Elétrons, prótons e nêutrons
Tudo é feito de átomos. Por muito tempo se achou que o átomo não podia ser dividido. Depois os cientistas encontraram partículas ainda menores dentro dele.
- Elétron (e⁻): descoberto por J. J. Thomson em 1897. Carga −1. Muito leve: cerca de 1/1836 da massa de um próton. Move-se fora do núcleo.
- Próton (p⁺): encontrado no estudo dos raios canais (E. Goldstein, 1886). Carga +1. Massa de cerca de 1 u.
- Nêutron (n): descoberto por J. Chadwick em 1932. Sem carga. Massa de cerca de 1 u, um pouco maior que a do próton. Todo átomo tem nêutrons, exceto o hidrogênio comum.
Um átomo tem tantos prótons quanto elétrons. As cargas + e − se anulam, então o átomo inteiro não tem carga (é neutro).
Modelos do átomo: Thomson, Rutherford e Bohr
Modelo de Thomson
Thomson disse que o átomo é uma bola de carga positiva. Os elétrons ficam dentro dela, como sementes numa melancia. As cargas positivas e negativas são iguais, então o átomo é neutro. Problema: ele não conseguia explicar o resultado de Rutherford.
Experimento de Rutherford com partículas alfa
Rutherford lançou partículas alfa rápidas (núcleos de hélio, carga +2) numa folha de ouro finíssima. Ele viu três coisas:
- A maioria das partículas alfa passou direto. Logo, a maior parte do átomo é espaço vazio.
- Algumas desviaram em ângulos pequenos. Logo, há carga positiva no átomo que as empurra.
- Pouquíssimas (cerca de 1 em 12.000) voltaram para trás. Logo, toda a carga positiva e quase toda a massa ficam num centro muito pequeno, o núcleo.
O modelo dele: um núcleo positivo minúsculo, com os elétrons girando em volta como planetas em volta do Sol. O núcleo é cerca de 100.000 vezes menor que o átomo. Problema: uma partícula carregada que gira em círculo deveria perder energia e cair no núcleo. Então os átomos não seriam estáveis. Mas eles são.
Modelo de Bohr
Niels Bohr resolveu esse problema. Ele disse que os elétrons só podem se mover em certas órbitas fixas, chamadas camadas ou níveis de energia. Enquanto está numa camada, o elétron não perde energia. As camadas se chamam K, L, M, N (ou n = 1, 2, 3, 4), de dentro para fora.
Camadas K, L, M, N: como os elétrons se organizam
Regras para os 20 primeiros elementos (esquema de Bohr–Bury):
- A camada n comporta no máximo 2n² elétrons: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
- A camada mais externa não pode ter mais de 8 elétrons.
- As camadas internas enchem primeiro. Uma nova camada só começa quando a anterior está cheia (para os 20 primeiros elementos).
Exemplos: carbono (6) = 2, 4. Sódio (11) = 2, 8, 1. Cloro (17) = 2, 8, 7. Cálcio (20) = 2, 8, 8, 2. Abra o passo 4 do 3D para ver as camadas do sódio se encherem uma a uma.
Valência, número atômico e número de massa
Valência
Os elétrons da camada mais externa se chamam elétrons de valência. Os átomos gostam de ter a camada externa cheia (8, ou 2 no caso do hélio). Isso se chama octeto. Átomos com a camada externa cheia, como neônio e argônio, não reagem, então sua valência é 0.
Valência = o poder de combinação de um átomo = quantos elétrons ele doa, recebe ou compartilha para ficar com a camada externa cheia.
- Se os elétrons externos são de 1 a 4: valência = número de elétrons externos. Sódio (2, 8, 1) → 1. Magnésio (2, 8, 2) → 2.
- Se os elétrons externos são de 5 a 7: valência = 8 − elétrons externos. Oxigênio (2, 6) → 8 − 6 = 2. Cloro (2, 8, 7) → 1.
Número atômico (Z)
É o número de prótons no núcleo. Ele define o elemento. Todo átomo de carbono tem Z = 6. Num átomo neutro, elétrons = Z.
Número de massa (A)
Prótons e nêutrons juntos se chamam núcleons. Número de massa = prótons + nêutrons. Portanto nêutrons = A − Z. Escrevemos um átomo como ₆¹²C: A em cima, Z embaixo.
Isótopos e isóbaros
Isótopos
Átomos do mesmo elemento (mesmo Z) com números de massa diferentes (número de nêutrons diferente). O hidrogênio tem três: prótio ¹H (0 nêutron), deutério ²H (1 nêutron), trítio ³H (2 nêutrons). O cloro tem ³⁵Cl e ³⁷Cl.
Isótopos têm os mesmos elétrons, então têm as mesmas propriedades químicas. As massas são diferentes, então algumas propriedades físicas mudam.
Por que a massa do cloro é 35,5 u? Na natureza, cerca de 3 em cada 4 átomos de cloro são ³⁵Cl e 1 em cada 4 é ³⁷Cl. Média = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
Usos: urânio-235 como combustível em reatores nucleares, cobalto-60 para tratar o câncer, iodo-131 para tratar o bócio, carbono-14 para descobrir a idade de objetos antigos.
Isóbaros
Átomos de elementos diferentes (Z diferente) com o mesmo número de massa. Exemplo: ⁴⁰₁₈Ar e ⁴⁰₂₀Ca. Eles têm elétrons diferentes, então propriedades químicas diferentes.
Experimente: monte um átomo em casa
Pegue pequenos objetos de três cores: contas vermelhas (prótons), ervilhas pretas (nêutrons) e grãos amarelos (elétrons). Desenhe três círculos no papel para K, L, M.
- Escolha um elemento, por exemplo oxigênio: Z = 8, A = 16.
- Coloque 8 vermelhas e 16 − 8 = 8 pretas no meio.
- Coloque 8 amarelos nos círculos: 2 na K, 6 na L.
- Preveja a valência (8 − 6 = 2). Agora confira no 3D: último passo, escolha Oxigênio-16.
Depois troque 2 ervilhas pretas por mais 2. Você acabou de fazer um isótopo! O elemento não mudou, porque o número de vermelhas não mudou.
Fórmulas e definições principais
- Número atômico Z = número de prótons = número de elétrons (átomo neutro)
- Número de massa A = prótons + nêutrons
- Nêutrons = A − Z
- Máximo de elétrons na camada n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Valência = elétrons externos (se 1–4) ou 8 − elétrons externos (se 5–7)
- Massa atômica média = soma de (massa do isótopo × fração)
Exemplos resolvidos
1. Um átomo tem 9 prótons e 10 nêutrons. Encontre Z, A e o número de elétrons.
Passo 1: Z = prótons = 9. Passo 2: A = 9 + 10 = 19. Passo 3: átomo neutro, então elétrons = 9. É o flúor.
2. Escreva a distribuição eletrônica do oxigênio (Z = 8) e encontre sua valência.
Passo 1: K recebe 2, sobram 6. Passo 2: L recebe 6. Então 2, 6. Passo 3: elétrons externos = 6, mais que 4. Valência = 8 − 6 = 2.
3. O magnésio tem Z = 12 e A = 24. Encontre os nêutrons, a distribuição e a valência.
Nêutrons = 24 − 12 = 12. Distribuição: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Elétrons externos = 2, então valência = 2.
4. O cloro tem Z = 17. Por que sua valência é 1 e não 7?
Distribuição 2, 8, 7. Falta só 1 elétron para chegar a 8. Receber 1 é mais fácil do que doar 7, então valência = 8 − 7 = 1.
5. Quais pares são isótopos e quais são isóbaros? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.
¹²C e ¹⁴C: mesmo Z (6), A diferente → isótopos. ⁴⁰Ar e ⁴⁰Ca: mesmo A (40), Z diferente → isóbaros.
6. Um elemento X tem dois isótopos: ¹⁶X (90%) e ¹⁸X (10%). Encontre sua massa atômica média.
Média = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. No experimento de Rutherford, por que pouquíssimas partículas alfa voltaram?
Só uma partícula alfa que chegasse muito perto do núcleo minúsculo sentia um empurrão forte da carga positiva dele. O núcleo é tão pequeno que pouquíssimas partículas chegavam tão perto. Por isso pouquíssimas voltaram.
Erros comuns
- Confundir número atômico com número de massa. Z conta só os prótons; A conta prótons e nêutrons.
- Escrever a valência do cloro como 7. Quando os elétrons externos são de 5 a 7, valência = 8 − elétrons externos.
- Achar que isótopos têm números de prótons diferentes. Isótopos diferem só nos nêutrons; isóbaros diferem nos prótons.
- Colocar 18 elétrons na camada M do potássio. Para os 20 primeiros elementos, a camada mais externa tem no máximo 8, então o K é 2, 8, 8, 1.