QUÍMICA GERAL e TECNOLÓGICA
Curso de Engenharia Básico
Prof. Dr. Djalma Albuquerque Barros Filho
Profa Dra Patrícia Dantoni
a
Prof Dra Rosely A. L. Imbernom
Profa Dra Silvania Maria Netto
ES TRUTURA GERAL DA MATÉRIA
Introdução
A partir da proposição inicial de Dalton, muito mudou no nosso conceito de átomos. Inicialmente, se
acreditava que eles eram partículas indivisíveis dotadas de massas, raios e demais propriedades físicas e químicas
diferentes. Esta teoria atômica teve inegável sucesso descrevendo as reações químicas mas, mesmo no século
passado, muitas descobertas experimentais relativas aos átomos e às moléculas iam contra o que se sabia da
Mecânica, do Eletromagnetismo e da Termodinâmica. Em resumo, a teoria funcionava, mas quando os químicos
tentavam aplicar os princípios da Física, para átomos ou para moléculas, tão bem comprovados em outras áreas,
nada aparentava ser razoável. E quando os físicos no final do século XIX e começo do XX começaram a estudar
esses átomos, encontraram novos problemas.
Tudo é composto de átomos . Esta é a hipótese chave. Se um pedaço de aço ou de sal, constituídos de
átomos uns juntos ao outros, podem ter propriedades tão interessantes; se a água - que não passa dessas
pequenas bolhas, quilômetro após quilômetro da mesma coisa sobre a Terra - pode formar ondas e espuma e
rumorejar, formar padrões estranhos ao fluir sobre o cimento; se tudo isso pode não passar de uma pilha de
átomos, quão mais é possível? Se em vez de dispor os átomos em certo padrão definido, repetidamente e para
todo o sempre, ou mesmo formar pequenos blocos de complexidade como o odor de violetas, fizermos um arranjo
que é sempre diferente de lugar para lugar, com diferentes tipos de átomos dispostos de várias maneiras e em
constante mudança, sem se repetir, quão maravilhosamente será possível que essa “coisa” se comporte? É
possível que aquela "coisa" que anda para lá e para cá diante de você, conversando com você, seja uma grande
massa desses átomos em um arranjo tão complexo que confunda a imaginação quanto ao que pode fazer?
Quando dizemos que somos uma pilha de átomos, não queremos dizer que somos meramente uma pilha de
átomos, porque uma pilha de átomos que não se repete de uma para a outra poderia muito bem ter a
possibilidade que você vê diante de um espelho.
MATÉRIA E ENERGIA
Nesse mundo rico em materiais diferentes, a natureza conseguiu formar essa diversidade de matérias que
conhecemos, os quais estão constantemente em transformação, surgindo assim novos compostos, em geral, com
liberação de calor, luz, etc.
O conceito moderno de matéria pode ser expresso como sendo tudo aquilo que apresenta massa, energia
e volume. No entanto, no decorrer deste texto, esta definição será explicada com um maior nível de detalhes.
OS ELEMENTOS QUÍMICOS
No final do século XVIII e início do século XIX, devido aos trabalhos de Lavoisier, Proust e Dalton, chegouse à conclusão de que todo e qualquer tipo de matéria é formada por partículas extremamente pequenas
denominadas átomos. Essa idéia foi uma tentativa de explicar “o mundo como se vê” (macroscópico) através da
hipótese de um “mundo invisível” (microscópico) formado pelos átomos. Foi desse modo que deu início a teoria
atômica, cujas idéias são válidas até hoje.
Apesar de conhecermos uma infinidade de matérias diferentes, os cientistas só conhecem, até agora, um
pouco mais de uma centena de tipos de átomos quimicamente diferentes. Cada um desses tipos representa um
elemento químico.
Cada elemento químico recebe um nome e uma abreviação, que é o símbolo usado internacionalmente.
Por exemplo:
Elementos
Símbolos
Cálcio
Ca
Carbono
C
Chumbo
Pb (do latim Plumbum)
Oxigênio
O
Potássio
K (do latim Kalium)
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A ESTRUTURA DO ÁTOMO
Desde os tempos mais remotos, filósofos e cientistas têm estado interessados nos blocos elementares
do nosso universo físico; de fato, foram os gregos os primeiros a sugerir que toda a matéria fosse feita a partir
de blocos indivisíveis - ou átomos. Entretanto, foi somente no século 20 que a idéia de um átomo divisível, isto
é, um bloco elementar que, por sua vez, é formado por outros blocos elementares, passou a ocupar a mente dos
cientistas.
Experimentos clássicos (Thonsom, Rutheford, Chadwick, Bohr) deram uma estrutura para este átomo:
algo formado por um grande espaço vazio, ocupado por minúsculos elétrons, que permanecem em prováveis
regiões nas proximidades do núcleo - um pequeno e massivo conjunto de prótons e nêutrons, mais de 100.000
vezes menor do que o átomo ao qual pertence.
Tanto os prótons como os nêutrons, por sua vez, são formados por outras subpartículas: os quarks cada próton ou nêutron é formado por 3 quarks. A energia que mantém todas esta partículas e subpartículas
unidas é muito grande, e pode ser aproveitada, tal como ocorre em processos de obtenção de energia nuclear
(usinas e bombas nucleares).
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Na extensão de 1 milímetro, algo da ordem de 10.000.000 átomos estão enfileirados, um junto ao outro.
Apesar de tão diminuto, o átomo, como já mencionado, é constituído por partículas ainda menores,
dispostas de forma similar ao sistema planetário em miniatura, isto é: os prótons e nêutrons estão muito próximos
uns dos outros, numa região central muito pequena do átomo (imagine o Sol) chamada núcleo, enquanto os
elétrons giram ao seu redor (imagine os planetas do sistema solar) a distâncias variáveis e relativamente grandes.
Os quarks, por sua vez, são as partículas que compõem a estrutura dos prótons e nêutrons. Até o
momento não se comprovou a existência de partículas que componham os elétrons, mas já existem hipóteses a
esse respeito.
O átomo é dinâmico, uma vez que todos seus constituintes se movimentam: os elétrons estão sempre
girando em torno do núcleo, enquanto que os prótons e nêutrons vibram dentro do núcleo e os quarks dentro dos
prótons e dos nêutrons.
O núcleo possui carga positiva devido somente a carga dos prótons, já que os nêutrons não possuem
carga alguma. O número de prótons e, conseqüentemente, a carga do núcleo, são características fundamental do
átomo: o que identifica um elemento é justamente o número de prótons (Z) do seu núcleo. Embora o número de
prótons seja sempre o mesmo, o número de nêutrons pode diferir em átomos de um mesmo elemento, gerando
átomos com massas atômicas (A) ligeiramente diferentes. Dois átomos com o mesmo Z, porém com diferente A,
são chamados de isótopos. Alguns isótopos são muito estáveis: a combinação adequada entre nêutrons e prótons
parece conferir sua estabilidade. Outros, entretanto, possuem núcleos particularmente instáveis: os núcleos se
"quebram" espontaneamente, por vários processos, resultando na emissão de radiação, sob a forma de
partículas e/ou energia.
Um determinado isótopo do Rádio (A=226), por exemplo, pode sofrer um decaimento espontâneo para
outro elemento (Radônio A=222 Z=86), liberando partículas alfa (núcleos de Hélio).
Embora muitas rochas já venham emitindo radiação desde a formação de nosso planeta, foi só em 1896
que, oficialmente, o químico francês Henri Becquerel anunciou a descoberta da radioatividade (emissão de
partículas alfa pelo elemento rádio), em um encontro da Academia de Ciências de Paris. Logo, o estudo da
radiação se tornou intenso dentro da comunidade científica, e suas aplicações não tardaram: ainda no início do
século 20, Wilhem Conrad Roentgen descobriu as propriedades dos raios-X, e seu uso potencial na medicina.
O casal Marie Curie e Pierre Curie é, talvez, o mais famoso de cientistas da história, e conhecidos por
seu trabalho pioneiro no estudo da radioatividade (o estudo da radiação foi iniciado com o elemento rádio - daí a
designação genérica "radioatividade"). Além do rádio, eles estudaram propriedades do urânio e tório, e também
descobriram o polônio. Marie Curie é a única pessoa a ter ganhado um prêmio Nobel na Química e outro
na Física! O termo "curie" se refere, hoje, à unidade de uma medida utilizada em estudos da radiação. Além de
fantásticas aplicações, os elementos radioativos trazem consigo um enorme e invisível perigo: a exposição
prolongada pode provocar, nos humanos, diversos males, até mesmo a morte.
Esta também foi uma das descobertas dos pioneiros: o assistente de Thomas Edison morreu com um
tumor induzido pela hiper-exposição à radiação. Vários soldados e operários de indústrias bélicas morreram
ou foram contaminados, durante a 2a. guerra mundial, com material radioativo. Para melhor visualização noturna,
todos os ponteiros, marcadores e displays dos aviões, tanques e outros veículos eram pintados com uma tinta
contendo isótopos radioativos dos elementos rádio e fósforo, para que brilhassem no escuro, e possibilitasse
manobras noturnas. Em 1915, a British Roentgen Society determinou normas de segurança para a pesquisa ou
trabalho com radiação - foi a primeira atitude organizada para a proteção contra radioatividade.
A fissão nuclear foi descoberta por Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassman, em 1938. Hahn
descobriu que se bombardeasse uma amostra de urânio com nêutrons, era capaz de produzir outro elemento, que
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ele acreditava ser o lantânio. Outros cientistas da época deram descrédito a sua descoberta, e ele não tinha uma
explicação satisfatória para o observado. Enviou uma carta para Lise Meitner, sua colaboradora, onde dizia
"Perhaps you can suggest some fantastic explanation"; e Meitner imaginou a fissão nuclear! Seus resultados
foram publicados em 1939, e no artigo Hahn dizia que a fissão nuclear existia, embora "in opposition to all the
phenomena observed up to the present in nuclear physics."
Além de acadêmica, a fissão nuclear logo mostrou uma aplicação, como fonte energética: a primeira
reação nuclear em cadeia controlada foi obtida no dia 2 de dezembro de 1942, que consistia no
bombardeamento de um isótopo radioativo do urânio com nêutrons. A façanha foi de Enrico Fermi, um italiano
naturalizado nos EUA, em um laboratório da Universidade de Chicago.
Marie Curie descobriu que havia 3 tipos diferentes de radiação, que foram designadas com as 3
primeiras letras do alfabeto grego: alfa, beta e gama. As partículas alfa contêm dois prótons e dois nêutrons, tal
como o núcleo do átomo de Hélio. Por isso, podem ser representadas pela designação 4He2+, além do símbolo a.
Estas partículas têm uma massa que é igual ao dobro da molécula do gás hidrogênio, e é a menos energética das
radiações.
Os raios beta são, na verdade, elétrons - uma partícula negativa, com uma massa 1/1837 vezes menor
que a do próton. É representa pela letra β. A radiação gama (γ), tal com os raios-X, são formas da radiação
eletromagnética, que é uma forma de energia quantizada em "pacotes" chamados fótons. A energia de um
fóton é dada por hν, onde h é a constante de Plank e ν é a freqüência de seu movimento ondulatório. De acordo
com a energia (freqüência) de um fóton, ele pertence a uma das faixas do espectro eletromagnético, tal como na
de microondas, rádios, TVs, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios-X ou gama. Quanto maior for a
freqüência, maior será a energia do fóton; os raios gama são a forma mais energética, e as faixas de radiação
utilizada em estações AM estão dentre as mais baixas. Um núcleo instável pode, no processo de decaimento, emitir
ambos os tipos de radiação.
A filha do casal Marie e Pierre, Irène Curie, e seu marido, Frédéric Joliot, estudaram o bombardeamento do
núcleo do átomo de alumínio com partículas alfa. A reação produziu nêutrons e um isótopo radioativo do fósforo
(A=30). Para surpresa do casal Joliot-Curie, este isótopo do fósforo emitia um tipo de partícula ainda
desconhecida: de mesma massa do elétron, mas de carga oposta. Esta partícula foi chamada de pósitron, e é
representada pelo símbolo +1e.
•
Etapa 1 27Al + 4 He2 +
•
Etapa 2
30
P
+1 e
30
P + 1n
+30Si
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Tanto o pósitron como elétron (partícula beta) são formados por desintegração do nêutron ou do
próton. Um nêutron pode se transformar em um próton e emitir um elétron; o próton, pode se transformar em
um nêutron e emitir um pósitron.
1
n
1
H+
1
H+ +
+1 e
-1 e
+ 1n
Na figura abaixo, representa-se toda a série de decaimento radioativo do Urânio-238.
Cada emissão ALFA corresponde a uma diminuição de 4 unidades no número de massa atômica e de 2
unidades no número atômico, pois a partícula alfa é o 4 He2+. Uma emissão BETA não provoca alteração no número
de massa, uma vez que um nêutron se transforma em um próton: com um conseqüente aumento do número
atômico. O processo culmina com a emissão de elétrons - as partículas beta.
Outro processo importante que pode ocorrer com o núcleo é a fusão nuclear. Nesta reação, dois núcleos
pequenos se combinam para formar um maior. Este processo também é acompanhado pela liberação de vasta
quantidade de energia. Uma reação de fusão típica é entre o deutério e o trítio (dois isótopos do hidrogênio), que
se fundem e formam o hélio, com a liberação de um nêutron. Toda a energia do Sol vem de reações de fusão
nuclear. Nossa estrela é composta por cerca de 73% de hidrogênio e 26% de hélio. Varias reações de fusão
ocorrem, mas o produto final sempre é o hélio. Lentamente, o sol vai "queimando" todo o seu combustível.
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Afinal qual é a partícula elementar que compõe a matéria?
Tudo que não pode mais ser divisível é considerado constituinte universal da matéria. Isto significa que
quarks e elétrons são os constituintes fundamentais da matéria, levando-se em consideração o conhecimento do
homem no inicio do terceiro milênio. Entretanto, é importante ressaltar que os quarks não vivem isolados; eles só
existem quando confinados no interior de prótons e nêutrons, enquanto os elétrons são partículas solitárias
vagando ao redor do núcleo. É usual utilizar a denominação núcleons para prótons e nêutrons. Na figura abaixo é
apresentada uma ilustração do que se imagina que seja o núcleo (ou de como ele seria caso pudéssemos visualizálo, uma vez que se trata de um "retrato elaborado" em função das descobertas científicas).
Mas atenção: as dimensões não estão na escala correta!!!
Quais as dimensões associadas a estrutura atômica?
Para se der uma idéia da distância que separa os elétrons do núcleo vamos supor um átomo com 1 km de
extensão. Nestas condições o tamanho do núcleo seria da ordem de 10 cm com os elétrons girando ao seu redor
há distâncias de no mínimo 500 metros!!!
As constatações a respeito do tamanho, bem como de seus componentes, levaram à idéia de que o átomo
é praticamente um grande espaço vazio, ou seja, nossos corpos, os vegetais, os objetos e toda a matéria presente
na natureza é, na maior parte, constituída de espaços vazios!!!
Se você ainda tem dificuldade em aceitar este fato pense como seria se passássemos as dimensões do
átomo para uma escala na qual pudéssemos visualizá-lo. Para exemplificar vamos assumir que o elétron é da
ordem de um grão de areia (~3 mm); nesse caso, teríamos a seguinte situação:
Ilustração do átomo para a condição fictícia de que toda sua estrutura fosse visível, isto é, um átomo com o
diâmetro de ~1 quilômetro (dimensões "reais" associadas ao tamanho do átomo).
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E as dimensões dos Núcleons?
Que tipo de partícula é o Quark?
Os quarks são partículas elementares que se combinam para formar os prótons e os nêutrons nos núcleos
atômicos. Já foram identificados seis tipos de quarks: up (u), down (d), charmoso (c), estranho (s), top (t) e o
bottom (b), sendo o próton constituído por dois quarks up e um down enquanto o nêutron é formado por um
quark up e dois quarks down.
Os quarks apresentam duas características interessantes: têm carga fracionária e só existem em grupos e
dentro do núcleo. As partículas que mantém os quarks unidos no interior de prótons e nêutrons no núcleo são
denominadas glúons. Os quarks e os glúons são tão unidos que ainda não foi possível separá-los, mas os físicos
acreditam que, num futuro próximo, a realização de experiências que permitam colisões entre núcleos pesados,
isto é, a possibilidade de núcleos serem lançados uns contra os outros, permita, por breves instantes, separar
glúons e quarks, formando um tipo de estado da matéria denominado PLASMA de glúons e quarks.
O estudo do plasma é importante, pois pode ser o passo inicial que permita esclarecer como a "matéria
original" foi formada; ou seja, estaremos aprendendo sobre o nascimento do Universo!!! Partículas formadas por
quarks, como é o caso dos prótons e nêutrons, são chamadas de Hádrons.
Existem outros tipos de Hádrons?
Na verdade existem dois tipos de hádrons: os compostos por TRÊS quarks denominados bárions e
representados por (qqq) e os compostos por um quark (q) e um antiquark, (-q), chamados de mésons. Só para ter
idéia do universo complexo que é a estrutura interna do núcleo, já foram identificados da ordem de 140 tipos de
mésons!!!
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O que é um antiquark?
Mais um mistério na física do núcleo: os físicos descobriram que para cada tipo de partícula que compõe a
matéria, existe uma antipartícula correspondente!. Portanto, a matéria é constituída de partículas e a antimatéria
de antipartículas.
Uma partícula e sua respectiva antipartícula possuem a mesma massa e mesmo comportamento; o que as
difere é o fato de terem cargas opostas. Além disso, quando se encontram se anulam, convertendo-se em PURA
ENERGIA, e podendo formar outras partículas. Entretanto, apesar dos físicos já terem conseguido identificá-las,
pouco se sabe a respeito de suas propriedades e uma das questões mais intrigantes no momento e que ainda não
possui explicação, é por quê existe mais matéria do que antimatéria no Universo?
Acabou, ou tem outros tipos de partículas no núcleo?
Não acabou e acredita-se que muito ainda temos por descobrir. Por exemplo, outra categoria de partículas
que já se conhece razoavelmente bem a respeito, são os Léptons.
E que propriedades possuem as partículas da matéria para serem classificadas como léptons?
Enquanto os núcleons (prótons e nêutrons) são classificados como hádrons, pois são constituídos por
grupos de quarks, os elétrons, que são solitários, pertencem à categoria de Léptons. Além do elétron, existem mais
cinco léptons: o múon (µ) e o tau (τ), que como elétron possuem carga, e três tipos de neutrinos (n), com massa
muito pequena e sem carga. "Suspeita-se" que os léptons não possuam estrutura interna.
Podemos imaginar que se houvesse um consultor sentimental de partículas para o átomo os léptons
poderiam ser encaminhados, pois viver solitário e com um grande vazio interior deve se difícil... Deve mesmo, pois
todos têm comportamento estranho. No caso dos neutrinos, o que já se sabe é que são em grande número no
Universo. Para se ter idéia estima-se que para cada próton existam bilhões de neutrinos. Os pesquisadores
acreditam que os neutrinos sejam provenientes de reações nucleares que ocorrem nas estrelas, e que eles podem
atravessar não só a Terra mas o Universo inteiro sem que sua trajetória seja interrompida!!! Para se ter uma idéia,
estima-se que a cada 100 trilhões de neutrinos que cruzam a Terra, somente um sofre alguma colisão por aqui!
Outra descoberta importante com relação aos léptons é que, ao contrário do elétron que é um dos
constituintes fundamentais, tanto o múon como o tau, não são encontrados em toda matéria pois, por serem
instáveis (isto é, radioativos), decaem rapidamente formando outras partículas. Mas os físicos ainda não conhecem
todos os modos de decaimentos desses léptons instáveis. O que se pode afirmar é que para cada lépton há um
antilépton.
Por quê existem tantas partículas no núcleo?
Ao contrário do decaimento dos núcleos radioativos que se transformam em outros menores e mais
estáveis, dentro do núcleo as partículas decaem transformando-se em muitas outras. Um esquema que envolve a
classificação das partículas é apresentado a seguir, mas lembre-se: isto não é tudo, pois há muito, muito mais
sobre partículas...
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Esquema simplificado referente à classificação de partículas
De tudo que foi abordado, pode-se deduzir que o Universo é constituído por matéria, que é
constituída por partículas, e por antimatéria, que é constituída por antipartículas, mas nem tudo tem
explicação ainda... e cabe aos físicos buscar estas respostas. Imagine quando ainda há por saber!!!!
Quanto pesa o átomo?
É intuitiva a idéia de que a massa do átomo deve ser igual à soma de seus constituintes, isto é:
Massa do átomo = massa do núcleo + massa dos elétrons?
Errado!!!!
Na realidade, a massa do átomo é menor que a soma da massa dos seus constituintes.
Por quê?
Quando prótons e nêutrons se unem para formar um núcleo eles transformam parte de sua massa em
energia e, desta forma, a massa do átomo é dada por:
Como a massa do próton é praticamente igual à do nêutron e a massa do elétron é ~1836 vezes menor
que massa do próton, pode-se considerar que a massa do átomo está concentrada praticamente na região do
núcleo. Isto significa que o núcleo deve ser muito denso!!
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Como estudar o núcleo ?
Como estudar algo que não podemos enxergar ou sentir é uma questão que parece difícil de resolver mas
a solução esta em utilizar "OLHOS TECNOLÓGICOS", isto é olhos capazes de enxergar objetos minúsculos, fora do
alcance humano de visão.Mas como isso pode ser feito? Um exemplo que conhecemos bem é o microscópio,
entretanto, mesmo os mais modernos ainda não possuem tecnologia que permitam visualizar o átomo e todos
seus constituintes.
Para entender como se deu a evolução tecnológica, que levou os cientistas a desenvolveram instrumentos
e máquinas que permitiram ao longo do tempo desvendar e ampliar os horizontes, que envolvem as dimensões
atômicas e nucleares, vamos primeiramente analisar como nossos olhos podem captar imagens observando a
figura abaixo:
De acordo com esta figura nossos olhos estão sintonizados na região visível da luz, isto significa
que nossa visão é limitada. O parâmetro físico utilizado para dimensionar nosso alcance de visão é chamado
comprimento de onda e é representado por λ.
Na região da luz visível λ tem dimensão de 0,0000005 metros, portanto a forma de visualizarmos
"objetos" procede em forma de onda sendo sua dimensão responsável pelo que se pode enxergar. Isto significa
que objetos fora do nosso alcance de visão necessitam de dimensões adequadas de λ para que posam ser vistos.
Como a luz é uma onda eletromagnética constituída por fótons (isto é, radiação dotada de
energia, mas que não possui massa nem carga), bilhões deles, foi necessário o desenvolvimento de
equipamentos e máquinas que pudessem gerar luz com λ muito pequeno, menor que a dimensão do núcleo, para
poder penetrá-lo e estudá-lo.
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Esta constatação levou os cientistas a desenvolverem equipamentos sensíveis aos demais comprimentos
de onda, fornecendo muitas informações sobre os elétrons que circulam o átomo e sobre os constituintes do
núcleo.
Mas, na realidade, ainda não existe um aparelho com capacidade de enxergar o núcleo; portanto, o que se
faz é bombardeá-lo com "ondas que possam penetrá-lo" e então identificar o que sai de um núcleo utilizando
detectores, os "olhos tecnológicos". A partir destas informações, tenta-se montar um retrato do núcleo. Mas isto
não é simples!
Portanto, pode-se utilizar luz, com λ apropriado, para estudar o átomo. Mas, sabendo-se que todas as
partículas têm propriedades de onda, pode-se também estudar as estruturas nucleares utilizando partículas
aceleradas!!!
Um acelerador pode produzir partículas com comprimento de onda adequado ao estudo do núcleo pois
quanto mais aceleradas (mais energéticas) menor será seu λ. Ao penetrarem no núcleo, estas partículas
interagem com seus constituintes levando à expulsão de vários deles. Estes prótons e nêutrons "expulsos" são
detectados, fornecendo informações sobre o núcleo.
Foi desta forma que Rutherford identificou o próton;
14
4
17
1
N+ α →
O+ p
7
2
8
1
e Chadwick, o nêutron:
8
4 Be
4
+ 2α →
12
6C
+
1
0n
Por quê o estudo da Física Nuclear precisa de Aceleradores?
Os aceleradores de partículas têm por objetivo desmembrar os núcleos em pedaços tão pequenos quanto
possível.
E de que forma isto é feito?
Ao acelerar partículas dentro de um anel com vários quilômetros, elas adquirem grande energia. Quanto
mais energia for concentrada nas partículas que irão se chocar com o núcleo, maior será a força de rompimento,
isto é, "desmembramento" do núcleo.
Antes da colisão tem-se nos núcleos prótons e nêutrons confinados em um espaço muito pequeno, o
núcleo propriamente dito.
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Após a colisão entre o núcleo e as partículas aceleradas, os núcleons são libertados sendo possível estudálos.
Hoje isto é feito em vários laboratórios do mundo. Entretanto, observe que a estrutura interna dos prótons
e nêutrons, neste tipo de experimento, ainda não é rompida.
Atualmente, o objetivo dos experimentos que envolvem a Física do Núcleo é desmembrar prótons e
nêutrons. Para isto estão sendo construídas máquinas mais potentes, com a capacidade de acelerar núcleos
pesados em sentidos opostos, até eles colidirem.
Antes da colisão, os núcleos apresentam quarks e glúons bem confinados no interior dos núcleons. O que
se espera é que, após a colisão, os núcleons sejam desmembrados, formando o plasma. Entretanto, ainda não
existe um acelerador capaz de romper um núcleon de forma a isolar quarks e glúons.
A IDENTIDADE DOS ÁTOMOS
Toda matéria é formada por átomos, e todos os átomos são formados de prótons, nêutrons e elétrons. A
diferença entre os átomos de diferentes materiais esta na quantidade de prótons, nêutrons e elétrons.
O número de prótons é igual ao número atômico do elemento, cujo é simbolizado por Z e representa a
identidade do elemento.
A soma do número de prótons e nêutrons de um átomo representa a massa desta partícula, simbolizado
por A.
A notação química para a representação de um átomo corresponde a:
Massa atômica: média das
massas atômicas dos isótopos
do elemento ou ( )= número
de massa do isótopo mais
estável
Número de massa:
indica a quantidade
de
prótons
e
nêutrons
contidos
em um átomo
M.A.
A
Z
E
X
K
L
M
N
O
P
Q
Número de elétrons
nas camadas
Símbolo do elemento
Número
atômico:
indica
a
quantidade de prótons ou elétrons
contidos em um átomo
Observações:
•
Em qualquer átomo o número de prótons (carga positiva +1) é igual ao número de elétrons (carga
negativa –1), fazendo com que o átomo seja um sistema eletricamente neutro.
•
O número de nêutrons de um átomo não é necessariamente igual ao de prótons, pode ser igual, maior ou
eventualmente menor
•
O único átomo que não apresenta nêutrons é o do hidrogênio (Z=1 e A=1).
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Algumas fórmulas:
p = número de prótons
n = número de nêutrons
e = número de elétrons
Z = número atômico
A = número de massa
p=e
Z=p
A=p+n ⇒ A=Z+n ⇒ n=A–Z
Algumas definições úteis:
•
Isótopos: são átomos de mesmo número atômico (mesmo elemento químico) e números de massa
diferentes.
•
Isóbaros: são átomos de diferentes números atômicos (elementos diferentes) e mesmo números de
massa.
•
Isótonos: são átomos de diferentes números atômicos e números de massa que apresentam igual
quantidade de nêutrons.
CONC EITOS E CÁ LCUL OS DECORR E NTES DA TEOR IA A TÔM ICA M OL ECULA R
Unidade de massa atômica (u)
Utiliza-se como padrão o isótopo 12 do átomo de carbono (
12
6
C - o átomo possui 6 prótons e 6 nêutrons
em seu núcleo). A esse átomo foi atribuída arbitrariamente a massa 12, então desse átomo separou-se uma “fatia”
correspondente a um doze avos (1/12 de 12 é igual a 1), que é usada como unidade internacional para a medida
de massas atômicas e moleculares.
Atualmente, pode-se determinar, experimentalmente, que uma unidade de massa atômica (u) corresponde
a, aproximadamente, 1,66 x 10–24 g.
Massa Atômica (MA): é a massa do átomo medida em unidades de massa atômica (u). Ela indica quantas vezes
o átomo considerado é mais pesado que 1/12 do átomo de 12C.
Massa Molar (M): corresponde a somatória das massas atômicas dos átomos que compõem a molécula ou o
composto iônico, expressa em g/mol. Exemplos:
•
Molécula de CO2 - (dióxido de carbono) (C = 12u; O = 16u)
M CO = MAC + 2 MAO = 12 + 2(16) = 12 + 32 = 44 g/mol
2
•
Molécula de H2SO4 (ácido sulfúrico) (H = 1u; O = 16u; S = 32u)
MH SO = 2 MAH + MAS + 4 MAO = 2(1) + 32 + 4(16) = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol
2
4
Número ou constante de Avogadro: 6,02 x 1023 e corresponde ao total de “unidades” existentes em um mol
de matéria. O nome e o símbolo da unidade mol são idênticos. O plural do nome, muito usado no Brasil,
é mols e não moles, analogamente a becquerels, henrys, pascals, etc, embora esses plurais não se
ajustem às normas gramaticais da língua portuguesa.Entretanto, é importante lembrar que os símbolos das
unidades não mudam no plural (ex: z=1,3 mol).
O emprego desta definição de mol tornou obsoletos e em desuso diversos termos como número de mols,
número de moléculas-grama, número de átomos-grama (todos substituídos por quantidade de matéria);
peso atômico e peso molecular (substituídos por massa molar), e molaridade e normalidade (substituídos
por concentração em quantidade de matéria ou, simplesmente, concentração). Veja:
Fevereiro de 2006
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QUÍMICA GERAL e TECNOLÓGICA
Curso de Engenharia Básico
Prof. Dr. Djalma Albuquerque Barros Filho
Profa Dra Patrícia Dantoni
a
Prof Dra Rosely A. L. Imbernom
Profa Dra Silvania Maria Netto
1 mol de átomos de Ca
40 g de Ca
6,02 x 1023 átomos de Ca
1 mol de moléculas de CO2
44 g de CO2
6,02 x 1023 moléculas de CO2
1 mol de íons de sódio
23 g de Na +
6,02 x 1023 íons de Na +
1 mol de elétrons
1/1836 g de elétrons
6,02 x 1023 elétrons
Podemos, então, concluir que mol é a quantidade de matéria de um sistema, que contém tantas entidades
elementares (átomos, moléculas, íons, elétrons, etc.) quantos átomos existem em 12g de carbono-12.
Volume Molar (Vm): o volume molar de um gás nas Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP1)
corresponde ao volume ocupado por 1 mol de moléculas do referido gás e equivale a 22,4 L.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
ATKINS, P. E JONES, L. Princípios de Química. Porto Alegre: Bookman, 2001.
BROWN, T.L. et al. Química a Ciência Central. 9 ed. São Paulo: Pearson-Prentice Hall, 2005.
LEE, J.D. Química Inorgânica não tão Concisa. 5 ed. São Paulo: Edgard Blücher Ltda., 2000.
RUSSEL, J.B. Química Geral. 2 ed. São Paulo: Makron Books, 1994. Vol. 1. 621 p.
Sítios de interesse na Internet
A Aventura das Partículas
http://www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br.
História da Energia Nuclear
http://www.biodieselecooleo.com.br/energia/nuclear/historia.htm.
Física atômica: perspectivas dentro do Ano Internacional da Física
http://www.comciencia.br/reportagens/2005/03/09.shtml.
Como as coisas se quebram?
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160060127.
General Chemistry I – Prof. Dr. Michael Blaber
http://wine1.sb.fsu.edu/chm1045/chm1045.htm.
General Chemistry Online – Prof. Dr. Frederic A. Senese
http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/index.shtml.
1
CNTP corresponde a 273,15 K (0 °C) e 1 atm = 760 mmHg
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