9º A e 9º C - ÁTOMOS E ELEMENTOS QUÍMICOS

ÁTOMOS E ELEMENTOS QUÍMICOS

Os modelos usados para representar os átomos são chamados modelos atômicos. Eles não são iguais aos átomos que eles representam, mas nos ajudam a explicar alguns fenômenos que podem ser observados na natureza, como a transformação das substâncias químicas, os fenômenos elétricos e muitos outros. Os modelos são aceitos pelos cientistas como uma possível forma de explicar alguns tipos de fenômenos. No entanto, à medida que novas observações e testes são feitos, e que novos conceitos e teorias são criados, esses modelos podem ser substituídos ou modificados para explicar novas descobertas. A teoria atômica e o modelo atômico explicam várias propriedades dos átomos. Ao responder à pergunta “De que é formada a matéria?”, Demócrito afirmou que todos os corpos podiam ser dividido sem partículas cada vez menores, até chegar ao átomo, que não poderia mais ser dividido. O átomo seria, portanto, a menor parte da matéria.

O modelo atômico de Dalton

O modelo atômico proposto por John Dalton no início do século XIX foi a primeira teoria científica moderna sobre o átomo.

🔬 Principais ideias do modelo de Dalton:

• A matéria é formada por partículas muito pequenas chamadas átomos.
• Os átomos são esferas maciças, indivisíveis e indestrutíveis (modelo conhecido como “bola de bilhar”).
• Átomos de um mesmo elemento químico são iguais em massa e propriedades.
• Átomos de elementos diferentes possuem massas e características diferentes.
• As substâncias são formadas pela combinação de átomos em proporções definidas.
• Nas reações químicas, os átomos apenas se reorganizam — não são criados nem destruídos. De acordo com o modelo atômico proposto por Dalton, os átomos seriam como pequenas esferas invisíveis e que não podiam ser divididas. Essas partículas não poderiam ser quebradas em partes menores, nem criadas ou destruídas

Para Dalton, o átomo era uma esfera sólida e indivisível que formava toda a matéria.

O modelo atômico de Thomson

No final do século XIX, estudos sobre fenômenos elétricos mostraram que o átomo possui cargas elétricas positivas e negativas. Em 1897, o físico inglês Joseph John Thomson descobriu o elétron, uma partícula de carga negativa presente no átomo.

Como o átomo é eletricamente neutro, Thomson propôs que deveria existir também uma carga positiva para equilibrar as cargas negativas. Assim, sugeriu um novo modelo atômico no qual os elétrons estariam inseridos em uma esfera de carga positiva, mostrando que o átomo não era indivisível, como afirmava o modelo anterior.

Posteriormente, foram descobertos os prótons, partículas de carga positiva, e novos experimentos levaram à reformulação desse modelo atômico.

Os modelos de Rutherford e Bohr

Novas descobertas científicas, especialmente o estudo da radioatividade iniciado por Antoine Henri Becquerel, mostraram que o modelo atômico de Thomson precisava ser modificado. Experimentos realizados por Ernest Rutherford demonstraram que o átomo possui uma região central chamada núcleo, onde se concentram os prótons e quase toda a massa do átomo, e uma região externa chamada eletrosfera, onde ficam os elétrons.

Em 1913, Niels Bohr aperfeiçoou esse modelo ao propor que os elétrons se movimentam em níveis de energia definidos ao redor do núcleo, podendo ganhar ou perder energia ao mudar de nível.

Posteriormente, James Chadwick descobriu o nêutron, partícula sem carga elétrica localizada no núcleo juntamente com os prótons. Verificou-se também que quase toda a massa do átomo está concentrada no núcleo e que elétrons possuem massa muito menor que prótons e nêutrons.

Com o avanço das pesquisas, descobriu-se que prótons e nêutrons são formados por partículas menores chamadas quarks. Ao longo da história da ciência, os modelos atômicos foram sendo modificados conforme novas evidências surgiram, embora os modelos de Rutherford e Bohr ainda sejam utilizados para fins didáticos.

Íons: ânions e cátions

Em certas situações, o átomo pode ganhar ou perder elétrons, deixando de ser neutro. Nesse caso, passa a ser chamado íon.

Quando um átomo neutro ganha um elétron, ele fica com carga total negativa. O íon formado é chamado ânion. Quando o átomo neutro perde um elétron, fica com carga total positiva, já que passa a ter um próton a mais que o número

total de elétrons. O íon formado é chamado cátion.

Número atômico(Z) e  número de massa(A)

Há uma diferença entre esses átomos, que explica muitas de suas propriedades físicas e químicas: o número de prótons. O átomo de hidrogênio tem 1 próton; o átomo de ferro tem 26 prótons; o de alumínio tem 13 prótons.

O número de prótons é importante na identificação de um átomo. Esse número é chamado de número atômico e é representado pela letra Z. Todos os átomos com o mesmo número atômico, isto é, com o mesmo número

de prótons, pertencem ao mesmo elemento químico e têm propriedades químicas iguais.

Os elementos químicos

De acordo com dados da IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada), são conhecidos 118 elementos químicos, mas somente 92 ocorrem naturalmente na Terra. Alguns foram produzidos em laboratório nos aceleradores de partículas, que provocam violentos choques de partículas eletricamente carregadas contra os átomos já existentes, ou, ainda, pela colisão de átomos existentes. Em geral, os elementos químicos formados dessa maneira são instáveis, duram pouco e logo se transformam em outros elementos. Cada elemento químico é representado por um símbolo, formado por uma ou duas letras que, em geral, compõem o nome em grego ou em latim do elemento. A letra S, por exemplo, é o símbolo do enxofre (sulfur, em latim). Quando há mais de um elemento químico que começa com a mesma letra, como carbono e cálcio, ou flúor e ferro, um deles é representado com duas letras. Por exemplo: carbono é C e cálcio é Ca; flúor é F e ferro é Fe. Nesses casos, a primeira letra é maiúscula e a segunda é minúscula (ambas de fôrma). Quando há uma única letra, ela é sempre maiúscula. Nem sempre aparecem as duas letras iniciais do nome: o símbolo Pt identifica a platina; Zn, o zinco; e Pb, o chumbo (do latim, plumbum).

 Os isótopos  

Você já sabe que um elemento químico é formado por átomos de mesmo número atômico, e que esse número corresponde à quantidade de prótons de um átomo. Mas, se um cientista analisar uma amostra de um único elemento químico, por exemplo, de oxigênio, pode encontrar átomos com diferentes números de massa: 16, 17 e 18. Se eles são todos átomos de oxigênio, por que têm número de massa diferente?

Nesses casos, embora todos tenham o mesmo número de prótons, possuem números de nêutrons diferentes. Os átomos de um mesmo elemento químico que têm número de massa diferente são chamados de isótopos. 

Os isótopos de um mesmo elemento químico têm as mesmas propriedades químicas, já que essas propriedades dependem do número de prótons do átomo, e não do número de nêutrons. Mas as propriedades físicas são diferentes, pois dependem, em parte, da massa do átomo.

 Massa atômica

Qual é a massa de um átomo? Como estudamos, os átomos são muito pequenos. Assim, se você tivesse que dar a resposta em gramas, precisaria trabalhar com números decimais extremamente pequenos. Por essa razão, os cientistas utilizam a massa atômica relativa,

comparando a massa de um átomo com a de outros átomos.

Isótopos radioativos

Alguns elementos químicos, como o urânio, são instáveis: isso significa que os átomos

desses elementos emitem radiação e, com isso, podem se transformar em outros átomos.

Radiações são partículas (prótons, nêutrons, etc.) ou ondas eletromagnéticas (raios X, por

exemplo) emitidas pelo núcleo do átomo. Por causa dessa e de outras características, dizemos que esses elementos são radioativos. Dependendo da intensidade, do tempo de

exposição e do tipo de radiação a que uma pessoa fica exposta, pode haver danos no material genético, aumentando o risco de algumas doenças, como vários tipos de câncer. O

contato direto com substâncias radioativas pode também causar queimaduras e até mesmo a morte. Por isso é extremamente perigoso manipular um material radioativo. O símbolo que identifica os locais em que esses materiais são utilizados ou estão armazenados. Quando há emissão de partículas pelo núcleo de isótopos radioativos, pode ocorrer uma mudança no número de prótons do átomo, que se transforma então em outro elemento químico. Essa transformação de um elemento em outro é chamada transmutação.Cada elemento tem um tempo de meia-vida característico. O urânio-235 tem meia-vida de 704 milhões de anos, ou seja, nesse intervalo de tempo metade dos átomos transforma-se em um tipo de isótopo do chumbo (chumbo-207). Medindo a quantidade de certos isótopos de urânio e de chumbo, por exemplo, temos uma indicação da idade de uma rocha ou de um fóssil. Os átomos radioativos podem ser usados também como fonte de energia em usinas nucleares. Quando o núcleo de um átomo de urânio-235 é bombardeado por nêutrons, por exemplo, ele pode se partir em dois núcleos menores e emitir mais nêutrons, além de liberar uma quantidade enorme de energia. Esse processo de quebra do núcleo em dois núcleos menores, chamado fissão nuclear, é uma das formas de obter energia nuclear. Os nêutrons emitidos podem,

por sua vez, partir outros núcleos de urânio e liberar mais energia: é a reação nuclear em cadeia.

 A tabela periódica

Em 1869, o russo Dmitri Ivanovitch Mendeleyev (1834-1907; figura 6.23), um professor de Química, estava escrevendo um livro e anotava as propriedades de cada elemento químico em um cartão separado. Em certo momento, ele observou que, se os cartões fossem arrumados na ordem da massa atômica dos elementos, certas propriedades se repetiam periodicamente. Desse modo alguns elementos formavam grupos com as mesmas

propriedades. Apesar de outras tentativas já terem sido feitas, Mendeleyev foi quem efetivamente conseguiu fazer a organização que englobou o maior número de elementos

químicos. Nascia assim a primeira tabela periódica dos elementos.

⓿ Os elementos químicos estão representados por seus símbolos. Em cada quadrinho, além do símbolo, há o nome, o número atômico e a massa atômica aproximada do elemento. Consulte o quadro no canto inferior esquerdo da tabela para identificar a posição dessas informações.

⓿ Há sete linhas horizontais, chamadas períodos ou séries. Nessas linhas os elementos estão arrumados em ordem crescente de número atômico.

⓿ Há 18 linhas verticais ou colunas: são as famílias ou grupos, em que ficam os elementos com propriedades semelhantes. No entanto, isso não vale para o hidrogênio, que, apesar de estar na coluna 1, não é classificado em nenhuma família. As colunas são geralmente numeradas de 1 a 18.

⓿ No meio da tabela, do grupo 3 ao 12, estão os chamados elementos de transição (também conhecidos como metais de transição), e nas partes laterais da tabela, nos grupos 1 e 2 e do grupo 13 ao 18, estão os chamados elementos representativos.

⓿ Os átomos de um mesmo período apresentam o mesmo número de camadas eletrônicas (K, L, M...). O período em que um elemento está indica, portanto, o número de camadas eletrônicas que ele possui. Assim, lítio, berílio, boro, carbono, nitrogênio, oxigênio, flúor e neônio, por exemplo, estão no segundo período e têm duas camadas eletrônicas: a camada K

e a camada L.

⓿ Os elementos da série dos lantanídeos (começa com o lantânio) e os da série dos actinídeos (começa com o actínio) fazem parte da família 3 (ou 3B, na nomenclatura mais antiga), mas são colocados na parte de baixo da tabela, para que ela não fique muito extensa.

⓿ Vários dos elementos do sétimo período foram produzidos artificialmente em laboratório. Posteriormente alguns deles foram encontrados em concentrações mínimas em depósitos minerais naturais. Os elementos de número atômico maior do que 92 (o número atômico do urânio) são chamados elementos transurânicos. São radioativos e transformam-se em outros elementos.

⓿ Os metais aparecem em fundo de cor amarela, os não metais, em fundo verde e os gases nobres, em fundo violeta.

 É bom lembrar que – embora Mendeleyev seja considerado o “pai da tabela periódica” – a construção de todo conhecimento é fruto de um trabalho constante e gradual de muitos pesquisadores.

Os metais

Com exceção do mercúrio, os metais são sólidos à temperatura ambiente e têm um ponto de fusão alto. Eles não quebram com facilidade e, em geral, podem ser dobrados, isto é, são maleáveis – principalmente quando aquecidos. Os metais podem ser transformados em fios

finos, ou seja, são dúcteis. Por possuírem essas propriedades, os metais costumam ser usados para moldar chapas e fabricar objetos como utensílios domésticos. Outra propriedade

dos metais é conduzir bem a eletricidade, ao contrário da maioria dos não metais. Por essa razão, os metais são muito usados na produção de fios elétricos. Os metais também conduzem bem o calor e, em geral, possuem um brilho característico, o brilho metálico.

Os metais do grupo 1 (exceto o hidrogênio, que é classificado separadamente dos outros elementos) são chamados metais alcalinos.

Os metais do grupo 2 são chamados de metais alcalinoterrosos e formam bases. Eles são mais duros que os do grupo 1 e reagem de forma mais branda com a água.

Os não metais

No lado direito da tabela periódica ficam os não metais. Em temperatura ambiente, cerca da metade se encontra no estado gasoso (oxigênio, nitrogênio, cloro e flúor) e a outra metade se encontra no estado sólido (carbono, iodo, fósforo, enxofre, selênio e astato). A única exceção é o bromo, que em temperatura de 25 oC é um líquido volátil que forma vapores avermelhados.  Entre os não metais está o grupo 17 da tabela periódica, conhecido como

grupo dos halogênios: flúor, cloro, bromo, iodo e astato.  Os halogênios reagem com metais e formam os chamados compostos iônicos, que estudaremos no próximo capítulo. O cloreto de sódio (sal de cozinha), por exemplo, é formado pela combinação de átomos de cloro (halogênio) e sódio (metal). Outro grupo de não metais é o grupo 16 da tabela periódica, conhecido como grupo dos calcogênios: oxigênio, enxofre, selênio e telúrio.

De modo simplificado, pode-se dizer que os não metais têm propriedades opostas às dos metais: não conduzem tão bem a eletricidade ou o calor; e os não metais sólidos geralmente quebram se tentarmos dobrá-los, isto é, não são maleáveis. Também têm ponto de fusão inferior ao dos metais (com exceção do carbono na forma de grafite ou diamante). Os elementos do grupo 18, chamados de gases nobres ou raros, têm 8 elétrons na última camada (com exceção do hélio, que tem 2). Esse número de elétrons confere estabilidade a esses gases, e por isso esses elementos dificilmente se combinam com outros nas condições ambientes. Esses gases podem ser encontrados, por exemplo, nos letreiros luminosos, como é o caso do neônio, ou podem ser usados em balões de gás, como o hélio, pois é menos denso que o ar.

Ligações  Químicas

Todos os materiais com os quais temos contato, incluindo o ar, a água, os alimentos e nosso próprio corpo, são formados por compostos químicos. 

Gases nobres

Os gases nobres são encontrados livres, ou seja, eles não se combinam naturalmente com outros átomo.Dizemos, então, que os gases nobres são constituídos de átomos estáveis. Mas por que isso acontece? O fato de os gases nobres não estabelecerem ligações químicas

naturalmente chamou a atenção dos cientistas. Quando esses átomos foram estudados, percebeu-se que eles apresentavam uma semelhança: todos os gases nobres possuem um

número máximo de elétrons na última camada eletrônica. No capítulo anterior vimos que as camadas eletrônicas são identificadas pelas letras K, L, M, N, O, P, Q. A primeira camada, a

camada K, é a mais próxima do núcleo do átomo; a camada Q é a mais distante. No caso do hélio, a última camada é a K, cujo número máximo de elétrons é 2; nos demais gases nobres, o número máximo de elétrons na última camada é 8.

Os átomos que não são classificados como gases nobres não têm a última camada preenchida  com o número máximo de elétrons e raramente são encontrados livres na natureza. Essa observação levou os cientistas a concluir que os átomos que não são gases nobres se combinam com outros átomos, adquirindo estabilidade. Assim, para adquirir estabilidade, um átomo deverá ganhar ou perder elétrons para ficar com 8 elétrons na última camada (ou 2, no caso do lítio). Isso geralmente acontece quando um átomo se liga a outro.

Nesse capítulo serão apresentados três tipos de ligações que os átomos podem formar, obtendo estabilidade: a iônica, a covalente e a metálica.

Ligações químicas

Após se ligarem uns aos outros, ou seja, após estabelecerem ligações químicas, os átomos passam a apresentar características diferentes daquelas apresentadas antes da ligação.

Ligação Iônica

Tanto o átomo de cloro como o átomo de sódio, agora íons, passam a ter uma configuração eletrônica semelhante à dos gases nobres: com 8 elétrons na última camada. Por terem cargas de mesmo valor, mas de sinais opostos, os dois íons se atraem e formam uma ligação química chamada ligação iônica. Essa atração entre os íons de sódio e os íons de cloro forma o cloreto de sódio, uma substância iônica também chamada composto iônico.

A organização dos íons cloreto e dos íons de sódio forma um aglomerado, ou agregado iônico.  Com o exemplo do cloreto de sódio, vimos que, para ocorrer a ligação iônica

entre dois átomos, é preciso que eles formem íons de cargas opostas, ou seja, é preciso que um deles tenha a tendência de perder elétrons e o outro de ganhar elétrons, para alcançar uma configuração estável. 

Como os metais têm, em geral, 1, 2 ou 3 elétrons na última camada e os não metais têm 5, 6 ou 7, a ligação iônica geralmente acontece entre um metal (que tende a perder elétrons) e um não metal (que tende a ganhar elétrons). Ela também pode ocorrer entre um metal e o hidrogênio. A ligação iônica pode ser representada pela carga elétrica do íon e pelos elétrons da sua última camada, que são indicados por bolinhas, asteriscos, cruzes ou outros símbolos.

compostos químicos são chamadas fórmulas químicas. A fórmula química indica a quantidade e o tipo de átomo que forma o composto. A determinação da fórmula química de um composto iônico é feita da seguinte maneira: o número da carga do cátion fica sendo o índice do ânion e vice-versa.

A soma das cargas elétricas nas fórmulas é nula, isto é, a soma total de cargas positivas é igual à soma de cargas negativas. O número de elétrons que um átomo pode ganhar ou perder (ou então compartilhar, como você vai ver adiante) é chamado valência do átomo.

Por isso, as ligações iônicas são chamadas também de ligações eletrovalentes. 

Ligação covalente

As moléculas podem ser compostas de dois ou mais átomos, que podem ser iguais ou diferentes entre si. As moléculas podem ser representadas por uma fórmula molecular. Por

exemplo, a fórmula do gás hidrogênio é H2 e a do gás oxigênio é O2. O número 2 que acompanha a fórmula é chamado índice e indica a quantidade de átomos que forma a molécula.

Cada par de elétrons compartilhado é formado por um elétron de cada átomo. Com o compartilhamento, cada par pertence simultaneamente aos dois átomos. Os elétrons que formam o par são atraídos pelos núcleos de ambos os átomos, uma vez que cargas elétricas de sinais opostos se atraem. Essa atração mantém os átomos unidos – é a chamada ligação covalente. Esse tipo de ligação é responsável pela formação das moléculas, como a do gás hidrogênio, do gás oxigênio e da água. Por isso é chamada também de ligação molecular. As substâncias formadas por moléculas são chamadas substâncias moleculares. Para representar uma molécula, podemos usar a fórmula molecular, a fórmula eletrônica, que indica os pares de elétrons da última camada, ou a fórmula estrutural, que representa com um traço o par de elétrons compartilhado pelos átomos.

Substâncias simples e compostas

A molécula de gás oxigênio, que existe na atmosfera, é formado pela união de dois átomos iguais: o oxigênio. Já a molécula de gás carbônico, cuja fórmula molecular é CO2, é formada por dois tipos de átomo: o carbono e o oxigênio. O gás oxigênio é, portanto, uma substância simples, pois é formado pela união de átomos do mesmo elemento químico. Já a molécula de gás carbônico é considerada uma substância composta, pois é formada pela união de átomos de diferentes elementos químicos.  As substâncias iônicas formam substâncias compostas, pois são formadas por íons diferentes, como é o caso do cloreto de sódio, que tem íons de sódio e de cloro.

A grafite e o diamante

A grafite e o diamante são substâncias simples feitas do mesmo material: o elemento químico carbono. Suas propriedades, entretanto, são muito diferentes: a grafite é macia e solta camadas facilmente quando a esfregamos contra alguma superfície; já o diamante é

o mineral mais duro que conhecemos.

O diamante é formado por uma rede tridimensional de átomos de carbono, todos

fortemente ligados aos átomos próximos. Por essa razão, é difícil riscar o diamante:

ele também tem grande capacidade de riscar outros materiais.

Já a grafite é formada por várias camadas de átomos de carbono bem unidos.

Porém, a união entre as camadas é muito fraca, tanto que o lápis solta camadas muito finas de grafite quando a esfregamos no papel.

A grafite pode ser transformada em diamante se for submetida a altas pressões e temperaturas. No entanto, o diamante sintético assim formado não tem uma estrutura tão perfeita quanto a do diamante natural.

Transformações Químicas

O queijo é um alimento feito do leite. Você já teve curiosidade para entender como os queijos são feitos?Embora existam diferentes tipos de queijo, podemos dizer de forma simplificada que eles são o resultadode reações químicas que ocorrem entre o leite e outros ingredientes, com a participação de microrganismos.

Assim como ocorre em receitas de bolos, tortas, pães e doces, é importante que exista certa proporção

entre os ingredientes usados na fabricação do queijo para que ele se forme da maneira adequada. Entenderas proporções entre os compostos que participam das transformações químicas é importante para acompreensão de diversos fenômenos da natureza.

 Fonte: Livro didático Teláris Essencial.FERNANDO GEWANDSZNAJDER HELENA PACCA. Edição 2022