Modelos atômicos

ilustração animada do modelo atômico de rutherford-bohr, com prótons e nêutrons no núcleo, rodeado por elétrons que giram ao seu redor

A palavra átomo dificilmente é nova para você. Ela aparece em noticiários, filmes, desenhos, músicas e, agora, vai aparecer muito na sala de aula. Mas o que são esses átomos e com que se parecem? É o que você vai descobrir (ou aprender ainda mais) a seguir.

O que são átomos?

Você já imaginou cortar um objeto ao meio infinitas vezes? Se você pudesse ignorar as barreiras do tamanho e continuar cortando, e cortando, e cortando... Até onde seria capaz de chegar? Haveria um limite?

Acredite, essa pergunta vem sendo feita por filósofos e cientistas desde o início dos tempos. 500 anos antes mesmo do nascimento de Cristo, pensadores como Leucipo e Demócrito já propunham que, mesmo ignorando as barreiras dimensionais, haveria um momento a partir do qual a matéria que constitui o mundo não poderia mais ser dividida. Essa proposição acompanhou a humanidade até que, em 1808, começou a ser estudada mais a fundo. Nascia então o conceito de um átomo.

A palavra tem origem nos termos gregos a e tomos, que significam, respectivamente, não e divisões, isto é, literalmente, aquilo que não pode ser dividido. Definiu-se então que, em algum momento, chegar-se-ia à menor porção possível de qualquer substância que se desejasse dividir, fosse ela sólida, líquida ou mesmo gasosa.

em uma anotação, lê-se "a palavra átomo vem do grego, onde a é igual a não e tomo é igual a parte, ilustrando a etimologia da palavra.

E, embora tenha passado por diversas mudanças e adaptações em função de novas descobertas, o conceito básico permanece o mesmo. Átomos são partículas tão incrivelmente pequenas, que um único grão de areia é formado por mais de 1 trilhão delas. Essas pequenas partículas são dotadas de propriedades e particularidades, e se combinam entre elas para formar tudo o que você conhece, inclusive nós mesmos.

Mas, antes de entendermos como isso acontece, é preciso voltar um pouco no tempo e estudar a história dessa porçãozinha de todas as coisas, para chegarmos ao que é hoje e, assim, visualizar melhor como tudo acontece.

O modelo atômico de Dalton - bola de bilhar

Na época dos filósofos antigos, quando se propôs um ponto de indivisibilidade da matéria, acreditava-se que as partículas que encontraríamos nesse ponto só poderiam ser de quatro tipos, considerados os quatro elementos básicos da formação de tudo: ar, água, fogo e terra. Quando chegou a vez do professor inglês John Dalton expor seus estudos sobre o assunto, em 1808, essa ideia já não era mais aceita. Dalton era meticuloso em seus estudos e suas teorias, baseadas em observações experimentais.

O que ele propôs foi que a matéria era constituída por microscópicas bolinhas de diferentes tipos, invisíveis a olho nu e que se combinavam e misturavam para formar as substâncias. Por isso, esse modelo ficou conhecido como o átomo bola de bilhar.
ilustração do modelo atômico de Dalton, que ficou conhecido como o átomo bola de bilhar. No desenho, é possivel ver a secção de uma esfera maciça.

Como fruto de seus estudos, o professor postulou o seguinte:
  • Todas as substâncias são formadas por partículas minúsculas chamadas átomos;
  • Os átomos de diferentes elementos têm propriedades diferentes, mas todos os átomos do mesmo elemento são exatamente iguais;
  • Os átomos não se alteram quando estão combinados, isto é, quando formam substâncias químicas;
  • Os átomos são esferas maciças, permanentes e indivisíveis, não podendo ser criados nem destruídos;
  • As reações químicas correspondem a uma reorganização de átomos;
  • Os compostos são formados pela combinação de átomos de elementos diferentes em proporções fixas;
  • A massa de um composto é igual à soma das massas de todos os átomos que o compõem.
Apesar de ainda necessitar diversos ajustes, as observações de Dalton quanto à natureza da composição da matéria apresentavam incrível precisão e algumas, inclusive, permanecem inalteradas até hoje. Suas ideias ainda davam forma à explicação de postulados anteriores como a lei da conservação das massas, de Lavoisier e a lei da composição definida, de Proust.

Dois anos mais tarde, foi publicada sua obra obra New System of Chemical Philosophy (novo sistema de filosofia química). A obra trazia, entre outros, testes que confirmavam suas teorias.

fotografia mostra a capa do primeiro volume da obra de Johm Dalton, intitulada New System of Chemical Philosophy (novo sistema de filosofia química), publicado em 1810.

O modelo de Thomson - pudim de passas

Quase 100 anos mais tarde, em 1897, durante estudos sobre raios catódicos (que hoje sabemos tratarem-se de feixes de elétrons), o físico também inglês Joseph John Thomson percebeu que esses raios eram atraídos por campos magnéticos positivos externos. Em seus experimentos ele concluiu que fenômenos elétricos deveriam estar diretamente ligados à estrutura básica da matéria, e o átomo não poderia ser, então, uma simples esfera maciça, como sugeriu Dalton inicialmente, mas sim constituído por dois ingredientes: uma esfera principal, com carga elétrica positiva, e outras esferas mais leves, que se espalhavam uniformemente pela maior, com carga elétrica negativa, tal qual uvas-passas em um pudim. Dessa forma, sua proposição de modelo atômico ficou conhecida por átomo pudim de passas.

ilustração mostra secção de esfera, como no modelo atômico de Dalton, porém desta vez, com esferas menores presentes em sua estrutura, tanto na superfície, como em seu interior.

Em sua idealização de modelo atômico, Thomson deu a essas partículas menores o nome de corpúsculos. Esse foi, então, o primeiro modelo divisível do que era, até então, indivisível por definição. O físico dizia o seguinte:
  • A matéria é constituída por esferas com carga elétrica positiva e, em sua estrutura distribuem-se, partículas mais leves com carga elétrica negativa;
  • Essas partículas  menores denominam-se corpúsculos e são muito menores que o átomo de hidrogênio (H);
  • Os corpúsculos distribuem-se de maneira uniforme na estrutura do átomo, assegurando equilíbrio elétrico e nulidade de carga ao conjunto;
  • A relação carga/massa é a mesma para qualquer gás empregado nos testes dos raios catódicos, portanto os corpúsculos devem ser constituintes de qualquer tipo de matéria;
  • Não é possível separar os corpúsculos do átomo sem que este sofra um serramento de fissão nuclear;
Não muito mais tarde, o próprio físico determinou que esses corpúsculos deveriam, na verdade, ser chamados de elétrons.

O modelo de Rutherford - planetário

Em 1908, o cientista físico e químico neozelandês Ernest Rutherford, realizou um experimento com partículas α (partícula de carga +2 liberada a partir do núcleo de um elemento radioativo). Sua experiência consistia em produzir um feixe dessas partículas a partir do elemento Polônio (Po) e direcioná-lo contra uma lâmina extremamente fina de ouro (apenas 10-5 mm de espessura). Durante esse experimento ele constatou que:

a) a grande maioria das partículas atravessava a lâmina sem sofrer qualquer alteração em seu trajeto;
b) uma certa quantidade de partículas sofriam alguma alteração no trajeto após atravessar a lâmina;
c) uma pequena quantidade de partículas eram refletidas e retrocediam.

ilustração mostra o experimento de rutherford, que consistia em uma porção de polônio em uma caixa de chumbo, emitindo um feixe de partículas alfa qua passava por uma placa de chumbo com um orificio no meio e era direcionada a uma lâmina extremamente fina de ouro com um anteparo fluorescente atrás da lâmina.

Com esses resultados, Rutherford foi capaz de chegar a algumas conclusões que resultaram nos postulados de um novo modelo atômico:

  • Se a maioria das partículas atravessa a lâmina sem sofrer alterações, significa que há grandes espaços entre um átomo e outro;
  • Os elétrons, previstos por Thomson não poderiam estar espalhados pelo núcleo, mas sim orbitando ao redor dele, como os planetas em um sistema solar (o que deu origem ao nome pelo qual o modelo ficou conhecido), em regiões que receberam o nome de eletrosferas.
  • Como a quantidade de partículas α repelidas era muito pequena, isso significava que o núcleo do átomo, que corresponde a sua parte igualmente positiva, também é muito pequeno, tornando mínima a quantidade de partículas com a mesma carga que se encontravam.
Dessa forma, o átomo que Rutherford propunha recebia a forma de um sistema solar, da seguinte maneira:

A imagem mostra ou núcleo do átomo com seu núcleo (partículas positivas e nêutras) rodeadas por elétrons (partículas negativas) que orbitam ao seu redor, como os planetas de um sistema solar.

Note que, nessa estrutura, o núcleo é formado por dois tipos de sub-partícula: uma positiva, chamada próton e uma sem carga, chamada nêutron. Contudo, os nêutrons, até então, eram somente uma previsão feita pelo cientista. Seu isolamento e a prova de sua existência só ocorreu em 1932, pelo físico britânico James Chadwick, colaborador de Rutherford.

O modelo de Rutherford-Bohr

Pouco tempo depois, em 1910, o físico dinamarquês Niels Henrick David Bohr aprimorou o modelo de Rutherford, propondo que as eletrosferas, tratavam-se de camadas, cada uma com um nível determinado e invariável de energia.
em ilustração animada, o elétron é mostrado orbitando ao redor do núcleo em uma camada. Ao receber energia, ele salta para uma camada mais externa e mais energética. Em seguida, perde essa energia na forma de luz ou calor e retorna para sua camada original.

Em suas observações, Bohr postulou o seguinte
  • Os elétrons descrevem órbitas circulares ao redor do núcleo em posições definidas (denominadas camadas) e com quantidades fixas de energia. Não é possível ocupar os espaços intermediários entre as camadas;
  • Essas camadas são ao todo sete e a quantidade de elétrons que cada uma delas pode comportar também é fixa;
  • Apesar de ser extremamente pequeno, ainda assim, a maior parte do átomo é somente espaço vazio: o diâmetro da órbita dos elétrons é cerca de mil vezes maior do que o núcleo;
  • Elétrons podem absorver uma certa porção de energia (um quantum de energia), o que os faz saltar para uma camada mais externa e mais energética;
  • Essa condição é instável, por isso, o elétron tende a perder essa energia extra, emitindo, no processo, luz ou calor e retornando, assim, para sua camada original.
Mesmo após esse modelo, outros novos foram propostos, com diferentes postulados que apresentavam explicações distintas para os fenômenos da natureza que observamos todos os dias, contudo, o modelo de Bohr é até hoje o mais popular e também o que estudaremos no ensino médio.

Comentários

Postagens mais visitadas deste blog

Dispersões: soluções, coloides e suspensões

A tabela periódica (parte 1)

Distribuição eletrônica