Iniciante
a)A lei da conservação da massa é uma lei empírica proposta por Lavoisier e diz que “a massa se conserva em um sistema fechado”. Primeiro: um sistema fechado é aquele que não permite troca de matéria com o exterior. Ou seja, mesmo que houvesse uma reação química naquele sistema, a massa se conservaria: se colocássemos uma folha de papel em uma balança e a queimássemos dentro de uma campânula, a massa do que está dentro da campânula não se alteraria. A lei das proporções fixas, também é uma lei experimental e foi proposta por Proust e diz que “em se formando o mesmo composto, as proporções dos reagentes é constante”, ou seja, se eu juntei 2g de hidrogênio com 16g de oxigênio para formar um certo produto, se eu juntar 4g de hidrogênio com 32g de oxigênio eu vou ter o mesmo produto. Essas duas leis foram essenciais para o desenvolvimento do primeiro modelo atômico. Imagine a situação: você junta 1g de X com 2g de Y e obtém 3g de Z. Agora você junta 0,5g de X com 1g de Y para obter 1,5g de Z. Repita o processo sempre dividindo a quantidade de reagentes por 2. Será que tem algum ponto em que não se pode mais dividir por 2? Dalton se fez essa pergunta e afim de explicar os dados experimentais propôs que há um ponto em que não se pode mais dividir e nesse ponto teria se chegado nos átomos. Para explicar a conservação da massa disse que os átomos não se criam nem se destroem e para explicar as proporções fixas disse que as moléculas são compostas por átomos e que cada combinação específica de átomos dava origem a moléculas diferentes.
b)O modelo de Dalton não explicava satisfatoriamente a eletricidade (quando Benjamin Franklin soltou pipa, ele colocou uma chave de metal para atrair os raios e provar que estes são descargas elétricas). Seu modelo não previa partículas carregadas em movimento. Com as experiências dos raios catódicos, foi descoberto um portador de carga negativa que era comum (acusado pela razão carga massa) a todos os materiais. A esse portador foi dado o nome de elétron. Como estava em todos os materiais, provavelmente fazia parte da constituição do átomo. Thomson então concluiu que o átomo era constituído por elétrons imersos em uma carga positiva distribuída pelo espaço.
c)O experimento de Rutherford consistia em uma fonte de raios alfa dentro de uma caixa de chumbo com um orifício. No caminho dos raios alfa ele colocou uma folha de ouro ultrafina. Ao redor da folha de ouro foi colocado um anteparo fluorescente que emitia luz de intensidade proporcional à quantidade de partículas alfa incidindo (figura acima). Os resultados obtidos foram: a grande maioria das partículas alfa atravessou a folha de ouro como se não houvesse nada, algumas tiveram um pequeno desvio e algumas poucas tiveram uma mudança grande de trajetória. Caso fosse pensado no modelo de Thomson, a carga positiva estaria tão dispersa que não conseguiria fazer as partículas alfa terem um desvio tão grande. Logo, a carga positiva deveria estar concentrada e o espaço em que ela estava concentrada era bem menor que o espaço onde o elétron estava. Assim Rutherford construiu o seu modelo: a carga positiva estava concentrada no núcleo do átomo, num espaço incrivelmente pequeno, e os elétron orbitavam ao redor do núcleo em um espaço bem maior.
d)Os espectros atômicos (imagem acima) mostravam que os átomos só absorviam e emitiam energia em certas quantidades. De acordo com a teoria clássica do eletromagnetismo, cada distância entre o elétron e o núcleo corresponderia a uma energia. Como existem infinitas distâncias entre o núcleo e o elétron, teoricamente, o elétron podia absorver ou liberar qualquer quantidade de energia. Contudo, a física clássica já mostrava alguns problemas, como explicar a radiação do corpo negro. Max Planck introduziu a ideia de quantização em 1905 e Bohr usou a mesma ideia para explicar os espectros. Ele postulou que haviam certos níveis de energia em que o elétron ficaria estável e não ganharia nem perderia energia, onde o elétron orbitaria com uma trajetória circular. Esses níveis de energia equivaleriam a uma quantidade de movimento associada ao elétron sendo um múltiplo inteiro da constante de Planck. Isso implica que o elétron não pode assumir todas as energias possíveis. Portanto a energia do elétron seria quantizada o que explica apenas algumas raias no espectro.
Intermediário
a)Considerando que a intensidade da luz é proporcional à quantidade de partículas alfa batendo no anteparo e considerando que os únicos elétrons que serão ricocheteados serão aqueles que a trajetória atravessasse diretamente o núcleo e que as partículas alfa são distribuídas uniformemente pelo espaço e que a folha de ouro é apenas uma camada de átomos de ouro, temos que a razão entre os raios do núcleo e da eletrosfera é de 20000 e por consequência a razão entre os seus volumes é de (20000)3=8E12, ou seja, átomos são basicamente espaço vazio!
b)Dizer que as linhas maiores eram compostas por linhas menores significava que haviam diferentes diferenças de energia entre os níveis e, portanto, cada nível era composto de subníveis que tinham energia parecidas. Por exemplo, eram detectados fótons com 3,39, 3,40 e 3,41eV. O momento angular do elétron não podia mudar pelo postulado de Bohr, mas a energia dele precisava mudar. Para resolver isso, Sommerfeld disse que o elétron poderia orbitar o núcleo com uma trajetória elíptica. Com isso, o elétron ainda tinha o momento quantizado, mas tinha diferentes subníveis de energia. Para um nível de energia n, haveriam n subníveis energéticos, sendo 1 com órbita circular e n-1 com órbitas elípticas.
c)Quando os elementos químicos estavam sendo descobertos, alguns químicos notaram que alguns deles tinham propriedades muito semelhantes e estimaram que pudesse haver uma periodicidade das propriedades. Mendeleev deu um passo importante ao organizar a tabela no formato que a conhecemos hoje, os elementos estavam organizados em ordem de massa (com algumas exceções) e elementos na mesma vertical tinham propriedades semelhantes, constituindo as famílias. Mais tarde foi descoberto que os elementos da mesma família tinham uma certa semelhança em sua distribuição eletrônica, como por exemplo o sódio e o potássio, Na: [Ne]3s1
K: [Kr]4s1
Como conhecemos atualmente, o subnível s comporta dois elétrons, um com spin -1/2 e outro com +1/2, o subnível p comporta 6 elétrons, pois apresenta três possibilidades de número quântico magnético e dois para o spin e assim por diante. Tendo isso em mente, o subnível s comportaria 3 elétrons caso houvesse o spin 0 e o subnível p comportariam 9 elétrons e assim por diante. Logo as proporções que existem na tabela periódica não mudariam, mas teríamos 27 famílias.
d)O princípio da incerteza de Heisenberg diz que algo não pode ser localizado com muita precisão sem se perder precisão sobre o seu momento e vice-versa. Matematicamente, é expresso como xp≥h/4π. O princípio da exclusão de Pauli diz que não pode haver dois elétrons com o mesmo conjunto de números quânticos. Quando estamos preenchendo os orbitais isso implica que uma situação como o orbital 2s2 ter os dois elétrons com o mesmo spin não pode ocorrer. A regra de Hund é a regra da máxima multiplicidade que diz a distribuição eletrônica de menor energia é aquela que tem o maior spin.
Avançado
a)A outra técnica é a difração de raio-X. Raios X são fótons altamente energéticos e com comprimento de onda baixo. Ambas as técnicas se baseiam na interferência de ondas que funcionam com seguinte princípio: se duas ondas em fase se sobrepõem, a amplitude delas é somada e a interferência é chamada de construtiva, se sobrepõem-se fora de fase a amplitude é subtraída e a interferência é chamada de destrutiva (como na figura acima). Quando os raios-X encontram a superfície de um cristal eles podem refletir na primeira camada de átomos ou na segunda. Isso gera uma diferença de caminho que depende do ângulo de incidência e que motiva a interferência. Na rede de difração, há várias fontes pontuais de luz que tem que percorrer distâncias diferentes até chegar ao anteparo e isso cria a interferência e acaba separando os comprimentos de onda da luz. A lei de Bragg vem da difração de raio X e é muito importante para entender a estrutura da matéria. Rosalind Franklin fez a técnica de difração de raio X no DNA e obteve um padrão. Francis Crick e James Watt olharam esse padrão (sem que Rosalind soubesse) e proporam uma estrutura para o DNA. Quando Rosalind terminou os seus cálculos, ela chegou na mesma estrutura, porém não recebeu o mesmo reconhecimento que James ou Francis.
b)Supondo que o elétron fosse uma onda, ele poderia fazer interferência da mesma forma que a luz. Thomson então acelerou os elétrons até uma certa velocidade e fez eles irem de encontro a uma estrutura cristalina. Ajustando a velocidade dos elétrons ele controlava o comprimento de onda. Em um certo ponto ele conseguiu o mesmo padrão que era obtido pelos fótons comprovando que o elétron pode se comportar como uma onda.
c)mevr=nh/2π quantização do momento angular
mev2/r=ke2/r2 força elétrica é a aceleração centrípeta
Dividindo 2 por 1: v=2πke2/nh, logo E=mev2/2=2π2mek2e4/n2h2
d)Qual é o grande ponto de o elétron poder se comportar como uma onda? Imagine colocar o elétron em uma caixa. Lá dentro ele terá uma certa velocidade. Se eu disparar uma arma de tal forma que os dois furos da bala formem uma reta paralela às paredes da caixa, para qualquer posição que eu atirar a probabilidade de acertar o elétron é a mesma? Intuitivamente, a resposta seria sim, mas não é assim que o elétron se comporta. Pensando nisso, podemos descrever o elétron como uma probabilidade de achá-lo no espaço. Isso é chamado de função de onda, para cada ponto no espaço atribuímos uma probabilidade para o elétron que é dado pelo quadrado do módulo da função de onda. Cada elétron no átomo tem uma função de onda. Um orbital é a forma geométrica dentro da qual a chance de encontrar o elétron é máxima.
e)Quando os átomos se juntam para formar uma ligação química, os elétrons não estão mais localizados em um átomo, mas na molécula inteira. Portanto a função de onda deve mudar. É nisso que a teoria do orbital molecular (TOM) se baseia. A primeira aproximação que essa teoria usa é a aproximação de Born-Oppenheimer que diz que como a massa do núcleo é muito maior que a massa do elétron considera-se que apenas os elétrons estejam se movendo. Outra aproximação que se usa é a combinação linear dos orbitais atômicos (CLOA) que diz que os orbitais moleculares podem ser aproximados para uma combinação linear dos orbitais atômicos. Portanto, um orbital molecular pode ser descrito como , onde é um orbital atômico, c é o coeficiente da contribuição desse orbital atômico no orbital molecular e para descrever a molécula nós só precisamos encontrar os coeficientes c. Se n orbitais atômicos se combinam, n orbitais moleculares serão formados. Vamos analisar a molécula de H2, por exemplo. Quando formos escrever o orbital molecular, podemos fazer os elétrons terem uma interferência construtiva ou uma interferência destrutiva. Quando ocorre uma interferência construtiva, a probabilidade do elétron se encontrar entre os núcleos de hidrogênio aumenta e a deles se encontrarem fora diminui. Como resultado disso, a energia dos elétrons diminui caso eles se combinem em fase. O oposto ocorre caso eles se combinem fora de fase. Portanto, a combinação dos orbitais atômicos pode gerar orbitais que diminuem a energia do sistema, chamados de orbitais ligantes, e orbitais que aumentam a energia do sistema, chamados orbitais anti-ligantes. Quando dois oxigênios se combinam, os seus orbitais moleculares ficam da forma:
Preenchidos de acordo com a regra de aufbau e demonstrando que há elétrons desemparelhados na molécula que podem se alinhar com um campo externo, justificando o seu paramagnetismo.