Tentar-se neste trabalho desenvolver de maneira seqüencial informações manipuladas para o desenvolvimento, das teorias sobre a estrutura da matéria e sobre a estrutura atômica, organizando as teorias, e as formas desenvolvidas por cientistas e datas.

Mostrar-se-á uma breve explicação sobre a formação da matéria, de forma simples falando sobre o átomo e suas partículas também sobre exclusivamente o átomo, sobre toda sua formação, estrutura, energia, etc.

Os primeiros modelos atômicos

Alguns filósofos da Grécia Antiga já admitiam que toda e qualquer matéria seria formadas por minúsculas partículas indivisíveis, que foram denominadas ÁTOMOS (a palavra átomo, em grego, significa indivisível).

No entanto, foi somente em 1803 que o cientista inglês John Dalton, com base em inúmeras experiências, conseguiu provar cientificamente a idéia de ÁTOMO. Surgiu então a TEORIA ATÔMICA CLÁSSICA da matéria. Segundo essa teoria, quando olhamos por exemplo, para um grãozinho de ferro, devemos imaginá-lo como sendo formado por um aglomerado de um número enorme de átomos de ferro.

Com o assar dos anos, entretanto, novas observações e experiências levaram os cientistas que a matéria poderia conter partículas carregadas eletricamente. Podemos citar algumas dessas descobertas:

a) Notou-se que atritando um bastão de vidro com um pedaço de seda, o vidro se eletriza (hoje dizemos "com cargas positivas"; atritando um bastão de ebonite com um pedaço de lã, a ebonite também se eletriza (hoje, contudo, dizemos "com cargas negativas"). Como explicar que um material (no caso, o vidro ou a ebonite), inicialmente neutro, possa ficar carregado eletricamente? Uma explicação plausível é a de que toda matéria, no estado normal, é formada por partículas elétricas que se neutralizam.

b) Verificou-se que algumas soluções deixam passar corrente elétrica, enquanto outras não. Como exemplo, podemos citar, no primeiro caso, as soluções de sal comum em água; no segundo caso as soluções de açúcar em água. Para explicar esse fato, o cientista Arrhenius imaginou o seguinte: quando a corrente elétrica não passa, é porque a solução é formada apenas por moléculas eletricamente neutras; caso contrário algumas moléculas estão divididas em partículas menores, chamadas íons, alguns com carga elétrica positiva (cátions), outros com negativa (ânions), e que são responsáveis pelo "transporte’ da corrente elétrica.

c) Descobriu-se que, em ampolas de vidro contendo gases muito rarefeitos (em pressões baixíssimas), quando estes são submetidos a potenciais elétricos elevadíssimos, aparecem emissões denominadas RAIOS CATÓDICOS. Hoje sabemos que esses raios são feixes de elétrons(e usamos esse fenômeno nos tubos dos televisores).

d) Descobriu-se também o fenômeno da RADIOATIVIDADE, que é a propriedade que alguns elementos químicos possuem de emitir partículas e radiações. Assim, por exemplo, o elemento polônio emite partículas de carga elétrica positiva, que foram denominadas partículas alfa.

Refletindo sobre este fenômeno, você pode concluir o seguinte: se a matéria é eletricamente neutra, seus átomos são obrigatoriamente neutros, e a saída de partículas elétricas só será possível se esses átomos estiverem sofrendo alguma divisão.

Logo, o átomo é divisível, ou seja, deve ser formado por partículas ainda menores e possuidoras de cargas elétricas.

Tentando explicar esses fenômenos, o cientista Thomson propôs, em 1904, um novo modelo de átomo, formado por uma "pasta" positiva "recheada" pelos elétrons de carga negativa, o que garantia neutralidade elétrica do modelo atômico. Com isso, começava-se a admitir a "divisibilidade do á tomo" e a reconhecer a "natureza elétrica da matéria".

Modelo atômico de Rutherford-Bohr

Em 1911, o cientista Rutherford fez uma experiência muito importante, que veio alterar e melhorar profundamente a visão do modelo atômico. Resumidamente, a experiência consistiu no seguinte:

Um pedaço do metal polônio emite um feixe de partículas alfa, que atravessa uma lâmina finíssima de ouro. Rutherford observou então que a maior parte das partículas alfa atravessa a lâmina de ouro como se fosse uma peneira; apenas algumas partículas desviavam ou até mesmo retrocediam.

Rutherford viu-se obrigado a admitir que a lâmina de ouro não era constituída de átomos maciços e justapostos, como pensaram Dalon e Thomson. Pelo contrário, a lâmina seria formada por NÚCLEOS pequenos, densos e eletricamente positivos, dispersos em grandes espaços vazios.

Os grande espaços vazios explicam por que a grande maioria das partículas alfa não sofre desvios. Entretanto, lembrando que as partículas alfa são positivas, é facil entender que, no caso de uma partícula alfa passar próximo de um núcleo (também positivo), ela será fortemente desviada; e no caso extremo de uma partícula alfa "topar à frente" um núcleo, ela será repelida para trás.

Surge, porém, uma pergunta: se o ouro apresenta núcleos positivos, como explicar o fatos de a lâmina de ouro ser eletricamente neutra?

Rutherford imaginou então que ao redor do núcleo positivo estariam girando partículas muito menores (que não atrapalham a passagem das partículas alfa), possuidoras de carga elétrica negativa (para contrabalançar a carga positiva do núcleo), e que foram denominadas ELÉTRONS. Em resumo, o átomo seria semelhante ao Sistema Solar: o núcleo representaria o Sol e os elétrons seriam os planetas, girando em órbitas circulares e formando a chamada eletrosfera.

Hoje, sabemos que o tamanho do átomo é de 10.000 a 100.000 vezes maio que o seu núcleo. Para efeito de comparação, podemos imaginar o núcleo atômico como sendo uma formiga no centro de um estádio como o Maracanã.

Em 1913, o cientista Bohr reuniu algumas observações, experiências e teorias já existentes para aprimorar a explicação do modelo atômico. Por que a luz comum forma o arco-íris ao passar por urna nuvem ou por um prisma? Por que certos elementos químicos, quando convenientemente aquecidos, emitem luz de urna só cor, como acontece com as "lâmpadas de sódio" (luz amarela) existentes em nossas estradas?

Para explicar esses fatos, Bohr propôs o seguinte:

a) enquanto o elétron estiver girando na mesma órbita, ele não emite nem absorve energia;

b) ao saltar de uma órbita para outra, o elétron emite ou absorve urna quantidade bem definida de energia (denominada quantum de energia, ou, no plural, quanta de energia).

Recebendo energia (térmica, elétrica ou luminosa) do exterior, o elétron salta de urna órbita mais interna para outra mais externa; a quantidade de energia recebida é, porém, bem definida (um quantum de energia).

Pelo contrário, ao voltar de urna órbita mais externa para outra mais interna, o elétron emite um quantum de energia, na forma de luz de cor bem definida ou outra radiação eletromagnética, como ultravioleta ou raios X (da o nome f6ton, que é dado para esse quantum de energia).

Mais urna vez notamos o entrelaçamento entre matéria e energia: a energia luminosa (luzes de todas as cores) é o resultado do "salto" dos elétrons entre as várias órbitas eletrônicas possíveis ao redor de um dado núcleo. Assim, ao "átomo de Rutherford" complementado pelas ponderações de Bohr foi dado o nome de MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD-BOHR.

Mais tarde, constatou-se que as órbitas eletrónicas de todos os átomos conhecidos se agrupam em sete camadas eletrônicas, que foram denominadas K, L, M, N, O, P, Q. Em cada camada, os elétrons possuem urna quantidade fixa de energia; por esse motivo, as camadas são também denominadas estados estacionários ou níveis de energia. Além disso, cada camada comporta um número máximo de elétrons.

O preenchimento dessas camadas, porém, não é tão simples como aparece no esquema anterior. A figura a seguir indica, de forma mais completa, a maneira pela qual os sucessivos elétrons "vão entrando" nas várias camadas:

Note que o preenchimento de elétrons começa pela camada K, que comporta no máximo dou elétrons, e prossegue na seqüência das flechas indicadas na figura acima, até atingirmos, no máximo, o número que está escrito (existem apenas algumas exceções).

Modelo Atômico de Orbitais

Nos últimos 50 anos, as teorias sobre a estrutura atômica evoluíram bastante, principalmente no que diz respeito à eletrosfera. O Modelo de Órbitas Eletrônicas Circulares de Rutherford-Bohr foi substituído pelo MODELO DE ORBITAIS.

Esta mudança decorreu de novas observações, experiências e cálculos feitos pelos cientistas, que levaram a conclusões importantíssimas como:

A todo elétron cm movimento está associada uma onda característica (princípio da Dualidade ou de De Broglie).

Este princípio nos obriga a visualizar o elétron não mais como uma "bolinha" em movimento rápido, mas sim como sendo um misto de partícula-onda, isto é, algo que, às vezes, pode se comportar como partícula e, outras vezes, como onda (semelhante às ondas elétricas, magnéticas, etc.).

Não é possível calcular a posição e a velocidade de um e1étron, num mesmo instante (Princípio da Incerteza ou de Heisenberg).

Devido à dificuldade de calcular a posição exata de um elétron na eletrosfera, o cientista Schódinger foi levado a calcular a região onda haveria maior probabilidade de encontrar o elétron. Esta região do espaço foi denominada ORBITAL.

Orbital é a região do espaço onde é máxima a probabilidade de se encontrar um determinado elétron.

Formas Geométricas Dos Orbitais

Os orbitais têm formas geométricas bastante variadas, que podem ser calculadas com o auxílio de equações matemáticas. Para nosso estudo, basta saber conhecer os orbitais "s" e "p".

Orbitais "s"

Todas as camadas eletrônicas possuem os chamados orbitais "s", que são esferas concêntricas ao núcleo e com diâmetros crescentes.

Cada orbital "s" pode conter um ou, no máximo, dois elétrons.

Orbitais "p"

A partir da segunda camada eletrônica (camada L), além de um orbital esférico do tipo s (com um ou dois elétrons), poderão surgir até três orbitais alongados, e denominados orbitais p (também contendo um ou dois elétrons); Os três orbitais p estão orientados segundo três eixos (x, y, z) perpendiculares entre si.

Estados energéticos dos elétrons

Devido às dificuldades expostas no item anterior, os cientistas preferem, atualmente, identificar os elétrons mais por seu conteúdo de energia do que por sua posição na eletrosfera.

Por meio de cálculos matemáticos, chegou-se à conclusão de que os elétrons se dispõem ao redor do núcleo atômico, de acordo com o DIAGRAMA ENERGÉTICO.

São as sete "escadas" que aparecem no diagrama e onde os elétrons têm um conteúdo de energia crescente. Esses níveis correspondem as sete camadas (K, L, M, N, O, P, Q) do modelo de Rutherford-Bohr. Atualmente, esses níveis são identificados pelo chamado NÚMERO QUANTICO PRINCIPAL (n), que é um número inteiro, variando de 1 a 7.

São os "degraus" de cada escada existente no diagrama anterior. De cada degrau para o seguinte há, também, aumento no conteúdo de energia dos elétrons. Esses subníveis são identificados amado NÚMERO QUÂNTICO SECUNDÁRIO ou AZIMUTAL, que assume os valores e 0, 1, 2 e 3, mas que é habitualmente designado pelas letras "s", "p", "d", "f", respectivamente. Note que, no diagrama anterior, nós já escrevemos um "endereço" sobre cada degrau. Assim, por exemplo, se for mencionada a posição 3p, devemos saber que se trata do segundo degrau da terceira escada, no tocante ao nível de energia.

Completando o modelo atual da eletrosfera, devemos acrescentar que cada subnível comporta um número variável de orbitais, de acordo com o diagrama energético mais completo.

Nesse diagrama, cada orbital é representado simbolicamente por um quadradinho. Vemos que os subníveis (degraus) "s", "p", "d", "f", contém sucessivamente 1, 3, 5, 7 (seqüência de números ímpares) orbitais. Os orbitais são identificados pelo chamado NUMERO QUÁNTICO MAGNÉTICO (m). Num dado subnível, o orbital central tem o número quântico magnético igual a zero; os orbitais da direita têm m = + 1, + 2, + 3; os da esquerda têm m = - 1, - 2, - 3.

Os elétrons

Finalmente, cálculos matemáticos provaram que um orbital comporta no máximo dois elétrons. No entanto, surge uma dúvida: se os elétrons são negativos, por que não se repelem e se afastam? A explicação é a seguinte: os elétrons podem girar no mesmo sentido ou em sentidos opostos (ou sentidos paralelo e antiparalelo), criando campos magnéticos que os repelem ou os atraem. Essa rotação é conhecida como SPIN (do inglês, to spin = girar).

Um orbital comporta no máximo dois elétrons, com spins contrários (princípio) da Exclusão de Pauli).

O spin é identificado pelo chamado NÚMERO QUÂNTICO DE SPIN (M_s ou s), cujos valores são – ½ e + ½. Normalmente, a representação dos elétrons nos orbitais é feita por meio de uma seta.

DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA

Ap1icação do diagrama dos níveis energéticos

Surge, agora, uma pergunta importante: Como estão distribuídos os elétrons no átomo de um determinado elemento químico?

A resposta é simples - basta seguir o diagrama energético e obedecer às seguintes regras:

a) os elétrons vão se "encaixando" na eletrosfera, partindo dos níveis e subníveis de menor energia para os de maior energia (isto é, "de baixo para cima"); só passamos para um subnível superior quando o inferior já estiver "lotado";

b) num mesmo subnível, de inicio, todos os orbitais devem receber seu primeiro elétron, e só depois cada orbital passará a receber seu segundo elétron (esta é a chamada REGRA DE HUND ou REGRA DA MÁXIMA MULTIPUCIDADE);

c) num orbital, o primeiro elétron é, por convenção, o de spin – ½.

Essa é a distribuição dos elétrons num átomo de ferro considerado em seu ESTADO NORMAL ou ESTADO FUNDAMENTAL. Para indicar, de modo abreviado, essa distribuição eletrônica, escrevemos: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

Reparem que escrevemos os subníveis 1s, 2s, 2p... em ordem crescente de energia e colocamos um "expoente" para indicar o número total de elétrons existente no subnível considerado. Evidentemente, a soma dos expoentes é igual a 26, que é o número total de elétrons do átomo de ferro.

Distribuição eletrônica nos íons

A distribuição eletrônica nos íons é semelhante à dos átomos neutros. No entanto, é importante salientar que os elétrons que o átomo irá ganhar ou perder (para se transformar num íon) serão recebidos ou retirados da última camada eletrônica e não do subnível mais energético. Assim, por exemplo, o átomo de ferro (no atômico = 26) tem a seguinte distribuição eletrônica:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ ou K-2; L-8; M-14; N-2.

Quando o átomo de ferro perde dois elétrons e se transforma no íon Fe²⁺, este terá a seguinte distribuição eletrônica:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ ou K-2; L-8; M-14.

Evidentemente, se o átomo de ferro perder três elétrons e se transformar no íon Fe³⁺, este terá a seguinte distribuição eletrônica:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ ou K-2; L-8; M-13.

Conclui-se que na estrutura da matéria se dá uma noção superficial sobre o átomo e a molécula e suas ligações, já na parte que explica a estrutura atômica dá-se uma noção focalizada sobre o átomo, revelando as formas que os cientistas viam o átomo, sendo que eles não tinham máquinas para fazer experiências e realmente dependia muito de cálculos e de lógica.

Bibliografia

Fundamentos da química, Ricardo Feltre, volume único. Editora Moderna.