1.1. MASSA E TAMANHO DOS ÁTOMOS
Prof. Isabel Reis
Unidades estruturais que constituem as substâncias
Diamante
Unidade estrutural átomos
Água
Cloreto de sódio
Unidade estrutural moléculas
Unidade estrutural
Prof. Isabel Reis
iões
Unidades estruturais que constituem as substâncias
Todas as substâncias podem ser representadas pelas respetivas
fórmulas químicas, que são representações simbólicas das unidades estruturais que constituem essas substâncias. Substâncias elementares
Substâncias compostas
(um só elemento químico)
Hélio He
(mais do que um elemento químico)
Azoto N2
Água H2O
Prof. Isabel Reis
Metano CH4
Constituição dos átomos
Todas as unidades estruturais são formadas a partir de átomos. Os átomos são constituídos por partículas subatómicas: neutrões, protões e eletrões. Núcleo
Nuvem eletrónica
Representação de um átomo de Hélio Prof. Isabel Reis
Constituição dos átomos Protões Carga +
Carga nuclear
Núcleo Neutrões Sem carga
Átomo
Nuvem eletrónica
Eletricamente neutro
Eletrões Carga -
N.º de protões = N.º eletrões
Nucleões são todas as partículas que existem no núcleo, ou seja, protões e neutrões. Prof. Isabel Reis
Iões
Um ião é um corpúsculo com carga elétrica (nº total de eletrões diferente do nº total de protões).
Catiões
Iões positivos que se formam quando os átomos (ou conjuntos de átomos) libertam eletrões.
Iões
Ca2+ Aniões
NH4+
Iões negativos que se formam quando os átomos (ou conjuntos de átomos) captam eletrões.
O2Prof. Isabel Reis
PO43-
Massa dos átomos
No SI, a massa das partículas subatómicas é: massa do protão = 1,672 × 10−27 kg massa do neutrão = 1,675 × 10−27 kg massa do eletrão = 9,109 × 10−31 kg
A massa do átomo deve-se, fundamentalmente, aos protões e aos neutrões, pois são as partículas subatómicas com maior massa.
A massa do átomo está praticamente toda concentrada no seu núcleo.
Prof. Isabel Reis
Massa relativa e carga elétrica relativa das partículas subatómicas: Usando como referência a massa do protão, temos:
Carga elétrica relativa
Massa relativa
Localização
Protão
+1
1
No núcleo
Neutrão
0
1
No núcleo
Eletrão
-1
À volta do núcleo
Nota: A carga elétrica exprime-se em coulombs (C). A carga elétrica de um protão é +1,60 X10-19C e a carga elétrica do eletrão é -1,60 X10-19C. Prof. Isabel Reis
Representação de átomos
Para representar átomos ou iões monoatómicos utiliza-se a seguinte notação: Número de massa
Carga elétrica
Número atómico
Símbolo químico
Exemplos:
Prof. Isabel Reis
Número atómico e número de massa
O número atómico (Z) corresponde ao número de protões presentes no núcleo.
O número de massa (A) é igual à soma do número de protões e neutrões presentes no núcleo atómico.
N=A-Z Nº neutrões = nº massa – nº atómico Prof. Isabel Reis
11 protões 11 eletrões 12 neutrões
11 protões 10 eletrões 12 neutrões
8 protões 8 eletrões 8 neutrões
8 protões 10 eletrões 8 neutrões
Prof. Isabel Reis
Isótopos Isótopos são átomos com mesmo número de protões (nº atómico) e diferentes números de neutrões.
Elemento
Hidrogénio (Z=1)
Carbono (Z=6)
Isótopos
Número de protões
Número de neutrões
Número de massa (A)
Prótio
1
0
1
Deutério
1
1
2
Trítio
1
2
3
Carbono-12
6
6
12
Carbono-13
6
7
13
Carbono-14
6
8
14
Prof. Isabel Reis
Dimensões à escala atómica
Um átomo é extremamente pequeno. Para evitar usar números muito pequenos ou muito grandes, em ciência, utiliza-se:
Notação cientifica;
Múltiplos e submúltiplos das unidades de Sistema Internacional
de Unidades (SI).
Prof. Isabel Reis
Múltiplos e submúltiplos decimais de unidades
Múltiplos
Submúltiplos
Nome do prefixo
Símbolo do prefixo
Fator multiplicador
Nome do prefixo
Símbolo do prefixo
Fator multiplicador
peta
P
1015
deci
d
10-1
tera
T
1012
centi
c
10-2
giga
G
109
mili
m
10-3
mega
M
106
micro
µ
10-6
quilo
k
103
nano
n
10-9
hecto
h
102
pico
p
10-12
deca
da
101
femto
f
10-15
Prof. Isabel Reis
Tamanho dos átomos
O tamanho do átomo depende da sua nuvem eletrónica, uma vez que o raio do núcleo é cerca de 10 mil vezes menor do que o raio atómico.
Raios atómicos de átomos de alguns elementos químicos, expressos em picómetro (pm) Prof. Isabel Reis
Ordem de grandeza
Ordem de grandeza (OG) é a potência de base 10 mais próxima de um número. Exemplos:
OG
Diâmetro da Terra
1,3 107 m
107 m
Diâmetro de Júpiter
1,4 108 m
108 m
Diâmetro do Sol
1,4 109 m
109 m
1,49 1011 m
1011 m
6,3 1011 m
1012 m
7,79 1011 m
1012 m
Distância Terra-Sol Distância Terra-Júpiter Distância Júpiter-Sol
Prof. Isabel Reis
1013 m Diâmetro do Sistema Solar
109 m Diâmetro do Sol
108 m Diâmetro de Júpiter 107 m Diâmetro da Terra
100 m Pessoa
10-2 m Borboleta
10-15 m Núcleo atómico
10-5 m Glóbulo branco 10-9 m Nanoestruturas Prof. Isabel Reis
10-10 m Átomo
As dimensões à escala atómica são tão reduzidas que é usual a utilização de submúltiplos: nanómetro: 1 nm = 1 10-9 m angstrom: 1 Å = 1 10-10 m
picómetro: 1 pm = 1 10-12 m Prof. Isabel Reis
A figura que se segue mostra uma imagem de uma molécula de hexabenzocoroneno obtida através de microscopia de alta resolução.
Fator de ampliação =
Tamanho da imagem Tamanho do objeto
3,20 cm
1 nm Prof. Isabel Reis
A nanotecnologia
A nanotecnologia, enquanto ciência, tem por objetivo a manipulação da matéria à escala atómica e molecular (entre 1 nm e 100 nm).
Prof. Isabel Reis
Exemplos de materiais produzidos com base na nanotecnologia:
Fulereno
•
Descoberto no final
Nanotubos
•
Molécula esférica.
•
séc. XX;
do séc. XX; •
Descoberto no final do
Grafeno
•
Descoberto no início do séc. XXI;
Folha de átomos de carbono enrolada.
•
Folha plana de átomos de
carbono (uma camada de grafite).
Prof. Isabel Reis
Aplicações da nanotecnologia
Prof. Isabel Reis
Massa atómica relativa de um elemento
A massa atómica relativa de um átomo é o número de vezes que a
massa desse átomo é maior do que a unidade de massa atómica usada para comparação, sendo, por isso, adimensional.
1 u = 1,66 x 10-27 kg
Átomo de carbono-12
Prof. Isabel Reis
Massa atómica relativa de um elemento Para o elemento hélio
Número atómico Símbolo químico Massa atómica relativa
Ar(He) = 4,0 Prof. Isabel Reis
Massa atómica relativa média (Ar)
Um elemento pode possuir vários isótopos - átomos com igual número atómico mas diferente número de massa.
A massa atómica relativa média (Ar) pode ser calculada através da média ponderada das massas atómicas relativas dos vários isótopos.
Esta ponderação depende da abundância relativa na natureza de cada um dos isótopos.
Prof. Isabel Reis
Prof. Isabel Reis
Ar(H) = 1,01 O elemento hidrogénio tem uma massa 1,01 vezes superior a 1/12 da massa de carbono-12 (12C). Para o elemento hidrogénio, esta comparação (Ar) resulta dos Porque valores: razão, nesta representação, não se consegue ver a Terra? seguintes
Isótopo
Nucleões
Ar
Abundância
Prótio
1 protão
1,008
99,98
Deutério
1 protão + 1 neutrão
2,014
0,0184
Trítio
1 protão + 2 neutrões
3,016
desprezável
Prof. Isabel Reis
relativa
O cloro tem os seguintes isótopos:
Isótopo
Abundância (%)
Massa isotópica
75,78
34,97
24,22
36,97
A massa atómica relativa de um elemento químico é a massa atómica relativa média dos seus isótopos e tem um valor mais próximo da massa do isótopo mais abundante. Prof. Isabel Reis
Existem isótopos pouco abundantes na natureza mas que são muito úteis. O
tecnécio-99
é
um
isótopo
instável, produzido artificialmente, que é utilizado para produzir imagens médicas. Contraste do pescoço e peito, obtido com tecnécio-99 para diagnóstico de nódulo na tiróide.
Prof. Isabel Reis
Massa molecular relativa
No caso das estruturas moleculares, a sua massa designa-se por massa molecular relativa, Mr. A massa molecular relativa resulta do somatório das massas atómicas relativas dos elementos químicos que constituem as unidades
estruturais, tendo em consideração o número de átomos de cada elemento.
Prof. Isabel Reis
Quantidade em química - mole
Quantas moléculas de água existem, em média, numa pequena gota de água?
Prof. Isabel Reis
Prof. Isabel Reis
Quantidade em química - mole
Uma pequena quantidade de qualquer substância possui um número muito grande de átomos, moléculas ou iões.
Os Químicos tiveram que criar uma unidade de medida para “contar” o número de unidades estruturais – a mole.
Prof. Isabel Reis
Quantidade em química - mole
Como o número de unidades estruturais existente numa pequena porção de matéria é extremamente grande, utiliza-se o chamado número de Avogadro ou constante de Avogadro, NA, em homenagem ao físico italiano Amedeo Avogadro, para o exprimir.
Constante de Avogadro NA = 6,02 x 1023 mol-1 Amedeo Avogadro (1776-1856) Prof. Isabel Reis
Mole 23 6,02 x 10
25
Dúzia
Quarteirão
Resma Prof. Isabel Reis
A quantidade de matéria, n, que contém o número de Avogadro de unidades estruturais (átomos, moléculas ou iões) é designada por mole (símbolo mol). 1 mol de átomos de Ne
6,02 x 1023 átomos de Ne
1 mol de moléculas H2O
6,02 x 1023 moléculas de H2O
1 mol de iões Na+
6,02 x 1023 iões de Na+
A mole, símbolo mol, é a unidade da grandeza quantidade de matéria, n, no SI. Prof. Isabel Reis
Exemplos:
1 mol de moléculas de N2 contém: 6,02 x 1023
2 x 6,02 x 1023
2
moléculas de N2
átomos de N moles de átomos de N
Prof. Isabel Reis
2 mol de moléculas de N2 contêm: 2 x 6,02 x 1023
2 x 2 x 6,02 x 1023
4
moléculas de N2
átomos de N moles de átomos de N
Prof. Isabel Reis
5 mol de moléculas de CH4 contêm: 5 x 6,02 x 1023
4 x 5 x 6,02 x 1023 20 5 x 6,02 x 1023 5
moléculas de CH4
átomos de H moles de átomos de H átomos de C
moles de átomos de C
Prof. Isabel Reis
O número de unidades estruturais numa determinada quantidade de matéria é obtido por:
N = n × NA Número de partículas
Quantidade de matéria
Prof. Isabel Reis
Constante de Avogadro
Massa molar A massa molar é a massa de 1 mol de determinada entidade química. Representa-se pelo símbolo M e exprime-se usualmente
em grama por mole (g mol−1). A massa molar de um elemento é numericamente igual à massa
atómica relativa (Ar) desse mesmo elemento, expressa em g/mol.
A massa molar de uma substância é numericamente igual à sua
massa molecular relativa (Mr), expressa em g/mol. Prof. Isabel Reis
Determinação da massa molar da água (H2O):
M(H2O) = 18,02 g mol-1
Prof. Isabel Reis
Podemos relacionar a massa, m, de uma dada amostra com a sua massa molar, M, e a sua quantidade de matĂŠria, n:
m=nXM
Prof. Isabel Reis
Mistura
Uma mistura é um material constituído por dois ou mais componentes (substâncias).
Por exemplo, num frasco de álcool sanitário existe água, etanol e ainda um terceiro componente, a cetrimida (composto orgânico com propriedades antisséticas, cuja fórmula química é C19H42BrN).
Prof. Isabel Reis
Fração molar
quantidade de matéria de A
quantidade de matéria total
Como a fração molar resulta do quociente entre duas grandezas com as mesmas dimensões, esta torna-se adimensional (não tem unidades).
Prof. Isabel Reis
A soma das frações molares dos componentes do sistema é sempre igual a 1.
x(A) + x(B) + x(C) + … = 1
Prof. Isabel Reis
Fração mássica A fração mássica (w), é o quociente entre a massa de um componente e a massa total presente na amostra.
mA é a massa de A e mT é a massa total.
Prof. Isabel Reis
A soma das frações mássicas de todos os componentes do sistema é sempre igual a 1.
w(A) + w(B) + w(C) + … = 1
Se
multiplicarmos
a
fração mássica por 100, obtemos
percentagem em massa.
Prof. Isabel Reis
a