Aula 01 - Estrutura Atômica.pdf

QG108 – Programa Ementa e Programa da disciplina: http://www.iqm.unicamp.br/node/5678 I. Estrutura Atômica Modelos atômicos. Funções de onda e níveis de energia. Números quânticos e orbitais atômicos. Spin do elétron. Energia dos orbitais. Magnetismo e paramagnetismo. Regra de Hund e princípio de exclusão de Pauli. Preenchimento dos orbitais e configuração eletrônica dos átomos. II. Periodicidade das propriedades atômicas Configuração eletrônica e tabela periódica. Carga nuclear efetiva. Periodicidade das propriedades atômicas: raio atômico, raio iônico, energia de ionização, afinidade eletrônica e suas anomalias. Principais grupos dos elementos. III. Modelos de ligação química (iônica e covalente) e geometria molecular Introdução geral aos conceitos de ligação química: ligação iônica e covalente. Ligação iônica. Configuração eletrônica de íons, energia de ionização e afinidade eletrônica. Ciclo de Born-Haber. Estrutura e energia de retículo cristalino. Caráter covalente em ligações predominantemente iônicas (distância de ligação, solubilidade, estabilidade térmica, ponto de fusão e sublimação). Ligação covalente. Estruturas de Lewis. Geometria de Lewis: modelo VSEPR. Teoria da ligação de valência e modelo da hibridização de orbitais. Orbitais híbridos envolvendo orbitais-d. Ligações múltiplas. Limitações da teoria da ligação de valência. Propriedades da ligação química: entalpia e comprimento de ligação. Ordem da ligação. Estruturas de ressonância. Polaridade das ligações químicas. Eletronegatividade. Orbitais moleculares para moléculas diatômicas homonucleares e heteronucleares. IV. Interações intermoleculares Interações íon-íon. Íon-dipolo. Dipolo-dipolo e dipolos induzidos. Ligação de hidrogênio. Efeito destas interações em pontos de fusão, de ebulição e solubilidade. Estrutura geral de líquidos. Gás ideal e gases reais. V. Noções de termodinâmica e equilíbrio químico As Leis da Termodinâmica. Critérios de espontaneidade. Energia de Gibbs. Constantes de equilíbrio. Resposta do equilíbrio a mudanças das condições. VI. Cinética Química Ordem de reação. Reações de primeira e segunda ordem. Tempo de meia vida. Influência da temperatura na velocidade da reação. Energia de ativação. Leitura: Capítulo 1, seções 1.1 até 1.10. Exercícios: 1.1, 1.4, 1.15, 1.31 e 1.41. Exemplos: 1.1, 1.2 e 1.7.

QG108 – Programa I. Estrutura Atômica Modelos atômicos. Funções de onda e níveis de energia. Números quânticos e orbitais atômicos. Leitura: Capítulo 1, seções 1.1 até 1.10. Exercícios: 1.1, 1.4, 1.15, 1.31 e 1.41. Exemplos: 1.1, 1.2 e 1.7.

CAPÍTULO 1 Átomos: o mundo quântico • Estrutura eletrônica • Mecânica clássica • Mecânica quântica

OBSERVAÇÃO DOS ÁTOMOS 1.1 Características da radiação eletromagnética

• Radiação eletromagnética • Campos elétricos (E) e magnéticos (B) oscilantes

Amplitude, comprimento de onda e frequência. A natureza elétrica do átomo pode ser estudada com luz.

O espectro eletromagnético

A cor da luz depende de sua freqüência ou comprimento de onda. A radiação de grande comprimento de onda tem freqüência menor do que a radiação de pequeno comprimento de onda.

OBSERVAÇÃO DOS ÁTOMOS 1.1 Características da radiação eletromagnética 1.2 Radiação, quanta e fótons

1.2 Radiação, quanta e fótons • Incandescência • Corpo negro • Radiação de Corpo negro

Um fenômeno que não podia ser explicado através da Física Clássica Incandenscência: cor = f(T) Radiação de corpo negro:

Teorias clássicas funcionavam a altas frequências ou baixas temperaturas.

Análise quantitativa: resultados experimentais

Área = f(T); Imax = f(T); comprimento de onda = f(T)

Análise quantitativa: resultados experimentais

C2 = 1.44x10-2 K.m

Exemplo 1.1: Uso da lei de Wien para determinar a temperatura da superfície de uma estrela

A intensidade máxima de radiação solar ocorrre a 490 nm. Qual é a temperatura da superfície do Sol?

Hipótese de Planck

“... um ato de desespero… Eu estava pronto para sacrificar todas as minhas convicções sobre física.” Max Planck Kragh, Helge (01/12/2000), “Max Planck: the reluctant revolutionary”, PhysicsWorld.com Resolução da catástrofe do ultra-violeta: •Troca de energia ocorre em quanta • Frequência de oscilação é proporcional à T.

Quantização da energia e comportamento corpuscular da luz.

E  hv Estudos da radiação do corpo negro levaram à hipótese de Planck da quantização da radiação eletromagnética. O efeito fotoelétrico evidencia a natureza de partícula da radiação eletromagnética. A difração evidencia sua natureza ondulatória.

A natureza da luz

Difração, interferência destrutiva e interferência construtiva

A natureza da luz

Exemplo 1.2 A interpretação de um feixe de luz em termos de fótons • Uma lâmpada de descarga de 25 W (1W = 1J.s-1) emite luz amarela de comprimento de onda 580 nm. Quantos fótons de luz amarela são gerados pela lâmpada em 1,0 s?

• Estudos da radiação de corpo negro levaram à hipótese da Planck da quantização da radiação eletromagnética • O efeito foto-elétrico evidencia a natureza de partícula da radiação eletromagnética • A difração evidencia a sua natureza ondulatória

OBSERVAÇÃO DOS ÁTOMOS 1.1 Características da radiação eletromagnética 1.2 Radiação, quanta e fótons 1.3 Dualidade onda-partícula da matéria

1.3 Dualidade onda-partícula da matéria



h p



h mv

Exemplo 1.3 Comprimento de onda de uma partícula • Estime o comprimento de onda de: (a) Um próton que se move a 1/100 da velocidade da luz (b) Uma bola de gude de massa 5,00 g que viaja a 1,00 m.s-1

Experimento da dupla fenda com elétrons! Os elétrons (e a matéria, em geral) têm características de onda e de partícula.

OBSERVAÇÃO DOS ÁTOMOS 1.1 Características da radiação eletromagnética 1.2 Radiação, quanta e fótons 1.3 Dualidade onda-partícula da matéria 1.4 Princípio da Incerteza 1.5 Funções de onda e níveis de energia

1.5 Funções de onda e níveis de energia

Função de onda Interpretação de Born Densidade de probabilidade Equação de Schrodinger Hamiltoniano

2



d 2

2 m dx

2

 V  x   E

1.5 Funções de onda e níveis de energia

2



d 2

2 m dx

2

 V  x   E

Interpretação de Born da função de onda: a probabilidade de encontrar uma partícula em uma região é proporcional ao valor de 2

A Evolução da Teoria Atômica

?

OBSERVAÇÃO DOS ÁTOMOS 1.1 Características da radiação eletromagnética 1.2 Radiação, quanta e fótons 1.3 Dualidade onda-partícula da matéria 1.4 Princípio da Incerteza 1.5 Funções de onda e níveis de energia 1.6 Espectros atômicos e níveis de energia

1.6 Espectros atômicos e níveis de energia

Linhas espectrais

1.6 Espectros atômicos e níveis de energia

A observação de linhas espectrais discretas sugere que um elétron em um átomo pode assumir somente determinadas energias. As transições entre esses níveis de energia gera ou absorvem fótons obedecendo à condição de freqüência de Bohr.

1.6 Espectros atômicos e níveis de energia

Condição de frequência de Bohr

1.6 Espectros atômicos e níveis de energia

Diagrama de níveis de energia