Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12
16Dentro do átomo
Em 1909, num laboratório em Manchester, um feixe de partículas minúsculas e rápidas foi disparado contra uma folha de ouro com algumas centenas de átomos de espessura. Quase todas atravessaram em linha reta, como se o ouro fosse vazio. Mas cerca de uma em vários milhares voltou para trás. “Foi como se você disparasse um projétil de 15 polegadas contra uma folha de papel de seda e ele voltasse e atingisse você”, disse Ernest Rutherford, cujos alunos tinham feito o experimento. O átomo, o pedaço indivisível da matéria, tinha uma estrutura — e era quase inteiramente vazio.
O que você já sabe
Toda a matéria é feita de átomos, de cerca de cem tipos diferentes, cada um com um símbolo como , , , . Os átomos se juntam em moléculas, descritas por fórmulas como (Capítulo 11).
16.1 Núcleo e elétrons
Definição 16.1 (Núcleo e elétron)
Todo átomo tem um centro minúsculo e pesado, o núcleo, que tem carga elétrica positiva. Em volta dele se movem partículas muito mais leves, os elétrons, cada um com a mesma carga negativa, .
Proposição 16.2 (Um átomo é neutro)
Um átomo, como um todo, não tem carga elétrica: a carga positiva do núcleo é compensada exatamente pelas cargas negativas dos elétrons. A carga é minúscula: (o coulomb, unidade de carga, pertence ao livro de física).
16.2 Prótons e nêutrons
Definição 16.3 (Próton, nêutron, núcleon)
O núcleo é formado por dois tipos de partículas: os prótons, cada um com a carga , e os nêutrons, que não têm carga. Os prótons e os nêutrons, que têm quase a mesma massa, são chamados juntos de núcleons.
Definição 16.4 (Número atômico e número de massa)
O número de prótons de um núcleo é o número atômico, representado por . O número de núcleons (prótons e nêutrons juntos) é o número de massa, representado por . O número de nêutrons é .
Notação 16.5 (O símbolo do nuclídeo)
Um átomo com um dado núcleo é escrito com o seu símbolo, o número de massa no alto à esquerda e o número atômico embaixo à esquerda: . Por exemplo, tem 6 prótons e nêutrons; tem 26 prótons e 30 nêutrons.
Método 16.6 (Ler o símbolo de um nuclídeo)
Para :
16.3 O elemento químico e os seus isótopos
Definição 16.7 (Elemento químico)
Um elemento químico é o conjunto de todos os átomos, e de todos os átomos carregados formados a partir deles, que têm o mesmo número atômico . Cada elemento tem um nome e um símbolo: todo átomo com 6 prótons é um átomo de carbono, ; todo átomo com 8 prótons é um átomo de oxigênio, .
Definição 16.8 (Isótopos)
Átomos do mesmo elemento que têm números diferentes de nêutrons, e portanto números de massa diferentes, são isótopos desse elemento. Eles têm o mesmo e diferentes.
Exemplo 16.9 (Isótopos do carbono e do hidrogênio)
O carbono natural tem cerca de de carbono-12, , e de carbono-13, , com um traço de carbono-14, , cuja lenta transformação em outro núcleo é usada para datar madeiras e ossos antigos (a radioatividade pertence ao livro de física). O hidrogênio tem três isótopos: , sem nenhum nêutron, de longe o mais comum; o deutério , alguns átomos em cada cem mil; e o trítio .
Proposição 16.10 (Os isótopos se comportam igual na química)
A química de um átomo depende dos seus elétrons, e os isótopos de um elemento têm o mesmo número de elétrons. Os isótopos reagem, portanto, do mesmo modo: a água feita com deutério tem o aspecto e o comportamento quase exatamente iguais aos da água comum.
16.4 Tamanhos e massas
Proposição 16.11 (O núcleo é minúsculo e contém quase toda a massa)
Um átomo mede cerca de de diâmetro; o seu núcleo, de a : algo entre dez mil e cem mil vezes menor. As massas das partículas são
Um próton é cerca de 1836 vezes mais pesado do que um elétron, por isso mais de da massa de um átomo está no núcleo.
Exemplo 16.12 (Uma bolinha de gude num estádio)
Se o núcleo de um átomo fosse uma bolinha de gude de de diâmetro, o átomo teria cerca de de diâmetro: uma bolinha de gude no meio de um estádio enorme, com alguns grãozinhos de poeira — os elétrons — girando em volta das arquibancadas. A matéria é principalmente espaço vazio.
Método 16.13 (A massa de um átomo)
Como os prótons e os nêutrons têm quase a mesma massa e os elétrons são muito leves, a massa de um átomo é próxima de , em que é o seu número de massa. Um átomo de carbono-12: .
16.5 Uma breve história do modelo atômico
História — Do indivisível ao núcleo, 1897–1932
Em 1897, J. J. Thomson descobriu o elétron, uma partícula muito mais leve do que qualquer átomo: afinal, os átomos podiam ser divididos. Ele imaginou o átomo como uma bola de matéria positiva salpicada de elétrons. Em 1909–1911, o experimento da folha de ouro da equipe de Rutherford mostrou que a carga positiva e quase toda a massa estão num núcleo minúsculo. Em 1913, Niels Bohr propôs que os elétrons ocupam níveis de energia fixos em volta dele, e em 1932 James Chadwick descobriu o nêutron.

16.6 Exercícios
Exercício 16.1 ★
Dê o nome das partículas do núcleo e das partículas em volta dele, com o sinal da carga de cada uma.
Exercício 16.2 ★
Exercício 16.3 ★
Por que um átomo é eletricamente neutro?
Exercício 16.4 ★
Um átomo tem 26 prótons e 30 nêutrons. Escreva o símbolo do nuclídeo (o elemento é o ferro, ).
Solução
Solução de Exercício 16.4.
: .
Exercício 16.5 ★★
e são o mesmo elemento? São isótopos? Explique.
Solução
Solução de Exercício 16.5.
Sim: os dois têm , logo os dois são cloro. Eles têm números de massa diferentes (18 e 20 nêutrons): são isótopos.
Exercício 16.6 ★★
e são isótopos? Explique.
Solução
Solução de Exercício 16.6.
Não: eles têm números atômicos diferentes (6 e 7), logo são elementos diferentes, o carbono e o nitrogênio. Os isótopos têm o mesmo .
Exercício 16.7 ★★
Calcule, em notação científica, a massa aproximada de um átomo de .
Solução
Solução de Exercício 16.7.
.
Exercício 16.8 ★★
No experimento da folha de ouro, por que a maioria das partículas atravessa o ouro em linha reta?
Exercício 16.9 ★★
Quantas vezes um núcleo de é menor do que um átomo ()? Escreva a resposta como uma potência de dez.
Solução
Solução de Exercício 16.9.
: cem mil vezes menor.
Exercício 16.10 ★★
Por que os isótopos de um elemento têm a mesma química?
Exercício 16.11 ★★★
Um átomo de ferro tem 26 elétrons. Calcule a massa total deles, e depois a fração da massa de um átomo de que eles representam (use a massa encontrada no exercício 7).
Solução
Solução de Exercício 16.11.
. Fração: , cerca de da massa.
Exercício 16.12 ★★★
O cobre natural tem de cobre-63 e de cobre-65. Entre 10 000 átomos de cobre, quantos são de cada isótopo? Qual é o número médio de núcleons por átomo de cobre?
16.7 Problema: pesar o cloro
Problema 16.1
Problema de fim de semana — dois isótopos do cloro, a massa de cada átomo e a massa média de um átomo de cloro
O cloro natural é uma mistura de dois isótopos, o cloro-35 e o cloro-37: de cada 1000 átomos de cloro, cerca de 758 são de cloro-35 e 242 de cloro-37. Tome a massa de um núcleon como e a massa de um elétron como . O número atômico do cloro é 17.
Parte I — Dois núcleos.
- Escreva os símbolos dos nuclídeos dos dois isótopos.
- Dê o número de prótons, de nêutrons e de elétrons de cada um.
- Por que os dois se chamam cloro? Por que eles são isótopos?
- Uma amostra de cloro-37 vai reagir com o sódio do mesmo modo que uma amostra de cloro-35? Explique.
Parte II — A massa de cada átomo.
- Calcule a massa do núcleo de um átomo de cloro-35.
- Calcule a massa dos 17 elétrons, e verifique que ela pode ser desprezada ao lado da massa do núcleo.
- Calcule a massa de um átomo de cloro-37.
- Quantos átomos de cloro-35 pesariam ? Dê a resposta em notação científica.
Parte III — O átomo médio.
- Que porcentagem dos átomos de cloro é de cloro-35? E de cloro-37?
- Em 1000 átomos de cloro natural, calcule a massa total dos átomos de cloro-35 e a dos átomos de cloro-37.
- Calcule a massa desses 1000 átomos.
- Deduza a massa média de um átomo de cloro.
Solução
Solução de Problema 16.1.
1. e .
2. Cloro-35: 17 prótons, 18 nêutrons, 17 elétrons. Cloro-37: 17 prótons, 20 nêutrons, 17 elétrons.
3. Os dois têm 17 prótons, logo os dois são o elemento cloro; eles só diferem pelo número de nêutrons, logo são isótopos.
4. Sim: a química depende dos elétrons, e os dois têm 17.
5. .
6. : cerca de 4000 vezes menos que o núcleo, desprezível.
7. .
8. ; átomos.
9. e .
10. ; .
11. .
12. : a massa média de um átomo de cloro.