1 1 massa tamanho atomos

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

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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.

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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.

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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:

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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

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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

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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).

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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

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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

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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).

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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).

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Aplicações da nanotecnologia

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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Quantidade em química - mole

Quantas moléculas de água existem, em média, numa pequena gota de água?

Prof. Isabel Reis

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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.

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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

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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

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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

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O número de unidades estruturais numa determinada quantidade de matéria é obtido por:

N = n × NA Número de partículas

Quantidade de matéria

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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.

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Determinação da massa molar da água (H2O):

M(H2O) = 18,02 g mol-1

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Podemos relacionar a massa, m, de uma dada amostra com a sua massa molar, M, e a sua quantidade de matĂŠria, n:

m=nXM

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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).

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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).

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A soma das frações molares dos componentes do sistema é sempre igual a 1.

x(A) + x(B) + x(C) + … = 1

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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.

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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.

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a