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O que é o número atômico e quais são os principais modelos de átomo?

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O que é o número atômico de um elemento? Como calcular o raio de um átomo? O que são os modelos de Thomson e Rutherford e qual a importância deles para a ciência? É isso o que vamos explicar abaixo.

A história do átomo começa com alguns filósofos gregos que teorizaram sobre a natureza da matéria. Alguns deles suspeitaram que tudo no universo é feito de partículas indivisíveis, o que não estava correto, mas se aproximava mais da realidade do que outras correntes de pensamento.

Quando os cientistas descobriram que os átomos são formados por partículas ainda menores — e bem vazios, ao contrário do que imaginavam até o início do século XX — foram descobertos os elétrons, prótons e nêutrons. Mas levou um bom tempo para chegarmos à compreensão atual.

Com a colaboração de muitos cientistas ao longo do século passado, temos o modelo atômico atual, e conceitos como número atômico, que podem dizer muito sobre um elemento usando poucas informações.

O que é número atômico?

O hidrogênio têm número atômico 1 (Imagem: Reprodução/Breaking Atom/Creative Commons)
O hidrogênio têm número atômico 1 (Imagem: Reprodução/Breaking Atom/Creative Commons)

O número atômico é sempre igual ao número de prótons existentes no núcleo de um átomo neutro, e também à quantidade de elétrons na órbita deste mesmo núcleo. Ele aparece no lado superior esquerdo do símbolo atômico na tabela periódica e ajuda a organizar todos os elementos em ordem crescente.

Representado pela letra Z, o número atômico pode ser escrito no lado inferior do elemento (subscrito), enquanto a massa atômica é escrita na parte superior (sobrescrito). Assim, a representação textual do átomo de hidrogênio seria 1H1. Essa representação indica que o átomo possui 1 próton e nenhum nêutron.

Podemos descobrir a ausência do nêutron no exemplo acima por causa da massa atômica indicada. A massa do átomo é a soma dos prótons e nêutrons do núcleo, pois a massa dos elétrons é considerada desprezível por ser muito inferior. Se o número de prótons do hidrogênio é 1 e sua massa atômica também é 1, concluímos que não há prótons no núcleo.

Claro, existem os isótopos e íons para “bagunçar” um pouco essas regrinhas. Isótopos são átomos com o mesmo número atômico (quantidade de prótons), mas com massa atômica diferente. Ou seja, são “versões” do mesmo elemento com diferentes quantidades de prótons. Um exemplo é o 1H2 (o deutério, isótopo do hidrogênio com 1 próton e 1 nêutron).

Na tabela periódica, o número atômico de um elemento aparece no canto superior direito (Imagem: Reprodução/Breaking Atom/Creative Commons)
Na tabela periódica, o número atômico de um elemento aparece no canto superior direito (Imagem: Reprodução/Breaking Atom/Creative Commons)

Também existem os íons — átomos que perderam ou ganharam elétrons e deixaram de ser neutros. Lembra que o número atômico é também o número de elétrons na órbita do núcleo? Isso não é verdade quando o átomo se tornou um íon.

Prótons possuem carga positiva, enquanto elétrons têm carga negativa. Por isso, quando estão em quantidades iguais, as cargas elétricas do átomo se anulam (nêutrons não possuem carga). Mas se o átomo perde ou ganha elétrons, essa carga é alterada e ele se torna aquilo que os cientistas chamam de partículas carregadas.

Como calcular o número atômico

Se você tiver apenas o número de nêutrons e elétrons do elemento e precisa determinar seu número atômico (Z), a solução é muito fácil. Sabemos que Z corresponde ao número de prótons, e que a massa atômica (A) é a soma de prótons e nêutrons (n); então, podemos usar a fórmula A = Z + n.

Por exemplo, um átomo com massa 32 e 15 nêutrons só pode ter 17 prótons. Ou seja, basta subtrair o número da massa pela quantidade de nêutrons para saber o número atômico. Simples, não é?

Raio atômico

A distância entre os núcleos de átomos de um mesmo elemento ligados é o dobro do raio atômico (Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons)
A distância entre os núcleos de átomos de um mesmo elemento ligados é o dobro do raio atômico (Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons)

O raio atômico é a distância entre o centro do átomo e a camada de valência — a última camada de distribuição dos elétrons de um átomo. O problema é que os átomos não são rígidos como uma esfera, mas bastante vazios, com uma “nuvem” de possibilidades de posicionamentos dos elétrons.

Sabemos que os elétrons orbitam um núcleo em diferentes níveis, conhecidos como camadas. Longe de se parecerem com um sistema da física clássica, como planetas na órbita de uma estrela, os elétrons não têm uma posição definida, mas há um limite de onde podem “correr”.

Contudo, como nos mostrou o modelo quântico ondulatório de Schrödinger (vigente até os dias de hoje), esse limite é muito difícil de determinar por ser impossível determinar o tamanho da “nuvem” eletrônica, isto é, a distância exata da camada de valência para o núcleo.

Assim, os cientistas determinam o raio atômico através da distância entre os núcleos de dois átomos ligados do mesmo elemento, no estado gasoso, por meio de raio-X. O raio atômico será metade da distância calculada.

Os primeiros modelos atômicos

Como dissemos no início, a história do átomo foi construída lenta e continuamente, desde os antigos gregos, com a colaboração de muitos cientistas ao longo dos séculos. Mas a grande “virada” que levou às descobertas atualmente aceitas foi o surgimento dos métodos para testar as hipóteses.

A ideia de átomos indivisíveis como partículas formadoras da matéria não era tão popular entre os filósofos e matemáticos gregos. Mas o físico John Dalton demonstrou experimentos e teorias sobre o vapor d'água e misturas de gases em 1801. Sua lei das pressões parciais levou à conclusão de que toda a matéria deve se consistir de diminutas partículas.

Dalton ainda elaborou a primeira tabela de pesos atômicos e sua teoria atômica se tornou amplamente difundida entre a comunidade científica, e até mesmo reconhecida pelo rei da Inglaterra. Mas ainda estávamos longe de descobrir tudo sobre os átomos.

Modelo de Thomson

O modelo de Thomson, também conhecido como "pudim de ameixas" (Imagem: Reprodução/Encyclopædia Britannica)
O modelo de Thomson, também conhecido como "pudim de ameixas" (Imagem: Reprodução/Encyclopædia Britannica)

Em 1898, o físico inglês Joseph John Thomson conseguiu elaborar o primeiro modelo com partículas sub-atômicas, derrubando a ideia de átomos indivisíveis. Por meio de experimentos, ele conseguiu observar várias evidências da existência do elétron, uma partícula minúscula que existe nos átomos.

Thomson se baseou em experimentos realizados com o tubo de raios catódicos — algo que ninguém sabia exatamente como explicar — construído por outros cientistas. Ele instalou placas elétricas adicionais ao redor do aparelho para determinar se os feixes catódicos estavam carregados.

Quando o raio catódico foi atraído para a placa carregada positivamente, a conclusão óbvia foi que os raios deveriam ser compostos de partículas carregadas negativamente — afinal, cargas positivas e negativas se atraem. Então ele descobriu que, com a alta tensão, essas partículas eram arrancadas de seus átomos do gás dentro do tubo.

Em seguida, ele mediu a massa das partículas negativas e descobriu que elas eram 1.800 vezes menores que as do hidrogênio. Isso o levou a concluir que essas partículas eram um pedaço de matéria menor do que o próprio átomo, ou melhor, eram blocos de construção dos átomos.

Por fim, para equilibrar essa carga negativa das pequenas partículas e manter o átomo coeso, era necessário haver algum tipo de matéria carregada positivamente. Como ainda não se sabia da existência de prótons, ele criou um modelo que ficou conhecido como “modelo atômico pudim de ameixa”.

Segundo esse modelo, o átomo seria um mar de elétrons cercados por uma espécie de nuvem de carga positiva para equilibrá-los. Claro, ainda havia problemas. O “pudim de ameixa” não conseguia explicar todas as propriedades atômicas até então observadas. Mas não demoraria muito para o surgimento do modelo de Rutherford.

Modelo de Rutherford

O modelo de Rutherford é comparável com o Sistema Solar (Imagem: Reprodução/Encyclopædia Britannica)
O modelo de Rutherford é comparável com o Sistema Solar (Imagem: Reprodução/Encyclopædia Britannica)

Foi em 1911 que o físico Ernest Rutherford realizou um experimento que nos levou a um novo e aprimorado modelo atômico. Ele bombardeou uma lâmina de ouro bem fina com partículas alfa (α) emitidas por uma amostra de material radioativo. Esse material ficava em um bloco de chumbo com um pequeno orifício pelo qual as partículas passavam.

Já a folha de ouro estava dentro de uma tela que permitiria a detecção das partículas defletidas. De acordo com o modelo de pudim de ameixa, todas as partículas alfa deveriam passar pela folha de ouro com pouca ou nenhuma deflexão. Para a surpresa de todos, uma porcentagem das partículas alfa foi projetada em vários pontos da tela — algumas até mesmo redirecionadas em direção à fonte.

Aqui, os números são muito importantes. A folha de ouro tinha apenas 0,00004 cm de espessura. A maioria das partículas alfa passou direto por ela, mas cerca de 20.000 delas foram desviadas em 45° ou mais. Isso é um número bem pequeno, considerando que foi um experimento que durou bastante tempo. Rutherford disse que era “como se você tivesse disparado um projétil [de artilharia] de 15 polegadas em um pedaço de papel de seda e ele voltasse e o atingisse”, mas esses projéteis estranhos eram a minoria.

Bem, era necessária uma nova teoria atômica. Como a grande maioria das partículas alfa havia atravessado o ouro, a maior parte do átomo deveria ser um espaço vazio. Em contraste, as poucas partículas que foram altamente desviadas devem ter se encontrado com alguma força incrível e poderosa. Por que essa força afetava a minoria?

O experimento de Rutherford levou à conclusão de que átomos são principalmente vazios, com um pequeno núcleo (Imagem: Reprodução/Encyclopædia Britannica)
O experimento de Rutherford levou à conclusão de que átomos são principalmente vazios, com um pequeno núcleo (Imagem: Reprodução/Encyclopædia Britannica)

A conclusão foi que toda a carga positiva prevista por Thomson (que também seria a maior parte da massa do átomo) estaria concentrada em um espaço muito pequeno no interior do átomo, que Rutherford chamou de núcleo. Isso ficou conhecido como modelo nuclear. Nesse modelo, os elétrons estavam distribuídos ao redor do núcleo e ocupavam a maior parte do volume do átomo.

Com isso, Rutherford comparou a órbita dos elétrons ao redor do núcleo com os planetas do Sistema Solar ao redor do Sol. Isso poderia ser uma comparação incrível e fascinante entre o mundo macro e o micro, se não fosse totalmente precipitado. Mas estava de acordo com a mecânica clássica e ainda não tínhamos a mecânica quântica para descrever o reino das partículas.

Havia problemas no modelo de Rutherford que deixaram os cientistas incomodados. Um deles era que nada explicava como o núcleo positivo conseguia se manter unido, já que cargas positivas tendem a se repelir. Ninguém sabia também como os elétrons permaneciam na órbita sem perder energia e cair no núcleo.

Felizmente, as descobertas da época, como o efeito fotoelétrico descoberto por Albert Einstein, as medidas e equações de Plank e a nova teoria quântica nos levaram ao modelo de Bohr, que separaria a teoria dos átomos da mecânica clássica para sempre.

Fonte: Canaltech

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