Modelos Atômicos

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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL EDUCAÇÃO E CORRELATOS MODELOS ATÔMICOS RONIE ANDERSON PEREIRA Ensino de Química Professor Orientador: Fernanda Fabero Guedes Canoas, agosto de 2006 INTRODUÇÃO É de extrema importância para um futuro profissional de química o conhecimento dos modelos atômicos criados pelo homem no decorrer da história da química para podermos compreender a evolução desta ciência com melhor clareza e profundidade, pois para Bosquilha (2003) "toda a história da química está baseada no átomo". Não é de hoje que o homem se preocupa com o conceito de átomo, segundo Sardela (1998) "a idéia de átomo surgiu entre os filósofos gregos quando eles começaram a discutir a seguinte questão: o que ocorre quando quebramos uma porção de matéria em pedaços cada vez menores?" É indiscutível a contribuição que a química trouxe para a humanidade através do estudo do átomo, novos materiais e medicamentos foram criados, a qualidade de vidas das pessoas foi melhorada e embora existam muitos problemas ainda a serem enfrentados vivemos em muito químico. MODELO ATÔMICO DE DEMÓCRITO Demócrito (a. C. 460 – 370 a. C.) era natural da cidade portuária de Abdera, na costa norte do mar Egeu. Considerado o último grande filósofo da natureza, Demócrito concordava com seus antecessores num ponto: as transformações que se podiam observar na natureza não significavam que algo realmente se transformava. Ele presumiu, então, que "os materiais fossem formados por partículas minúsculas." (Bosquilha, 2003) A palavra átomo significa indivisível. Para Demócrito era muito importante estabelecer que as unidades constituintes de todas as coisas não podiam ser divididas em unidades ainda menores. Isto porque se os átomos também fossem passíveis de desintegração e pudessem ser divididos em unidades ainda menores, a natureza acabaria por se diluir totalmente. Além disso, as partículas constituintes da natureza tinham que ser eternas, pois nada pode surgir do nada. Neste ponto, Demócrito concordava com Parmênides e com os eleatas. Para ele, os átomos eram unidades firmes e sólidas. Só não podiam ser iguais, pois se todos os átomos fossem iguais não haveria explicação para o fato de eles se combinarem para formar por exemplo rochas ou mesmo seres. Demócrito achava que existia na natureza uma infinidade de átomos diferentes: alguns arredondados e lisos, outros irregulares e retorcidos. E precisamente porque suas formas eram tão irregulares é que eles podiam ser combinados para dar origem a corpos os mais diversos. Independentemente, porém, do número de átomos e de sua diversidade, todos eles seriam eternos, imutáveis e indivisíveis. Se um corpo – por exemplo, de uma árvore ou de um animal – morre e se decompõe, seus átomos se espalham e podem ser reaproveitados para dar origem a outros corpos. Pois se é verdade que os átomos se movimentam no espaço, também é verdade que eles possuem diferentes engates e podem ser novamente reaproveitados na composição de outras coisas que vemos ao nosso redor. É claro que também podemos construir objetos de barro. Mas o barro nem sempre pode ser reaproveitado, pois se desfaz em partes cada vez menores, até se reduzir a pó. E estas minúsculas partículas de argila podem ser reunidas para formar novos objetos. Hoje em dia podemos dizer que a teoria atômica de Demócrito estava quase perfeita. De fato, a natureza é composta de diferentes átomos, que se ligam a outros para depois se separarem novamente. Um átomo de hidrogênio presente numa molécula de água pode ter pertencido um dia à uma molécula de metano. Um átomo de carbono que está hoje no músculo de um coração provavelmente esteve um dia na cauda de um dinossauro. Demócrito não teve acesso aos aparelhos eletrônicos de nossa época. Na verdade, sua única ferramenta foi a sua razão. Mas a razão não lhe deixou escolha. Se aceitamos que nada pode se transformar, que nada surge do nada e que nada desaparece, então a natureza simplesmente tem de ser composta por partículas minúsculas, que se combinam e depois se separam. Demócrito não acreditava numa força ou numa inteligência que pudessem intervir nos processos naturais. As únicas coisas que existem são os átomos e o vácuo, dizia ele. E como ele só acreditava no material, nós o chamamos de materialista. Por detrás do movimento dos átomos, portanto, não havia determinada intenção. Mas isto não significa que tudo o que acontece é um acaso, pois tudo é regido pelas inalteráveis leis da natureza. Demócrito acreditava que tudo o que acontece tem uma causa natural; uma causa que é inerente à própria coisa. Para Demócrito, a teoria atômica explicava também nossas percepções sensoriais. Quando percebemos alguma coisa, isto se deve ao movimento dos átomos no espaço. Quando vejo a Lua, isto acontece porque os átomos da Lua tocam os meus olhos. Mas o que acontece com a consciência? Está aí uma coisa que não pode ser composta de átomos, quer dizer, de coisas materiais, certo? Errado. Demócrito acreditava que a alma era composta por alguns átomos particularmente arredondados e lisos, os átomos da alma. Quando uma pessoa morre, os átomos de sua alma espalham-se para todas as direções e podem se agregar a outra alma, no mesmo momento em que esta é formada. Isto significa que o homem não possui uma alma imortal. E este é um pensamento compartilhado por muitas pessoas em nossos dias. Como Demócrito, elas acreditam que a alma está intimamente relacionada ao cérebro e que não podemos possuir qualquer forma de consciência quando o cérebro deixa de funcionar e degenera. Com sua teoria atômica, Demócrito coloca um ponto final, pelo menos temporariamente, na filosofia natural grega. Ele concorda com Heráclito em que tudo flui na natureza, pois as formas vão e vêm. Por detrás de tudo o que flui, porém, há algo de eterno e de imutável, que não flui. A isto ele dá o nome de átomo. MODELO ATÔMICO DE JOHN DALTON Segundo Brady (2003) "O verdadeiro pai da Química Moderna poderia ser considerado o inglês John Dalton , que propôs sua teoria atômica da matéria em 1803, que diz: átomos de elementos diferentes possuem propriedades diferentes entre si. átomos de um mesmo elemento possuem propriedades iguais e de peso invariável. átomos são partículas reais, indivisíveis e descontínuas formadoras da matéria. nas reações químicas, os átomos permanecem inalterados. na formação dos compostos, os átomos entram em proporções numéricas fixas 1:1, 1:2, 1:3, 2:3, 2:5 etc. O peso total de um composto é igual à soma dos pesos dos átomos dos elementos que o constituem. Dalton foi o primeiro cientista a desenvolver uma teoria atômica, segundo " a matéria é composta de partículas indivisíveis chamdas átomos, todos os átomos de um dado elementos têm as mesmas propriedades, as quais diferem das propriedades de todos os outros elementos e uma reação consiste, simplesmente, num rearranjo dos átomos dce um conjunto de combinações para outro. Entretanto, os átomos individuais permanecem intactos. Todo modelo não deve ser somente lógico, mas também consistente com a experiência. No século XVII, experiências demonstraram que o comportamento das substâncias era inconsistente com a idéia de matéria contínua e o modelo de Aristóteles desmoronou. Em 1810 foi publicada a obra New System of Chemical Philosophy (Novo sistema de filosofia química), nesse trabalho havia teses que provavam suas observações, como a lei das pressões parciais, chamada de Lei de Dalton, entre outras relativas à constituição da matéria. Existe um número pequeno de elementos químicos diferentes na natureza; Reunindo átomos iguais ou diferentes nas variadas proporções, podemos formar todas as matérias do universo conhecidos. MODELO ATÔMICO DE THOMSON Segundo Beltran (1990) " a descoberta do elétron foi realizada em 1897 pelo físico J. J. Thomson, graças a sua imaginação e a sua lógica, conseguiu moldar os experimentos e ma descoberta resultante. No modelo atômico de Thomson, proposto em 1904, o átomo era considerado como um tipo de fluido com uma distribuição esférica contínua de carga positiva onde se incrustavam um certo número de elétrons, com carga negativa, o suficiente para neutralizar a carga positiva. O modelo tinha como hipótese a existência de configurações estáveis para os elétrons ao redor das quais estes oscilariam. Contudo, segundo a teoria eletromagnética clássica, não pode existir qualquer configuração estável num sistema de partículas carregadas se a única interação entre elas é de caráter eletromagnético. Além disso, como qualquer partícula com carga elétrica em movimento acelerado emite radiação eletromagnética, o modelo tinha como outra hipótese que os modos normais das oscilações dos elétrons deveriam ter as mesmas freqüências que aquelas que se observavam associadas às raias dos espectros atômicos. "... esse modelo é um progresso em relação ao de Dalton, pois é capaz de justificar as propriedades elétricas da matéria." (Beltran, 1990, p. 100) Para Thomson (Beltran, 1990), o átomo era como um bolo de matéria positivamente carregada com elétron negativamente carregado encravados, como passas em um bolo. "... o modelo de Thomson era apenas um esboço da imagem do átomo." (Beltran, 1990, p. 105) Mas não foi encontrada qualquer configuração para os elétrons de qualquer átomo cujos modos normais tivessem qualquer uma das freqüências esperadas. De qualquer modo, o modelo de Thomson foi abandonado principalmente devido aos resultados do experimento de Rutherford. MODELO DE RUTHERFORD Em 1911, o cientista neozelandês Ernest Rutherford, utilizando os fenômenos radiativos no estudo da estrutura atômica, descobriu que o átomo não seria uma esfera maciça, mas sim formada por uma região central, chamada núcleo atômico, e uma região externa ao núcleo, chamada eletrosfera. No núcleo atômico estariam as partículas positivas, os prótons, e na eletrosfera as partículas negativas, os elétrons. Para chegar a essas conclusões Rutherford e seus colaboradores bombardearam lâminas de ouro com partículas a (2 prótons e 2 nêutrons) utilizando a aparelhagem esquematizada acima. "... é conveniente descrever a experiência de Rutherford e discutir as diferenças entre os resultados esperados e os realmente obtidos" (Beltran, 1990, p. 101) Rutherford observou que a grande maioria das partículas atravessava normalmente a lâmina de ouro que apresentava aproximadamente 10-5 cm de espessura. Outras partículas sofriam pequenos desvios e outras, em número muito pequeno, batiam na lâmina e voltavam. O caminho seguido pelas partículas a podia ser detectado devido ?s cintilações que elas provocavam no anteparo de sulfeto de zinco. Comparando o número de partículas a lançadas com o número de partículas a que sofriam desvios, Rutherford calculou que o raio do átomo deveria ser 10.000 a 100.000 vezes maior do que o raio do núcleo, ou seja, o átomo seria formado por espaços vazios. Por esses espaços vazios a grande maioria das partículas a atravessava a lâmina de ouro. Os desvios sofridos pelas partículas a eram devidos às repulsões elétricas entre o núcleo (positivo) e as partículas a, também positivas, que a ele se dirigiam. O modelo de Rutherford (figura ao lado) ficou conhecido como "modelo planetário". A experiência de Rutherford mostrou que no núcleo atômico além do próton deveria existir uma outra partícula. Esta foi descoberta em 1932 pelo cientista inglês James Chadwick e recebeu o nome de nêutron. Prótons, elétrons e nêutrons são as principais partículas presentes num átomo. Elas são chamadas partículas elementares ou subatômicas e suas principais características são: "Partícula "Massa "Massa "Carga elétrica "Carga " " "(grama) "relativa "(Coulomb) "relativa " "Próton (p+) "1,7.10-24 "1 "+1,6.10-19 "+1 " "Nêutron (n0) "1,7.10-24 "1 "0 "0 " "Elétron (e-) "9,1.10-28 "1/1840 "-1,6.10-19 "-1 " Observe que as partículas presentes no núcleo atômico apresentam a mesma massa e que essa é praticamente 2.000 vezes maior do que a massa do elétron. A massa de um átomo está praticamente concentrada numa região extremamente pequena do átomo: o núcleo atômico. A quantidade atômica de prótons e elétrons presentes num átomo é a mesma, o que faz com que ele seja eletricamente neutro. Em 1911, Rutherford e colaboradores (Geiger e Marsden) bombardearam uma lâmina metálica delgada com um feixe de partículas alfa atravessava a lâmina metálica sem sofrer desvio na sua trajetória (para cada 10.000 partículas alfa que atravessam sem desviar, uma era desviada). Para explicar a experiência, Rutherford concluiu que o átomo não era uma bolinha maciça. Admitiu uma parte central positiva muito pequena mas de grande massa ("o núcleo") e uma parte envolvente negativa e relativamente enorme ("a eletrosfera ou coroa"). Se o átomo tivesse o tamanho do Estádio do Morumbi, o núcleo seria o tamanho de uma azeitona. Surgiu assim o modelo nuclear do átomo. O modelo de Rutherford é o modelo planetário do átomo, no qual os elétrons descrevem um movimento circular ao redor do núcleo, assim como os planetas se movem ao redor do sol. MODELO ATÔMICO DE BOHR Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr, ao estudar espectros de emissão de certas substâncias, modificou o modelo de Rutherford. No inicio do século XX era fato conhecido que a luz branca (luz solar, por exemplo) podia ser decomposta em diversas cores. Isso é conseguido fazendo com que a luz passe por um prisma. No caso da decomposição da luz solar obtém-se um espectro chamado espectro continuo. Este é formado por ondas eletromagnéticas visíveis e invisíveis (radiação ultravioleta e infravermelho). Na parte visível desse espectro não ocorre distinção entre as diferentes cores, mas uma gradual passagem de uma para outra. O arco-íris é um exemplo de espectro contínuo onde a luz solar é decomposta pelas gotas de água presentes na atmosfera. Como a cada onda eletromagnética está associada certa quantidade de energia, a decomposição da luz branca produz ondas eletromagnéticas com toda e qualquer quantidade de energia. No entanto, se a luz que atravessar o prisma for de uma substância como hidrogênio, sódio, neônio etc. será obtido um espectro descontínuo. Este é caracterizado por apresentar linhas coloridas separadas. Em outras palavras, somente alguns tipos de radiações luminosas são emitidas, isto é, somente radiações com valores determinados de energia são emitidas. Baseado nessas observações experimentais, Bohr elaborou um novo modelo atômico cujos postulados são: na eletrosfera os elétrons não se encontram em qualquer posição. Eles giram ao redor do núcleo em órbitas fixas e com energia definida. As órbitas são chamadas camadas eletrônicas, representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q a partir do núcleo, ou níveis de energia representados pelos números 1, 2, 3, 4...; os elétrons ao se movimentarem numa camada eletrônica não absorvem nem emitem energia; os elétrons de um átomo tendem a ocupar as camadas eletrônicas mais próximas do núcleo, isto é, as que apresentam menor quantidade de energia; um átomo está no estado fundamental quando seus elétrons ocupam as camadas menos energéticas; quando um átomo recebe energia (térmica ou elétrica), o elétron pode saltar para uma camada mais externa (mais energética). Nessas condições o átomo se torna instável. Dizemos que o átomo se encontra num estado excitado; os elétrons de um átomo excitado tendem a voltar para as camadas de origem. Quando isso ocorre, ele devolve, sob a forma de onda eletromagnética, a energia que foi recebida na forma de calor ou eletricidade. Esses postulados permitem explicar a existência dos espectros de emissão descontínuos: como o elétron só pode ocupar determinadas órbitas, as transições eletrônicas (ida e volta do elétron) ocorrem em número restrito, o que produz somente alguns tipos de radiação eletromagnética e não todas como no espectro contínuo. Modelo atômico de Bohr foi elaborado para o átomo de hidrogênio, mas aplica-se com boa aproximação a todos os outros átomos. TEORIA QUÂNTICA De acordo com Max Planck (1900), quando uma partícula passa de uma situação de maior para outra de menor energia ou vice-versa, a energia é perdida ou recebida em "pacotes" que recebe o nome de quanta (quantum é o singular de quanta). O quantum é o pacote fundamental de energia e é indivisível. Cada tipo de energia tem o seu quantum. A Teoria Quântica permitiu a identificação dos elétrons de um determinado átomo, surgindo assim os "números quânticos". MODELO ATÔMICO DE SOMMERFELD A energia que o elétron desprendia em forma de luz, era devido ao fato de que as camadas eletrônicas possuiam algumas subdivisões, que ele chamou de subníveis de energia, aos quais estavam associados várias órbitas diferentes, sendo uma dessas órbitas circular e as demais elípticas. CONTRIBUIÇÃO DE BROGLIE Em 1923, Louis Broglie mostrou, através de uma equação matemática, que "qualquer corpo em movimento estaria associado a um fenômeno ondulatório. Se você imaginar uma bola de futebol ou mesmo um grão de poeira associado a uma onda, poderá achar tudo confuso, mas o fato é que no mundo atômico as partículas possuem um comportamento duplo de partícula e onda. Assim o elétron, por exemplo, apresenta a natureza de uma partícula- onda, ou seja, comporta-se ao mesmo tempo como uma partícula e como uma onda " (Sardella, 1998).   TEORIA DA MECÂNICA ONDULATÓRIA Em 1926, Erwin Shröringer formulou uma teoria chamada de "Teoria da Mecânica Ondulatória" que determinou o conceito de "orbital" . Orbital é a região do espaço ao redor do núcleo onde existe a máxima probalidade de se encontrar o elétron. "De acordo com ma mecânica ondulatória, os vários níveis de energia do átomo são compostos de um ou mais orbitais; nos átomos que contém mais de um elétron, a distribuição destes em torno do núcleo é determinada pelo número e pela espécie de níveis de energia que são ocupados. Portanto, a fim de investigar a maneira pela qual os elétrons estão arrumados no espaço, devemos, primeiro, examinar os níveis de energia no átomo. Isso se faz através de uma discussão dos números quânticos" (Brady, 2003 p. 91)   O ATUAL MODELO ATÔMICO Se sabe que os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e que se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico. O núcleo atômico é situado no centro do átomo e constituído por prótons que são partículas de carga positiva, cuja massa é aproximadamente 1.837 vezes superior a massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons. O átomo é eletricamente neutro, por possuir números iguais de elétrons e prótons. O número de prótons no átomo se chama número atômico, este valor é utilizado para estabelecer o lugar de um determinado elemento na tabela periódica. A tabela periódica é uma ordenação sistemática dos elementos químicos conhecidos. Cada elemento se caracteriza por possuir um número de elétrons que se distribuem nos diferentes níveis de energia do átomo correspondente. Os níveis energéticos ou camadas, são denominados pelos símbolos K, L, M, N, O, P e Q (Sardella, 1998 p. 89). Cada camada possui uma quantidade fixa de elétrons. A camada mais próxima do núcleo K, comporta somente dois elétrons; a camada L, imediatamente posterior, oito, e assim sucessivamente. Os elétrons da última camada (mais afastados do núcleo) são responsáveis pelo comportamento químico do elemento, por isso são denominados elétrons de valência (Sardella, 1998, p.154). O número de massa é equivalente à soma do número de prótons e nêutrons presentes no núcleo (Bosquilha, 2003, p. 33) O átomo pode perder elétrons, carregando-se positivamente, é chamado de íon positivo (cátion). Ao receber elétrons, o átomo se torna negativo, sendo chamado íon negativo (ânion). O deslocamento dos elétrons provoca uma corrente elétrica, que dá origem a todos os fenômenos relacionados à eletricidade e ao magnetismo. No núcleo do átomo existem duas forças de interação a chamada interação nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo, e a interação nuclear fraca, ou força forte e força fraca respectivamente. As forças de interação nuclear são responsáveis pelo comportamento do átomo quase em sua totalidade. As propriedades físico-químicas de um determinado elemento são predominantemente dadas pela sua configuração eletrônica, principalmente pela estrutura da última camada, ou camada de valência. As propriedades que são atribuídas aos elementos na tabela, se repetem ciclicamente, por isso se denominou como tabela periódica dos elementos. Segundo Bosquilha (2003) os isótopos são átomos de um mesmo elemento com mesmo número de prótons, mas quantidade diferente de nêutrons. Os isótonos são átomos que possuem o mesmo número de nêutrons e os isóbaros são átomos que possuem o mesmo número de massa (Bosquilha, 2003) Através da radioatividade alguns átomos atuam como emissores de radiação nuclear, esta constitui a base do uso da energia atômica (Sardella, 1998, p. 82). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS A TEORIA atomística. http://allchemy.iq.usp.br/metabolizando/beta/01/atomista.htm BELTRAN, Nelson Orlando, CISCATO, Carlos Alberto Mattoso. Química. São Paulo: Cortez, 1990- (Coleção magistério 2º grau. Série formação geral) BOSQUILHA, Gláucia. Minimanual compacto de química: teoria e prática. 2º Ed BRADY, James E., HUMISTON, Gerard E. Química geral. vol 1, 2º ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2003. ESTRUTURA atômica. http://members.tripod.com/~netopedia/quimic/estrut_atomo.htm (2006) MODELO atômico de Dalton. http://www.colegiosaofrancisco.com.br/novo/quimica/0021.php (2006) MODELOS atômicos. http://www.crazymania.com.br/biblioteca/?cat=quimica&page2=modelos_atomicos (2006) MODELOS atômicos. http://dicasdequimica.vilabol.uol.com.br/modelos.html (2006) MODELO atômico.http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B4mico (2006) SARDELLA, Antônio. Curso de Química – Química Geral. São Paulo: Ática, 1998, vol 1. 23 ed. SOUZA, Carlos Alberto de. e SILVA, Ivan Gonçalves da. Modelos Atômicos. http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2001/modeloatomico/modelos_atomicos.htm l (2006). Curso de Licenciatura em Ciências Exatas - USP - São Carlos  -  SP Professor Orientador: SCHIEL, Dietrich (2006)