Chemistry · Livro 1 · Grades 1–12

Química dos ensinos fundamental e médio

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 H\ce{H}, C\ce{C}, O\ce{O}, Fe\ce{Fe}. Os átomos se juntam em moléculas, descritas por fórmulas como HX2O\ce{H2O} (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, −e-e.

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 ee é minúscula: e=1.60×10−19 Ce = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C} (o coulomb, unidade de carga, pertence ao livro de física).

Um átomo, fora de escala. Se o núcleo fosse desenhado do tamanho do ponto vermelho, a nuvem de elétrons teria algumas centenas de metros de diâmetro.
Um átomo, fora de escala. Se o núcleo fosse desenhado do tamanho do ponto vermelho, a nuvem de elétrons teria algumas centenas de metros de diâmetro.

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+e, 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 ZZ. O número de núcleons (prótons e nêutrons juntos) é o número de massa, representado por AA. O número de nêutrons é N=A−ZN = A - Z.

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: XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}. Por exemplo, X612X26212C\ce{^{12}_{6}C} tem 6 prótons e 12−6=612 - 6 = 6 nêutrons; X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} tem 26 prótons e 30 nêutrons.

Método 16.6 (Ler o símbolo de um nuclídeo)

Para XZAX2Z2AX\ce{^{A}_{Z}X}:

  1. prótons: ZZ;
  2. nêutrons: A−ZA - Z;
  3. elétrons do átomo neutro: ZZ, o mesmo número que os prótons.

Para X1123X211223Na\ce{^{23}_{11}Na}: 11 prótons, 12 nêutrons, 11 elétrons.

Ler o símbolo de um nuclídeo: este átomo de cloro tem 17 prótons, 35 - 17 = 18 nêutrons e, quando neutro, 17 elétrons.
Ler o símbolo de um nuclídeo: este átomo de cloro tem 17 prótons, 35−17=1835 - 17 = 18 nêutrons e, quando neutro, 17 elétrons.

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 ZZ. Cada elemento tem um nome e um símbolo: todo átomo com 6 prótons é um átomo de carbono, C\ce{C}; todo átomo com 8 prótons é um átomo de oxigênio, O\ce{O}.

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 ZZ e AA diferentes.

Exemplo 16.9 (Isótopos do carbono e do hidrogênio)

O carbono natural tem cerca de 98.9 %98.9\,\% de carbono-12, X612X26212C\ce{^{12}_{6}C}, e 1.1 %1.1\,\% de carbono-13, X613X26213C\ce{^{13}_{6}C}, com um traço de carbono-14, X614X26214C\ce{^{14}_{6}C}, 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: X11X2121H\ce{^{1}_{1}H}, sem nenhum nêutron, de longe o mais comum; o deutério X12X2122H\ce{^{2}_{1}H}, alguns átomos em cada cem mil; e o trítio X13X2123H\ce{^{3}_{1}H}.

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.

Os núcleos dos três isótopos do hidrogênio: um próton cada, e 0, 1 ou 2 nêutrons.
Os núcleos dos três isótopos do hidrogênio: um próton cada, e 0, 1 ou 2 nêutrons.

16.4 Tamanhos e massas

Proposição 16.11 (O núcleo é minúsculo e contém quase toda a massa)

Um átomo mede cerca de 10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m} de diâmetro; o seu núcleo, de 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} a 10−14 m10^{-14}\,\mathrm{m}: algo entre dez mil e cem mil vezes menor. As massas das partículas são

mp=1.673×10−27 kg,mn=1.675×10−27 kg,me=9.11×10−31 kg.m_p = 1.673 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_n = 1.675 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg},\qquad m_e = 9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}.

Um próton é cerca de 1836 vezes mais pesado do que um elétron, por isso mais de 99.9 %99.9\,\% 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 1 cm1\,\mathrm{cm} de diâmetro, o átomo teria cerca de 1 cm×100 000=1 km1\,\mathrm{cm} \times 100\,000 = 1\,\mathrm{km} 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 A×1.67×10−27 kgA \times 1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}, em que AA é o seu número de massa. Um átomo de carbono-12: 12×1.67×10−27=2.00×10−26 kg12 \times 1.67 \times 10^{-27} = 2.00 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

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.

Ernest Rutherford (1871–1937).
O experimento da folha de ouro: a maioria das partículas atravessa em linha reta; algumas são desviadas; pouquíssimas voltam para trás ao bater num núcleo.

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.

Solução

Solução de Exercício 16.1.

No núcleo: prótons (positivos) e nêutrons (sem carga). Em volta dele: elétrons (negativos).

Exercício 16.2 ★

Dê o número de prótons, de nêutrons e de elétrons de X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}, X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al} e X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}.

Solução

Solução de Exercício 16.2.

X816X28216O\ce{^{16}_{8}O}: 8 prótons, 8 nêutrons, 8 elétrons. X1327X213227Al\ce{^{27}_{13}Al}: 13, 14, 13. X2040X220240Ca\ce{^{40}_{20}Ca}: 20, 20, 20.

Exercício 16.3 ★

Por que um átomo é eletricamente neutro?

Solução

Solução de Exercício 16.3.

Ele tem tantos elétrons (carga −e-e cada um) quanto prótons (carga +e+e cada um): as cargas se anulam.

Exercício 16.4 ★

Um átomo tem 26 prótons e 30 nêutrons. Escreva o símbolo do nuclídeo (o elemento é o ferro, Fe\ce{Fe}).

Solução

Solução de Exercício 16.4.

A=26+30=56A = 26 + 30 = 56: X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

Exercício 16.5 ★★

X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} e X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl} são o mesmo elemento? São isótopos? Explique.

Solução

Solução de Exercício 16.5.

Sim: os dois têm Z=17Z = 17, logo os dois são cloro. Eles têm números de massa diferentes (18 e 20 nêutrons): são isótopos.

Exercício 16.6 ★★

X614X26214C\ce{^{14}_{6}C} e X714X27214N\ce{^{14}_{7}N} 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 ZZ.

Exercício 16.7 ★★

Calcule, em notação científica, a massa aproximada de um átomo de X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe}.

Solução

Solução de Exercício 16.7.

56×1.67×10−27≈9.35×10−26 kg56 \times 1.67 \times 10^{-27} \approx 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

Exercício 16.8 ★★

No experimento da folha de ouro, por que a maioria das partículas atravessa o ouro em linha reta?

Solução

Solução de Exercício 16.8.

Um átomo é principalmente espaço vazio: o núcleo é minúsculo, por isso a maioria das partículas não encontra nenhum núcleo no caminho e atravessa em linha reta.

Exercício 16.9 ★★

Quantas vezes um núcleo de 10−15 m10^{-15}\,\mathrm{m} é menor do que um átomo (10−10 m10^{-10}\,\mathrm{m})? Escreva a resposta como uma potência de dez.

Solução

Solução de Exercício 16.9.

10−10/10−15=10510^{-10} / 10^{-15} = 10^{5}: cem mil vezes menor.

Exercício 16.10 ★★

Por que os isótopos de um elemento têm a mesma química?

Solução

Solução de Exercício 16.10.

A química depende dos elétrons, e os isótopos de um elemento têm o mesmo número de elétrons (o mesmo ZZ).

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 X2656X226256Fe\ce{^{56}_{26}Fe} que eles representam (use a massa encontrada no exercício 7).

Solução

Solução de Exercício 16.11.

26×9.11×10−31=2.37×10−29 kg26 \times 9.11 \times 10^{-31} = 2.37 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}. Fração: 2.37×10−29/9.35×10−26≈2.5×10−42.37 \times 10^{-29} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 2.5 \times 10^{-4}, cerca de 0.025 %0.025\,\% da massa.

Exercício 16.12 ★★★

O cobre natural tem 69.15 %69.15\,\% de cobre-63 e 30.85 %30.85\,\% 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?

Solução

Solução de Exercício 16.12.

6915 átomos de cobre-63 e 3085 átomos de cobre-65. Média: (6915×63+3085×65)/10 000=63.6(6915 \times 63 + 3085 \times 65)/10\,000 = 63.6 núcleons.

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 1.67×10−27 kg1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg} e a massa de um elétron como 9.11×10−31 kg9.11 \times 10^{-31}\,\mathrm{kg}. O número atômico do cloro é 17.

Parte I — Dois núcleos.

  1. Escreva os símbolos dos nuclídeos dos dois isótopos.
  2. Dê o número de prótons, de nêutrons e de elétrons de cada um.
  3. Por que os dois se chamam cloro? Por que eles são isótopos?
  4. 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.

  1. Calcule a massa do núcleo de um átomo de cloro-35.
  2. Calcule a massa dos 17 elétrons, e verifique que ela pode ser desprezada ao lado da massa do núcleo.
  3. Calcule a massa de um átomo de cloro-37.
  4. Quantos átomos de cloro-35 pesariam 1 g1\,\mathrm{g}? Dê a resposta em notação científica.

Parte III — O átomo médio.

  1. Que porcentagem dos átomos de cloro é de cloro-35? E de cloro-37?
  2. Em 1000 átomos de cloro natural, calcule a massa total dos átomos de cloro-35 e a dos átomos de cloro-37.
  3. Calcule a massa desses 1000 átomos.
  4. Deduza a massa média de um átomo de cloro.
Solução

Solução de Problema 16.1.

1. X1735X217235Cl\ce{^{35}_{17}Cl} e X1737X217237Cl\ce{^{37}_{17}Cl}.

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. 35×1.67×10−27=5.845×10−26 kg35 \times 1.67 \times 10^{-27} = 5.845 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

6. 17×9.11×10−31=1.55×10−29 kg17 \times 9.11 \times 10^{-31} = 1.55 \times 10^{-29}\,\mathrm{kg}: cerca de 4000 vezes menos que o núcleo, desprezível.

7. 37×1.67×10−27=6.179×10−26 kg37 \times 1.67 \times 10^{-27} = 6.179 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}.

8. 1 g=10−3 kg1\,\mathrm{g} = 10^{-3}\,\mathrm{kg}; 10−3/5.845×10−26≈1.71×102210^{-3} / 5.845 \times 10^{-26} \approx 1.71 \times 10^{22} átomos.

9. 75.8 %75.8\,\% e 24.2 %24.2\,\%.

10. 758×5.845×10−26=4.430×10−23 kg758 \times 5.845 \times 10^{-26} = 4.430 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}; 242×6.179×10−26=1.495×10−23 kg242 \times 6.179 \times 10^{-26} = 1.495 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

11. 4.430×10−23+1.495×10−23=5.925×10−23 kg4.430 \times 10^{-23} + 1.495 \times 10^{-23} = 5.925 \times 10^{-23}\,\mathrm{kg}.

12. 5.925×10−23/1000≈5.93×10−26 kg5.925 \times 10^{-23} / 1000 \approx 5.93 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}: a massa média de um átomo de cloro.

Termos definidos neste capítulo

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