculos de energia
* Cada pacote de energia fton (partcula minscula)
* Ampliando a Teoria Quntica de Planck, Einstein deduziu que cada fton deveria ter uma
energia proporcional a frequncia de luz Efton = h.
* necessrio uma certa quantidade de energia para que o eltron vena as foras atrativas que
o prendem ao metal
* Se os ftons tm energia suficiente os eltrons so emitidos
Nota:
Apesar de a Teoria de luz de Einstein explicar o efeito fotoeltrico e muitas outras observaes
ela apresentou uma situao embaraosa:
Efton = h.
A luz uma onda ou ela constituda de partculas????
O certo que a luz apresenta propriedades de ambos
Luz comportamento dual de partcula - onda
Espectro de Emisso
Uma fonte especfica de energia radiante pode emitir um comprimento de onda nico
radiao monocromtica (luz de um laser)
Entretanto, a maioria das radiaes comuns produz radiao contendo muitos diferentes
Quando tal radiao separada em seus diferentes componentes um espectro
produzido
2 tipos de espectros podem ser produzidos
*O espectro pode ser produzido quando um prisma dispersa a luz de uma lmpada incandescente
Espectro contnuo
O espectro produzido uma faixa contnua de cores
(violeta funde-se ao azul, o azul ao verde.)
Ex. Arco ris
* Nem todas as fontes de radiao produzem um espectro contnuo
Quando diferentes gases so colocados sob presso em um tubo e uma alta voltagem aplicada
Tais gases emitem radiao apenas a especficos
Espectro de Linhas ou de riscas
Um raio de luz branca refratado e disperso por um prisma em uma continuidade de cores. Tal espectro chamado espectro contnuo.
Quando eletricidade passa atravs do gs hidrognio, ou quando o gs aquecido a uma alta temperatura, o hidrognio emite luz. Entretanto, quando sua luz atravessa um prisma, o resultado no um espectro contnuo, mas uma linha espectral, ou seja, um conjunto de linhas distintas, cada uma produzida pela luz de um comprimento de onda discreto.
Espectro contnuo
Espectro de Linhas ou de riscas
Espectro de Linhas ou de riscas
* As linhas coloridas so separadas por regies pretas ( ausentes da luz)
* Cada elemento tem o seu espectro de emisso nico o que constitui um
meio de identificar esse elemento
Espectro de Hidrognio e Modelo de Bohr
*Os trabalhos de Planck e Einstein abriram caminho para a compreenso de como os
eltrons so distribudos nos tomos: Em 1913, o fsico dinamarqus Niels Bohr props
uma explicao terica dos espectros de linhas
* Se introduzirmos hidrognio rarefeito numa ampola de vidro e fizermos passar uma
descarga eltrica atravs da ampola haver emisso de luz Espectro de linhas de
Hidrognio
Onde: = comprimento de onda de uma linha espectral R = 1,096776 x 107 m-1 (constante de Rydberg) n1 e n2 = nmeros inteiros e positivos sendo n2 > n1
* Em 1885 um professor suo chamado Johann Balmer observou que os das 4 linhas
de H (no visvel) encaixava de maneira intrigante em uma frmula simples. Tal equao de
Balmer foi estendida para uma equao mais geral (equao de Rydberg), permitindo
calcular os de todas as linhas espectrais do hidrognio (UV, Vis e IV)
* As riscas dos espectros do Hidrgnio agrupam-
se em sries, sendo as principais conhecidas pelo
nome dos cientistas que as descobriram
* Com isso, j se tinha a idia de nveis de energia transio de nveis de
energia
Entretanto, esta estraordinria equao simples, os fatos descritos ainda no
podiam ser explicados em termos de uma Teoria Clssica
Onde: = comprimento de onda de uma linha espectral R = 1,096776 x 107 m-1 (constante de Rydberg) n1 e n2 = nmeros inteiros e positivos sendo n2 > n1
Rutherford
* tomos com ncleos de carga + em torno de qual giravam os eltrons
*Admitindo o comportamento clssico haveria emisso de radiao eletromagntica sucessivamente at o eltron colidir no ncleo *Ao aproximar-se do ncleo, o eltron percorreria uma gama de frequncia contnua
tomo instvel Emitiria um espectro contnua
conclusao
evidncias experimentais contrrias!!!
Camila BarbosaRealce
Camila BarbosaRealce
Camila BarbosaRealce
De acordo com a fsica clssica, uma partcula carregada (como o eltron) que se move em uma
tragetria circular perderia energia continualmente pela emisso de radiao eletromagntica.
A medida que o eltron perde energia ele deve mover-se em forma de espiral em direo ao
ncleo
Bohr, ento, assumiu que as leis predominantes da fsica eram
inadequadas para descrever todos os aspectos dos tomos e adotou a
idia de Planck de que as energias eram quantizadas
Bohr, baseado no modelo de Rutherford, avanou alguns postulados revolucionrios para a poca prmio Nobel da Fsica em 1922 por ter explicado o espectro do tomo de H
Modelo de Bohr
* Baseou o seu modelo em 3 postulados:
1 Somente rbitas de certos raios, correspondendo a certas energias definidas so
permitidas para os eltrons em um tomo
2 Um eltron em certa rbita permitida tem certa energia especfica e est em um estado de
energia permitido. Um eltron em estado de energia permitido no irradiar energia e,
portanto, no se mover em forma de espiral em direo ao ncleo
3 A energia s emitida ou absorvida por um eltron quando ele muda de um estado de
energia permitido para outro. Essa energia emitida ou absorvida como fton E = h.
Existiam certas rbitas permitidas nas quais o eltron podia se mover sem emitir radiao eletromagntica.
Alm disso, essas eram rbitas, em que o momento angular do eltron (que para um objeto em rotao mvr) mltiplo de h/2p:
Modelo de Bohr
Dado o eltron descrever uma rbita sem emitir energia, a cada rbita deve corresponder uma energia constante, que ser a soma da energia cintica e da energia potencial:
e = carga do eltron
No entanto, para que o eltron se mantenha na rbita necessrio:
Fora Centrpeta = Fora Eletrosttica
Substituindo na expresso anterior
Modelo de Bohr
Pelos postulados de Bohr, os raios das rbitas permitidas so dados pela expresso:
Elevando ambos membros da expresso ao quadrado e a sabendo que mv2 = e2/r e substituindo teremos:
Substituindo o valor de r na expresso para a energia total, obtemos as energias permitidas para o eltron no tomo de hidrognio
Modelo de Bohr
Bohr calculou as energias correspondentes a
cada rbita permitida:
Quadro 1
* Cada rbita corresponde a um valor
diferente de n e o raio da rbita aumenta medida que n aumenta
* A rbita mais prxima do ncleo: n = 1, depois a segunda mais prxima em n = 2 .
* Estado fundamental do tomo o estado de energia mais baixo (n=1)
* Estado excitado do tomo quando o eltron est em uma rbita de energia mais alta
(n= 2)
NOTA:
O que acontece ao raio da rbita e energia com n (infinitamente grande)???
o eltron est completamente separado do seu ncleo
Quadro 2
Modelo de Bohr
No 3 postulado Bohr sups que o eltron poderia saltar de um estado de energia
permitido para outro, absorvendo ou emitindo ftons cuja energia radiante
corresponda exatamente a diferena entre os 2 estados
Absorver energia O eltron pode saltar para uma rbita mais externa ( energia e n)
Emitir energia Eltron pode saltar para outra rbita de energia ( n)
Modelo de Bohr
Quadro 3
ni = nmero quntico principal
do estado inicial
nf = nmero quntico principal
do estado final
Quadro 4
* A equao derivada da Teoria de Bohr corresponde a equao de Rydberg obtida
com dados experimentais
* Portanto, a existncia de linhas espectrais pode ser atribuda aos pulos
quantizados de eltrons entre nveis de energia
* A Teoria de Bohr explica
com sucesso o espectro do
tomo de H
* As riscas no espectro
correspondem a transies
eletrnicas entre os vrios
nveis energticos, que por
sua vez correspondem a
transies entre as
diferentes rbitas do tomo
Modelo de Bohr
Limitaes do modelo de Bohr
* O modelo de Bohr quando aplicado a tomos com mais de 1 eltron no consegue
explicar os dados experimentais/no pode explicar o espectro de linhas de outros
tomos!!!!
* Problema em descrever o eltron meramente com uma partcula circulando ao redor do
ncleo pois o eltron exibe propriedade de onda
concluso
O modelo de Bohr apenas um importante passo em direo ao desenvolvimento
de um modelo mais abrangente
O mais importante sobre a Teoria de Bohr apresenta 2 idias principais
que tambm so incorporadas por nosso modelo atual
O mais importante sobre a Teoria de Bohr apresenta idias principais que tambm
so incorporadas por nosso modelo atual:
* Os eltrons existem em apenas nveis de energia distintos nmeros qunticos
* A energia est envolvida em movimentao de um eltron de um nvel pra outro
* O modelo atual usa idias dos estados fundamentais e excitados para descrever as
estruturas eletnicas dos tomos
Modelo de Bohr
Camila BarbosaRealce
Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda
O passo fundamental para o estabelecimento da Teoria Quntica foi dado por Louis de Broglie, em 1924
Experimentos fotoeltrico radiao eletromagntica como partculas
Experimentos de difrao radiao eletromagntica como ondas
dualidade onda-partcula da radiao eletromagntica
Se a radiao eletromagntica por longo tempo foi interpretada apenas como ondas tem carter dual
Ser que a matria que desde a poca de Dalton foi entedida como sendo constituda por partculas poderia ter propriedades de ondas???
Em 1925 o cientista francs Louis de Broglie sugeriu que todas as partculas deveriam ser entendidas como tendo propriedades de ondas!!!!
Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda
=h/m.v
Suponha que o eltron, girando em rbitas ao redor de um tomo de Hidrognio, fosse
visto como uma onda, com caracterstico
De Broglie sugeriu que o eltron, em seu movimento ao redor do ncleo, tinha associado
a ele um particular
Broglie props que o caracterstico do eltron ou qualquer outra partcula depende
de sua massa m e de sua velocidade v.
h = const. de Planck m.v = momento
expresso que relaciona claramente o aspecto ondulatrio e corpuscular da radiao
c = , onde: c = velocidade 2,99 x108 m s-1
= comprimento de onda = freqncia
E = h , onde: E = energia da radiao h = cte de Planck (6,62 x 10-34 m2 kg s-
1)
Portanto: E = h c / , onde: 1 / = (nmero de onda)
E = h c
Da Teoria de Einstein temos que: E = m c2
h c = m c2 h = m c = m c / h
ou = h / m c
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Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda
De Broglie usou o temo ondas de matria para descrever as caractersticas ondulatrias
das partculas materiais. Estabeleceu a forma irrefutvel que as partculas subatmicas
apresentam um carter dual de partcula-onda
Prmio Nobel de Fsica em 1929
* Poucos anos aps De Broglie publicar sua teoria, as propriedades ondulatrias do
eltron, foram demonstradas experimentalmente
* Os eltrons eram difratados pelos cristais do mesmo modo que os raios X sofriam
difrao
* A tcnica de difrao de eltrons tem se desenvolvido enormemente (microscopia
eletnica)
Comportamento ondulatrio da matria a dualidade partcula-onda
A descoberta da dualidade onda-partcula abalou as fundaes da fsica clssica:
Na mecnica clssica uma partcula tem uma tragetria definida a partcula segue
um caminho em que a localizao e o momento so especificados a cada instante
Entretanto, no possvel especificar a localizao precisa de uma partcula se ela se comporta como uma onda
impossvel determinar exatamente onde um eltron est localizado em um tempo determinado
Uma das mais importantes consequncias da dualidade partcula onda o
princpio da incerteza de Heiserberg
Princpio da incerteza de Heisenberg
Heisenberg estabeleceu que impossvel determinar
simultaneamente o momento (mv) e a posio (x) de
uma partcula, para alm de uma incerteza dada por:
Um dos fundadores da Mecnica Quntica
onde: h a constante de Planck (6.6262 x 10-34 J.S)
Quanto mais certeza tivermos quanto a posio do eltron menor ser a preciso com
que podemos definir sua velocidade
Princpio da incerteza de Heisenberg
Isto rompe com a Teoria de Bohr, pois no podemos saber simultaneamente a posio e a velocidade do eltron!!!
O eltron de um tomo de Hidrognio no pode ser descrito como estando em uma rbita ao redor do ncleo com uma tragetria definida
Deixa-se de falar em rbitas orbitais
zonas em torno do ncleo onde elevada a
probabilidade de encontrar o eltron com uma dada energia
Tem-se incio a Teoria Quntica Moderna