Massa e tamanho dos átomos, Notas de aula de Materiais

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Massa e tamanho dos átomos

Miguel Neta, outubro de 2020

Nanotecnologia / Nanoeletrónica / Nanobioteclonogia / Nanomateriais

“Há muito espaço lá em baixo”

Richard Feynman, 1959 Já é possível realizar construções/manipulações à escala atómica! Utilizações: miniaturização de circuitos; materiais biocompatíveis; diagnóstico e tratamento médico; controlo da morfologia de materiais à dimensão nano…

Constituição do átomo Cada átomo tem um número igual de protões e de eletrões , o que o torna eletricamente neutro. Partícula Ano/autor da descoberta Carga elétrica Massa (kg) Eletrão

Thomson negativa

9,109 × 10 -^31

(1 830 vezes inferior ao protão) Protão

Rutherford positiva

1,673 × 10

• 27 (aproximadamente igual ao neutrão) Neutrão

Chadwick neutra

1,675 × 10 -^27

(aproximadamente igual ao protão)

Constituição do átomo Os átomos são constituídos por três diferentes tipos de partículas fundamentais: Protões Núcleo Neutrões Eletrões Nuvem eletrónica

Iões Um átomo (ou molécula) pode ganhar ou perder eletrões , formando um ião, passando a ter carga elétrica. Aniões O átomo (ou molécula) ganha um ou mais eletrões , ficando com carga elétrica negativa (-1 por cada eletrão ganho). Exemplo: átomo de cloro (Cl) ganha um eletrão tornando-se no ião cloreto (Cl-). Catiões O átomo (ou molécula) perde um ou mais eletrões , ficando com carga elétrica positiva (+1 por cada eletrão perdido). Exemplo: átomo de cálcio (Ca) perde dois eletrões tornando-se no ião cálcio (Ca2+).

Número atómico ( 𝒁 ) É o número de protões (número atómico - 𝑍) que diferencia um elemento químico (tipo de átomo) de outro. Um átomo que tenha 10 protões pertence a um elemento diferente de um átomo que tenha 11 protões. Representação: 1 H

Isótopos Isótopos são átomos do mesmo elemento químico com diferente número de massa (𝐴). Têm diferentes número de neutrões. Exemplos: (^1) H hidrogénio- 1 prótio (^2) H hidrogénio- 2 deutério 3 H hidrogénio- 3 trítio 12 C carbono- 12 (^13) C carbono- 13 (^14) C carbono- 14 Os isótopos de um elemento não existem na natureza em igual percentagem!

Representação simbólica de átomos e iões Por exemplo, um átomo de hidrogénio (H), que tem número atómico 1 (𝑍=1) e que tem 2 neutrões (𝑁=2): Número de massa Número atómico

X Símbolo do elemento químico

A

Z

H

q

Carga elétrica (se diferente de zero)

Massa atómica relativa ( 𝑨𝒓 ) Como um elemento químico pode ter vários isótopos, a massa atómica relativa (𝐴𝑟) desse elemento calcula-se fazendo uma média ponderada com as massas isotópicas relativas e a abundância de cada isótopo desse elemento químico. Exemplo para o 17 Cl: Dois isótopos: cloro- 35 massa isotópica relativa = 34,97 abundância: 75,8% cloro- 37 massa isotópica relativa = 36,97 abundância: 24,2% 𝐴𝑟 𝐶𝑙 =

( 34 , 97 × 75 , 8 ) + ( 36 , 97 × 24 , 2 )

Mole Mole é a grandeza que mede a quantidade química ( 𝒏 ) de uma substância. Uma mole de unidades estruturais (podem ser átomos, moléculas, iões...) é igual a 6,022 × 1023 unidades ( constante ou número de Avogadro – 𝑁𝐴). Unidade SI é mol. O número de partículas ( 𝑵 ) de uma determinada amostra é igual a: 𝑁 = 𝑛 × 𝑁𝐴 em que: 𝑛 – quantidade química (mol) 𝑁𝐴 – número de Avogadro (6,022 × 10 23 mol

• 1 ) Romano Amadeo Carlo Avogadro (1776-1856).

Massa molar ( 𝑴 ) A massa molar, 𝑴, indica a massa de uma mol de partículas de uma dada substância. A unidade é g/mol. Como calcular a massa de uma mol de substância? 𝑀(Cu) =? 𝐴𝑟(Cu) = 63, 𝑴 (Cu) = 63,55 g/mol

𝑀(H 2 O) =?

𝐴𝑟(H) = 1,

𝐴𝑟(O) = 16,

𝑀𝑟(H 2 O) = 2 × 𝐴𝑟(H) + 𝐴𝑟(O)

𝑴 (H 2 O) = 18,02 g/mol

𝑀(SO 42 - ) =?

𝐴𝑟(S) = 32,

𝐴𝑟(O) = 16,

𝑀𝑟(SO 42 - ) = 𝐴𝑟(S) + 4 × 𝐴𝑟(O)

𝑴 (SO 4

2 - ) = 96,07 g/mol [A massa dos eletrões é muito inferior à dos protões e dos neutrões e por isso é desprezada neste cálculo.] Elemento Substância molecular Substância iónica TP TP TP TP TP TP (^) Ver na Tabela Periódica 18,02 g de água contem 1 mol (6,022 × 1023 ) de moléculas. 63,55 g de cobre contem 1 mol (6,022 × 10 23 ) de átomos de cobre.

Massa molar ( 𝑴 ) A relação entre a massa da substância , 𝑚, a sua massa molar , 𝑀, e a respectiva quantidade química , 𝑛, é dada pela expressão: 𝑀 =