Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 INTRODUÇÃO AOS FUNDAMENTOS DE QUÍMICA E BIOLOGIA MOLECULAR O UNIVERSO consiste de duas partes principais – matéria e energia. MATÉRIA é qualquer coisa que ocupa espaço e tem peso. Rochas, água e ar são exemplos de matéria. Matéria pode ser encontrada em qualquer um destes três estados: sólido, líquido e gasoso. Ela também pode ser composta de um elemento ou de uma combinação de elementos. Um ELEMENTO é uma substância que não pode ser reduzida a uma forma mais simples por meios químicos. Ferro, ouro, prata, cobre e oxigênio são bons exemplos de elementos. Um COMPOSTO é uma combinação química de dois ou mais elementos. Água, sal de cozinha, álcool etílico e amônia são exemplos de compostos. Uma MOLÉCULA é a menor parte de um composto que tem todas as características do composto. Cada molécula contém algum ou alguns dos átomos de cada elemento que forma o composto. O ÁTOMO é a menor particular na qual um elemento pode ser dividido ou decomposto, e ainda manter as suas propriedades originais. Um átomo é feito de elétrons, prótons e nêutrons. O número e disposição dessas partículas determinam o tipo de elemento. Modelos Atômicos Leucipo (450 a. C.) - (pensamento filosófico) - Leucipo viveu por volta de 450 a. C. (à 2.450 de anos atrás) e dizia que a matéria podia ser dividida em partículas cada vez menores, até chegar-se a um limite. Demócrito - (pensamento filosófico) - Demócrito, discípulo de Leucipo, viveu por volta de 470 a 380 a. C. e afirmava que a matéria era descontínua, isto é, a matéria era formada por minúsculas partículas indivisíveis, as quais foram denominadas de átomo (que em grego significa "indivisível"). Demócrito postulou que todos os tipos de matéria era formada a partir da combinação de átomos de 4 elementos: água, ar , terra e fogo. O modelo da matéria descontínua foi rejeitado por um dos grandes filósofos da época, Aristóteles, o qual afirmava que a matéria era contínua, isto é, a matéria vista como um "todo inteiro" (contrastando com a idéia de que a matéria era constituída por minúsculas partículas indivisíveis). Dalton (1.808)- (métodos experimentais) - O químico inglês John Dalton, que viveu entre 1.766 a 1.825, afirmava que o átomo era a partícula elementar, a menor partícula que constituía a matéria. Em 1.808, Dalton apresentou seu modelo atômico: o átomo como uma minúscula esfera maciça, indivisível, impenetrável e indestrutível. Para ele, todos os átomos de um mesmo elemento químico são iguais, até mesmo as suas massas. Hoje, nota-se um equívoco pelo fato da existência dos isótopos, os quais são átomos de um mesmo elemento químico que possuem entre si massas diferentes. Seu modelo atômico também é conhecido como "modelo da bola de bilhar". O átomo seria uma esfera (partícula) maciça e indivisível. Figura 1 - Modelo atômico de Dalton. Thomson (1.897) - (métodos experimentais) - Pesquisando os raios catódicos, o físico inglês J. J. Thomson demonstrou que os mesmos podiam ser interpretados como sendo um feixe de partículas carregadas de energia elétrica negativa, as quais foram chamadas de elétrons. Utilizando campos magnéticos e elétricos, Thomson conseguiu determinar a relação entre a carga e a massa do elétron. Ele conclui que os elétrons (raios catódicos) deveriam ser constituintes de todo tipo de matéria pois observou que a relação carga/massa do elétron era a mesma para qualquer gás que fosse colocado na Ampola de Crookes (tubo de vidro rarefeito no qual se faz descargas elétricas em campos elétricos e magnéticos). Com base em suas conclusões, Thomson colocou por terra o modelo do átomo indivisível e apresentou seu modelo, conhecido também como o "modelo de pudim com passas": O pudim é toda a esfera positiva (em verde) e as passas são os elétrons (em vemelho), de carga negativa. 1 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 Figura 2 - Modelo atômico de Thomson. RESUMINDO: Raios Catódicos e Ampola de Crookes Raios catódicos podem ser compreendidos como sendo um feixe de partículas carregadas de carga elétrica negativa. Para melhor compreensão é necessário analisar, ou pelo menos imaginar um fato ( ou uma "experiência" ). Consideremos um tubo de vidro contendo gás no seu interior e munido de dois eletrodos. Quando o tubo contém gás sob pressão normal, verifica-se que não há descarga elétrica no seu interior (não há emissão de luz), mesmo quando aplica nos eletrodos uma diferença de potência da ordem de 104 volts ( 10.000 volts ). Rarefazendo-se progressivamente, ou seja, diminuindo-se a pressão progressivamente no gás, por meio de bomba de vácuo, até atingir a pressão da ordem de 10 mmHg, aparece um fluxo luminoso partindo do cátodo e dirigindo-se ao ânodo. Continuando a rarefação ( diminuindo a pressão sob o gás ) até atingir aproximadamente 1 mmHg, a luminosidade passa a diminuir. Quando a pressão for da ordem de 10-2 mmHg, desaparecerá o feixe luminoso, permanecendo apenas uma mancha luminosa na parede do tubo oposta ao cátodo. 2 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 Esta experiência mostra que "alguma coisa" sai do cátodo, sendo por isso chamada de raio catódico. Para produzir descargas elétricas em alto vácuo, utilizam-se tubos especiais denominados ampolas de Crookes, com as quais se consegue reduzir a pressão interna ( rarefazer ) até 10-9 atm ( vácuo praticamente perfeito ). Veja algumas das "ações" dos raios catódicos ( elétrons ) no nosso dia-a-dia: ·Televisão: O tubo de imagem dos televisores é uma ampola de Crookes ( alto vácuo ) com certas adaptações. Os raios catódicos incidem na superfície interna do vidro, que é revestida com tinta fluorescente. Durante a descarga, a tela fica iluminada. · Lâmpada Fluorescente:: A lâmpada fluorescente contém vapor de mercúrio(Hg) como gás residual. A parede interna do vidro da lâmpada é revestida de tinta fluorescente. Pela descarga no interior da lâmpada, o vapor de mercúrio (Hg) , a essa pressão emite luz ultravioleta ( invisível ), a qual excita a tinta fluorescente, que emite luz visível característica dessa lâmpada. ( Lembrando que as lâmpadas fluorescentes são aquelas "brancas", chamadas também de lâmpadas frias ). · Lâmpadas de Sódio (Na) e Lâmpadas de Mercúrio (Hg): A luz emitida pelas lâmpadas de sódio e de mercúrio resulta da descarga elétrica em tubos, que são os cilindros de vidro, contendo vapor de sódio e vapor de mercúrio como gás residual e estando a baixa pressão. As conclusões de Thomson que provaram experimentalmente que a matéria é constituída de elétrons. Com o aparecimento da ampola de Crookes, o físico inglês J. J. Thomson dedicou-se a pesquisar a natureza dos raios catódicos, chegando às seguintes conclusões: · Os raios catódicos são perpendiculares ( "fazem 90º" ) à superfície do cátodo e a direção deles não depende da posição do ânodo na ampola. Com a colocação de um anteparo interceptando os raios catódicos, nota-se o aparecimento de sua sombra na parede da ampola, o que evidencia que os raios catódicos se propagam em linha reta. · Os raios catódicos são desviados por um campo elétrico e magnético, o que evidencia que são constituídos de partículas com carga elétrica; pelo sentido do desvio, conclui-se que são partículas eletricamente negativas. Baseado nessas propriedades e principalmente no fato da relação carga/massa do elétron ser constante para qualquer gás que fosse colocado na ampola de Crookes ( entre outras evidências ), Thomson concluiu que os raios catódicos se compunham de elétrons, ou seja, de pequenas partículas carregadas de eletricidade negativa associadas aos átomos constituintes do cátodo. Assim, ficou provado, experimentalmente, que a matéria é constituída de elétrons. 3 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 Rutherford (1911) - (métodos experimentais) O modelo atômico de Rutherford é baseado nos resultados da experiência que Rutherford e seus colaboradores realizaram: bombardeamento de uma lâmina muito fina (delgada) de ouro (Au) com partículas alfa (que eram positivas). Rutherford e seus colaboradores verificaram que, para aproximadamente cada 10.000 partículas alfa que incidiam na lâmina de ouro, apenas uma (1) era desviada ou refletida. Com isso, concluíram que o raio do átomo era 10.000 vezes maior que o raio do núcleo. Comparando, se o núcleo de um átomo tivesse o tamanho de uma azeitona, o átomo teria o tamanho do estádio do Morumbi. Surgiu então em 1.911, o modelo do átomo nucleado, conhecido como o modelo planetário do átomo: o átomo é constituído por um núcleo central positivo, muito pequeno em relação ao tamanho total do átomo porém com grande massa e ao seu redor, localizam-se os elétrons com carga negativa (compondo a "enorme" eletrosfera) e com pequena massa, que neutraliza o átomo. Figura 3 - Modelo atômico de Rutherford. O átomo é formado por um núcleo muito pequeno em relação ao átomo, com carga positiva, no qual se concentra praticamente toda a massa do átomo. Ao redor do núcleo localizam-se os elétrons neutralizando a carga positiva. Bohr (1.913) - (métodos experimentais) Nota-se no modelo de Rutherford dois equívocos: • • uma carga negativa, colocada em movimento ao redor de uma carga positiva estacionária, adquire movimento espiralado em direção à carga positiva acabando por colidir com ela; uma carga negativa em movimento irradia (perde) energia constantemente, emitindo radiação. Porém, sabe-se que o átomo em seu estado normal não emite radiação. O físico dinamarquês Niels Bohr conseguiu "solucionar" os equívocos cometidos por Rutherford baseando-se na seguinte idéia: · um elétron num átomo adquire apenas certas energias, e cada energia é representada por uma órbita definida, particular. Se o elétron recebe energia ele pula para uma outra órbita mais afastada do núcleo. Pode ocorrer no elétron a perda de energia por irradiação, e sendo assim, o elétron cai para uma órbita mais próxima do núcleo. Todavia o elétron não pode ficar entre duas órbitas definidas, específicas, pois essa não seria uma órbita estável (órbita não específica). Conclui-se então que: quanto maior a energia do elétron, mais afastado ele está do núcleo. Em outras palavras: um elétron só pode estar em movimento ao redor do núcleo se estiver em órbitas específicas, definidas, e não se encontra em movimento ao redor do núcleo em quaisquer órbitas. As órbitas permitidas constituem os níveis de energia do átomo ( camadas denominadas K L M N O P Q). Figura 4 - Modelo atômico de Bohr. 4 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 Então o que é um átomo?????????????????? - O átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico. Ele apresenta um núcleo com carga positiva (Z é a quantidade de prótons e "e" a carga elementar) que apresenta quase toda sua massa (mais que 99,9%) e Z elétrons determinando o seu tamanho Um ELÉTRON carrega uma pequena carga negativa de eletricidade. O PRÓTON carrega uma carga positiva de eletricidade que é igual e oposta à carga do elétron. Entretanto a massa do próton é aproximadamente 1.837 vezes maior que aquela do elétron. O NÊUTRON é uma particular neutral que não possui carga elétrica. A massa do nêutron é aproximadamente igual a do próton. O NÍVEL DE ENERGIA DE UM ELÉTRON é a quantidade de energia requerida por um elétron para permanecer em órbita. Apenas por moverem-se sozinhos, um elétron tem energia cinética. A posição do elétron em referência ao núcleo dá a ele energia potencial. Um equilíbrio energético mantém o elétron em órbita e à medida que ele ganha ou perde energia, ele assume uma órbita mais distante ou mais próxima do centro do átomo. CAMADAS e SUBCAMADAS são as órbitas dos elétrons em um átomo. Cada camada contém um número máximo de elétrons que pode ser determinado pela fórmula 2n2. As camadas têm rótulos através de letras, iniciando por K, que é a camada mais próxima do núcleo, e terminando em Q. Uma camada pode ser subdividida em quatro subcamadas rotuladas s, p, d e f, que podem conter 2, 6, 10 e 14 elétrons, respectivamente. O ÁTOMO NEUTRO É aquele que possui o número de elétrons orbitando igual ao número de prótons no núcleo. Assim, o átomo neutro apresenta uma estrutura ESTÁVEL. O número de prótons no núcleo determina o comportamento de um átomo. Por exemplo, se você combinar 13 prótons com 14 nêutrons para criar um núcleo e, então, fizer girar 13 elétrons em torno do núcleo, você obtém um átomo de alumínio. Se você agrupar milhões de átomos dessa maneira, obterá a substância chamada alumínio; com ela você pode criar latas, 5 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 filmes e revestimentos. Todo o alumínio que você encontra na natureza é chamado alumínio-27. "27" é o número de massa atômica (a soma do número de nêutrons e prótons no núcleo). Se você pudesse separar um átomo de alumínio, colocá-lo em uma garrafa e fazê-lo voltar vários milhões de anos, ele ainda seria um átomo de alumínio. O alumínio-27 é chamado de átomo estável. Até cerca de 100 anos, pensava-se que todos os átomos eram estáveis como ele (http://ciencia.hsw.uol.com.br/radiacao-nuclear1.htm). Mas hoje se sabe que os gases nobres são as únicas substâncias formadas por átomos isolados, portanto os únicos átomos estáveis são os átomos que constituem os gases nobres. Por natureza, todos os sistemas tendem a adquirir a maior estabilidade possível, é por isso que existem as LIGAÇÕES QUÍMICAS, que nada mais são do que as ligações entre os átomos instáveis em busca da estabilidade. Sabemos que os elétrons giram em torno do núcleo, na eletrosfera, por meio de órbitas (geralmente ilustradas nos livros didáticos por linhas imaginárias).Cada órbita da eletrosfera é denominada CAMADA. ELETRÔNICA, ou NÍVEL. A representação universal das camadas eletrônicas consiste no seguinte: a) São 7 camadas: K L M N O P Q Os 118 elementos químicos conhecidos até agora contém os seguintes máximos para cada camada: K L M N O P Q 2 8 18 32 32 18 2 A quantidade de elétrons indica a quantidade de camadas que o átomo possui. No entanto, cada camada eletrônica suporta um número máximo de elétrons. VALÊNCIA é a habilidade de um átomo a combinar com outros átomos. A valência de um átomo é determinada pelo número de elétrons em sua camada mais externa. Essa camada é conhecida como CAMADA DE VALÊNCIA. Os elétrons na camada mais externa são chamados ELÉTRONS DE VALÊNCIA. IONIZAÇÃO é o processo pelo qual um átomo ganha ou perde elétrons. Um átomo que perde alguns de seus elétrons nesse processo se torna positivamente carregado, sendo chamado de um ÍON POSITIVO. Um átomo que tem um excedente de elétrons é carregado negativamente e chamado de ÍON NEGATIVO. A CAMADA DE VALÊNCIA É a camada eletrônica mais externa, ou seja, a última camada da eletrosfera de um átomo. Em uma ligação química (ou ligação eletrônica), a camada de valência pode receber ou fornecer elétrons. VALÊNCIA É o número de ligações que um átomo precisa fazer para adquirir uma configuração estável, como a configuração de um gás nobre. Com exceção do hélio, os gases nobres (listados na coluna 8ª da Tabela Periódica) apresentam oito elétrons na camada de valência, observe: K He Ne Ar Kr Xe Rn L (Z = 2) (Z = 10) (Z = 18) (Z = 36) (Z = 54) (z = 86) M 2 2 2 2 2 2 N O P Q 8 8 8 8 8 18 18 18 18 8 18 32 32 8 18 32 8 18 8 6 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 TEORIA DO OCTETO Surgiu com a associação entre estabilidade dos gases nobres e o fato de possuíram 8 elétrons na última camada. Para atingir uma situação estável, os átomos tendem a buscar uma estrutura eletrônica cuja camada de valência contenha 8 elétrons igual ao gás nobre que tenha o número atômico mais próximo. Os átomos menores em número de elétrons tendem a alcançar o dueto, ou seja, procuram conseguir dois elétrons na camada de valência como o hélio: (Z = 2), logo 1s2. É o caso do hidrogênio e do lítio. Por ser a última camada, quando dois átomos se encontram a camada de valência de um toca a camada de valência do outro. A observação dos átomos já conhecidos, permite estabelecer algumas regras para a ligação eletrônica: 1º quando um átomo tiver 8 elétrons na camada de valência, existira uma “estabilidade” e ele não se ligará a outros átomos. Por isso não se pode formar nenhum composto químico com os gases nobres hélio (He); neônio (Ne); argônio (Ar); criptônio (Kr); xenônio (Xe); e randônio (Rn). 2º Quando um átomo possuir menos de 8 elétrons na camada de valência, ele tende a “associar-se” a outros átomos para completar ou eliminar a camada incompleta. 3º Com 1, 2 ou 3 elétrons na última camada, o átomo procura eliminar. 4º Com 5, 6, 7 elétrons na camada de valência, a tendência é completar. 5º Com 4 elétrons na última camada, tanto faz eliminar ou completar, dependerá do elemento químico em questão.Existe, então, uma regra prática para verificar a distribuição eletrônica de um átomo. No entanto, é importante saber que essa regra tem muitas exceções. Levando-se em conta a representação universal das camadas (K L M N O P Q), distribuem-se os elétrons do elemento químico, levando-se em conta a quantidade máxima de elétrons em cada camada, até chegar à camada de valência do elemento em questão. Observe - Lembrando mais uma vez que o número atômico Z = nº de prótons, e que um átomo neutro possui nº de prótons = nº de elétrons, para um elemento cujo nº atômico é 20 (Z = 20) temos a seguinte representação: Nº máximo de eCamadas 20 Ca (Z=20) 2 8 18 32 32 18 2 K 2 L 8 M ? N ? O P Q Colocando 2 na 1ª camada; mais 8 na segunda, na terceira camada, onde cabe 18 elétrons, você poderia colocar 10, dessa forma completaria a quantidade de elétrons que os átomos do cálcio possuem. No entanto, na última camada cabem apenas 8 elétrons. Se isso bastasse, talvez você pudesse escrever assim: Nº máximo de eCamadas 20 Ca (Z=20) 2 8 18 32 32 18 2 K 2 L 8 M 9 N 1 O P Q 7 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 No entanto, o mínimo de elétrons que pode ter em uma camada é 2, sendo assim, o correto no caso do cálcio (20Ca) é escrever: Nº máximo de eCamadas 20 Ca (Z=20) 2 8 18 32 32 18 2 K 2 L 8 M 8 N 2 O P Q Isótopos, Isóbaros, Isótonos e Isoeletrônicos Isótopos: são átomos de um mesmo elemento químico que apresentam diferentes número de massa e diferentes número de nêutrons, ou seja são átomos de mesmo número atômico e diferentes número de massa. Isóbaros: são átomos de elementos químicos diferentes mas com mesmo número de massa. Isótonos: são átomos de elementos químicos diferentes, mas com mesmo numero de nêutrons. Isoeletrônicos: são átomos ou íons que apresentam o mesmo número de elétrons. EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO: 1. A palavra átomo é originária do grego e significa ``indivisível", ou seja, segundo os filósofos gregos, o átomo seria a menor partícula da matéria que não poderia ser mais dividida. atualmente essa idéia não é mais aceita. A respeito dos átomos, é verdadeiro afirmar que: a) ( ) Não podem ser desintgrados; b) ( ) São formados por pelo menos três partículas fundamentais; c) ( ) Possuem partículas positivas denominadas elétrons; d) ( ) Apresentam duas regiões distintas, núcleo e eletrosfera; e) ( ) Apresentam elétrons cuja carga elétrica é negativa; f) ( ) Contém partículas sem carga elétrica, os nêutrons. 8 Profa Fernanda Galante Fundamentos de química e biologia molecular - nutrição 2009 2. (UFSC) Analise as afirmativas a seguir e assinale como V ou F: a) ( ) O primeiro modelo atômico baseado em resultados experimentais, ou seja, com base cientifíca foi proposto por Dalton; b) ( ) Segubdo Dalton, a matéria é formada de partículas indivisíveis chamadas átomos; c) ( ) Thomson foi o primeiro a provar que que o átomo não era indivisível; d) ( ) O modelo atômico proposto por Thomson é o da bola de bilhar; e) ( ) O modelo atômico de Dalton teve como suporte experimental para a sua criação a interpretação das leis das reações químicas. 3. (UFSC) Assinale a(s) alternativa(s) correta(s): a) ( ) Os átomos são partículas fundamentais da matéria; b) ( ) Os átomos são quimicamente diferentes quando têm números de massa diferentes; c) ( ) Os elétrons são as partículas de carga elétrica positiva; d) ( ) Os prótons e os elétrons possuem massas iguais e cargas elétricas diferentes; e) ( ) Os átomos apresentam partículas de carga nula denominados nêutrons; f) ( ) Os átomos são partículas inteiramente maciças. 4)Com base no modelo de Bohr responda as questões abaixo: A)Onde estão os elétrons? B)O que acontece com um elétron quando recebe energia? C)O que acontece com o elétron quando está no estado ativado (excitado)? 5)Se um elétron move-se de um nível de energia para outro mais afastado do núcleo do mesmo átomo, podese afirmar que: A)há emissão de energia. B)há absorção de energia. C)não há variação de energia. D)há emissão de luz de um determinado comprimento de onda. E)o número atômico varia 6)Quando a experiência de Rutherford foi realizada, ela confirmou plenamente as previsões feitas sobre o átomo pelo modelo de Thomson. A experiência mostrou que o átomo é formado por prótons, elétrons e nêutrons. Comente essas afirmações e aponte os eventuais erros que elas contém. 7)Há mais de 100 anos Thomson determinou, pela primeira vez a relação entre a massa e a carga do elétron, o que pode ser considerado como a descoberta do elétron. É reconhecida como uma contribuição de Thomson ao modelo atômico: A)o átomo ser indivisível. B)a existência de partículas subatômicas. C)os elétrons ocuparem níveis discretos de energia. D)os elétrons girarem em órbitas circulares ao redor do núcleo. E)o átomo possuir um núcleo com carga positiva e uma eletrosfera. 8)Aponte uma diferença fundamental entre os modelos atômicos de Dalton e de Thomson. 9)Julgue os itens abaixo em verdadeiro ou falso ( )Átomos que possuem o mesmo número de prótons, nêutrons e elétrons são iguais. ( )O número de prótons de um átomo é denominado número atômico. ( )Átomos de mesmo número atômico constituem um elemento químico. ( )Atribuíram-se nomes às diferentes partículas constituintes dos átomos: as positivas foram chamadas de elétrons e as negativas de prótons. www.algosobre.com.br/fisica/atomo.html www.fisica.net/quimica/resumo1.htm enciclopediavirtual.vilabol.uol.com.br/quimica/atomistica/resumodosmodelos.htm www.virtualquimica.hpg.com.br/modelos_atomicos.htm www.brasilescola.com/quimica/evolucao-modelo-atomico.htm 9