Átomos: Os menores pedaços

Matéria é toda substância no universo – tudo o que não é apenas espaço vazio. 

Mesmo assim, a matéria propriamente dita é composta, em grande parte, de espaços vazios. 

Toda matéria é composta de minúsculas partículas, os átomos, e os espaços vazios entre eles, são muito pequenos para serem vistos, a não ser que se use os mais incríveis microscópios. Você poderia encaixar dois bilhões de átomos neste ponto final. Nem mesmo os átomos são sólidos. Eles são como nuvens de energia, pontilhados de partículas menores ainda, chamadas partículas subatômicas.

Atômico

No centro de um átomo está o núcleo (bloco mais denso), composto por dois tipos de partículas: prótons e nêutrons. Partículas menores ainda, os elétrons, orbitam ao redor do núcleo. As várias partículas subatômicas são apenas concentrações de energia que costumam ocorrer em certos lugares. Prótons têm carga elétrica positiva, elétrons têm carga elétrica negativa e nêutrons não têm carga.

Partículas com cargas elétricas opostas (positiva e negativa) se atraem. Um próton tem carga elétrica positiva. Um elétron tem carga igual, mas oposta (negativa). Átomos contêm prótons e elétrons que se atraem, mantendo sua estrutura.

Num átomo de hidrogênio, um elétron gira ao redor do núcleo, composto por um próton.

Num átomo de hélio, dois elétrons giram ao redor de um núcleo composto por dois prótons e dois nêutrons.

Num átomo de oxigênio, oito elétrons orbitam ao redor de um núcleo de oito prótons e oito nêutrons.

Parceiros atômicos

Os átomos normalmente se ligam (juntam) em grupos, para formar combinações chamadas moléculas. A molécula é a menor partícula da matéria que pode sobreviver sozinha. 

Por exemplo: uma molécula de oxigênio, o gás que respiramos para viver, é composta de um par de átomos de oxigênio ligados entre si. 

A água, que também é essencial para a vida, é uma molécula de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio ligados entre si.

Uma molécula de dióxido de carbono (subproduto da nossa respiração) é um composto químico que consiste em um átomo de carbono e dois átomos de oxigênio. A fórmula química do dióxido de carbono é CO2.

Diferentes átomos

Cada um dos aproximadamente 100 elementos químicos da natureza é composto por um átomo com um certo número de prótons em seu núcleo. Um átomo de urânio tem 92 prótons, o número máximo encontrado entre os elementos presentes em grandes quantidades na natureza. Em cada átomo, o número de prótons é normalmente o mesmo número de elétrons, organizados em camadas ou órbitas ao redor do núcleo. O modo como um átomo reage com outros átomos (seu comportamento químico) depende de quantos elétrons há em sua órbita mais externa.

No centro do átomo está o núcleo, que é composto por números iguais de prótons e nêutrons. 

Eles são mantidos unidos por uma enorme força, que pode ser utilizada para gerar energia nuclear.

Faíscas de conhecimento

A maior parte dos átomos é feita de espaço vazio. A distância entre o elétron mais próximo e o núcleo é aproximadamente 5 mil vezes o tamanho do núcleo. Se o núcleo tivesse 1 centímetro de diâmetro, o elétron mais próximo estaria a uns 50 metros de distância.

Os prótons normalmente se repelem, porque são todos carregados positivamente. Dentro de um átomo, uma força poderosa, chamada força nuclear, mantém as partículas juntas, evitando que o núcleo vá pelos ares.

Observação de cristais

A maioria dos sólidos naturais forma cristais, pedaços duros e brilhantes, que crescem em formas geométricas uniformes. Cada cristal tem uma estrutura ou treliça de átomos ou moléculas. 

Grãos de açúcar e de sal são cristais, assim como a maioria das pedras preciosas, tais como o diamante e a esmeralda. Grande parte das rochas e metais também é feita de cristais, mas muitos deles são pequenos demais para serem vistos a olho nu.

O diamante, feito de átomos de carbono ligados uns aos outros em uma estrutura rígida, é a substância mais dura da natureza.

É fato

Colidindo átomos a grandes velocidades, os cientistas descobriram mais de 200 partículas subatômicas, mas poucas delas duram mais do que uma fração de segundo.

Dentre as menores partículas, estão os neutrinos. Eles são milhares de vezes mais leves do que os elétrons.

Se um átomo tivesse o tamanho de um estádio de futebol, seu núcleo seria do tamanho de uma joaninha.

Fonte: FARNDON, John & GRAHAM, Ian. O Mundo da Ciência: Descobrindo a Ciência. São Paulo: Ciranda Cultural, 2009.

Modelo Atômico de Bohr

Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr, ao estudar espectros de emissão de certas substâncias, modificou o modelo de Rutherford. 

No início do século XX era fato conhecido que a luz branca (luz solar, por exemplo) podia ser decomposta em diversas cores. 

Isso é conseguido fazendo com que a luz passe por um prisma. 

No caso da decomposição da luz solar obtém-se um espectro chamado espectro contínuo. 

Este é formado por ondas eletromagnéticas visíveis e invisíveis (radiação ultravioleta e infravermelho). Na parte visível desse espectro não ocorre distinção entre as diferentes cores, mas uma gradual passagem de uma para outra. O arco-íris é um exemplo de espectro contínuo onde a luz solar é decomposta pelas gotas de água presentes na atmosfera. Como a cada onda eletromagnética está associada certa quantidade de energia, a decomposição da luz branca produz ondas eletromagnéticas com toda e qualquer quantidade de energia.

No entanto, se a luz que atravessar o prisma for de uma substância como hidrogênio, sódio, neônio etc. será obtido um espectro descontínuo. Este é caracterizado por apresentar linhas coloridas separadas. Em outras palavras, somente alguns tipos de radiações luminosas são emitidas, isto é, somente radiações com valores determinados de energia são emitidas.

Baseado nessas observações experimentais, Bohr eleborou um novo modelo atômico cujos postulados são:

Na eletrosfera os elétrons não se encontram em qualquer posição. 

Eles giram ao redor do núcleo em órbitas fixas e com energia definida. 

As órbitas são chamadas de níveis de energia ou camadas eletrônicas, representadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q a partir do núcleo, ou níveis de energia representados pelos números 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7.

Os elétrons ao se movimentarem numa camada eletrônica não absorvem nem emitem energia.

Os elétrons de um átomo tendem a ocupar as camadas eletrônicas mais próximas do núcleo, isto é, as que apresentam menor quantidade de energia.

Um átomo está no estado fundamental quando seus elétrons ocupam as camadas menos energéticas.

Quando um átomo recebe energia (térmica ou elétrica), o elétron pode saltar para uma camada mais externa (mais energética). Nessas condições o átomo se torna instável. Dizemos que o átomo se encontra num estado excitado.

Os elétrons de um átomo excitado tendem a voltar para as camadas de origem. Quando isso ocorre, ele devolve, sob a forma de onda eletromagnética, a energia que foi recebida na forma de calor ou de eletricidade.

Esses postulados permitem explicar a existência dos espectros de emissão descontínuos: como o elétron só pode ocupar determinadas órbitas, as transições eletrônicas (ida e volta do elétron) ocorrem em número restrito, o que produz somente alguns tipos de radiação eletromagnética e não todas como no espectro contínuo.

O modelo atômico de Bohr foi elaborado para o átomo de hidrogênio, mas aplica-se com boa aproximação a todos os outros átomos.

Distribuição eletrônica

A maneira pela qual os elétrons se distribuem nas diferentes camadas ao redor do núcleo é chamada distribuição eletrônica. 

Para efetuarmos a distribuição eletrônica devemos obedecer a algumas regras, que são:

Em cada camada pode existir uma quantidade máxima de elétrons.

Camada eletrônica	K	L	M	N	O	P	Q
Nível de energia	1	2	3	4	5	6	7
Número máximo de elétrons	2	8	18	32	32	18	2

Os elétrons tendem a ocupar as camadas eletrônicas mais próximas do núcleo, isto é, as menos energéticas.

Essas ideias contribuíram para ampliar os conhecimentos sobre a estrutura dos átomos.

Fonte: Material de apoio ao currículo do Estado de São Paulo: Caderno do Professor, Química, Ensino Médio, 2ª Série. São Paulo: SE, 2014.

Fonte: SILVA, Eduardo Roberto da & HASHIMOTO, Ruth R. Cursos Práticos Nova Cultural – Vestibular. Química

Modelo Atômico de Rutherford

Em 1911, o cientista neozelandês Ernest Rutherford, utilizando os fenômenos radiativos no estudo da estrutura atômica, descobriu que o átomo não seria uma esfera maciça, mas sim formada por uma região central, chamada núcleo atômico, e uma região externa ao núcleo, chamada eletrosfera. 

No núcleo atômico estariam as partículas positivas, os prótons, e na eletrosfera as partículas negativas, os elétrons.

Para chegar a essas conclusões Rutherford e seus colaboradores bombardearam lâminas de ouro com partículas α (dois prótons e dois nêutrons) utilizando a aparelhagem esquematizada ao lado.

Rutherford observou que a grande maioria das partículas atravessava normalmente a lâmina de ouro que apresentava aproximadamente 10ˉ5 cm de espessura. 

Outras partículas sofriam pequenos desvios e outras, em número muito pequeno, batiam na lâmina e voltavam. 

O caminho seguido pelas partículas α podia ser detectado devido às cintilações que elas provocavam no anteparo de sulfeto de zinco.

Comparando o número de partículas α lançadas com o número de partículas α que sofriam desvios, Rutherford calculou que o raio do átomo deveria ser 10.000 a 100.000 vezes maior do que o raio do núcleo, ou seja, o átomo seria formado por espaços vazios. Por esses espaços vazios a grande maioria das partículas α atravessava a lâmina de ouro.

Os desvios sofridos pelas partículas α eram desvios às repulsões elétricas entre o núcleo (positivo) e as partículas α, também positivas, que a ele se dirigiam. O modelo de Rutherford ficou conhecido como modelo planetário.

Com base em evidências experimentais, Rutherford concluiu que:

O átomo não é maciço, ele apresenta muito mais espaço vazio que preenchido.

A maior parte da massa de um átomo se encontra em uma pequena região central (que chamamos núcleo), onde estão os prótons.

Na região ao redor do núcleo (que chamamos eletrosfera) movimentam-se os elétrons.

O raio da eletrosfera é milhares de vezes maior que o raio do núcleo.

No modelo de Rutherford, os átomos continuam apresentando massas características. Assim, a conservação da massa pode ser explicada admitindo-se que a transformação química é um rearranjo de átomos, cujas massas são fixas e, ainda, que os núcleos se mantêm intactos, não perdem a sua individualidade no decorrer da transformação.

Em 1932, o inglês James Chadwick (1891-1974) descobriu outra partícula subatômica de massa muito próxima à do próton, porém eletricamente neutra, ou seja, sem carga elétrica. Essa partícula é denominada nêutron. Os nêutrons localizam-se no núcleo do átomo, juntamente com os prótons.

Fonte: Material de apoio ao currículo do Estado de São Paulo: Caderno do Professor, Química, Ensino Médio, 2ª Série. São Paulo: SE, 2014.

Fonte: CANTO, Eduardo Leite do. Ciências Naturais: Aprendendo com o cotidiano. São Paulo: Editora Moderna, 2012.

Fonte: SILVA, Eduardo Roberto da & HASHIMOTO, Ruth R. Cursos Práticos Nova Cultural – Vestibular. Química