Ao estudarmos os princípios básicos da química, aprendemos que um átomo é a menor unidade básica da matéria que mantém as propriedades químicas de um elemento.
Também sabemos que ele é composto por três partículas subatômicas: os prótons e nêutrons no núcleo, e os elétrons que giram em órbita, ao redor do núcleo.
Mas é importante que entendamos de que maneira chegamos até essa conclusão. E para iniciar essas discussões, foram criados os modelos atômicos.
Um modelo atômico é uma representação simplificada da estrutura e comportamento dos átomos. É usado para explicar as propriedades dos elementos químicos e como eles se combinam para formar moléculas.
Os modelos atômicos evoluíram ao longo do tempo, à medida que novas descobertas foram feitas sobre a natureza dos átomos. Vamos conferir os primeiros modelos atômicos e suas características:
Modelo Atômico de Dalton
Em 1803, John Dalton, acreditando nas leis de conservação de massa e composição definida, propôs uma teoria que explicava estas e outras generalizações químicas. A teoria atômica de Dalton foi baseada no seguinte modelo:
Modelo Atômico Bola de Bilhar
Este modelo, proposto por John Dalton em 1808, sugere que os átomos são esferas indivisíveis e que todos os átomos de um elemento são idênticos em massa e propriedades. Por exemplo, todos os átomos de oxigênio têm a mesma massa e propriedades.
Veja as características gerais deste modelo:
Toda matéria é composta de partículas fundamentais, os átomos.
Os átomos são permanentes e indivisíveis, eles não podem ser criados nem destruídos.
Os elementos são caracterizados por seus átomos. Todos os átomos de um dado elemento são idênticos em todos os aspectos. Átomos de diferentes elementos têm diferentes propriedades.
As transformações químicas consistem em uma combinação, separação ou rearranjo de átomos.
Compostos químicos são formados de átomos de dois ou mais elementos em razão fixa.
Modelo Atômico de Thomson
Em 1898, J. J. Thomson sugeriu que um átomo poderia ser uma esfera carregada positivamente na qual alguns elétrons estão incrustados, e apontou que isso levaria a uma fácil remoção dos elétrons dos átomos.
Esse modelo atômico é conhecido como “pudim de passas”. Thomson postulou que os elétrons estavam arranjados em anéis e circundavam completamente em órbitas a esfera positiva.
Modelo Atômico de Rutherford
O modelo proposto por Ernest Rutherford em 1911, sugere que os átomos têm um núcleo central pequeno e denso, onde a maioria da massa está concentrada. Os elétrons orbitam em torno do núcleo em órbitas circulares.
Este modelo foi baseado em experimentos de espalhamento de partículas alfa.
A descoberta de que alguns elementos são radioativos, isto é, emitem radiação de alta energia, aconteceu em 1890.
Dessa radiação de alta energia, há três tipos: partículas alfa ( a ), partículas beta ( b ) e raios gama ( g ). Uma partícula alfa carrega uma carga positiva e tem massa muito maior do que a de um elétron.
Rutherford, Geiger e Marsden lançaram um fluxo de partículas alfa emitidas por uma pequena amostra do elemento radioativo polônio em várias folhas finas de diversos materiais como mica, papel e ouro.
Observaram que, embora muitas partículas atravessassem as folhas em linha reta, algumas foram espalhadas, ou desviadas da linha reta. As partículas alfa foram detectadas por um clarão formado sobre um anteparo revestido com uma camada de sulfeto de zinco.
Foi dessa forma que em 1911, Rutherford foi capaz de explicar tal fenômeno, pensando em termos do modelo de Thomson. Ele raciocinou que isto ocorreria se a massa e a carga elétricas positiva e negativa estivessem espalhadas mais ou menos ao acaso através de cada átomo na folha.
Tal distribuição difusa de massa poderia significar que nada seria muito sólido para uma partícula alfa atravessar, e a carga positiva carregada pela partícula não seria influenciada por nenhuma concentração alta de carga positiva ou negativa localizada na folha.
Rutherford compreendeu que se elétrons carregados negativamente estavam distribuídos na maior parte do átomo e se a carga positiva compreendendo a maior parte da massa estava concentrada em um minúsculo núcleo no centro do átomo, então não somente muitas partículas alfa passariam em linha reta sem apresentar deflexão, mas aquelas partículas alfa que passassem próximas ao núcleo seriam fortemente repelidas por sua carga positiva.
Rutherford concluiu que tais repulsões poderiam justificar os maiores ângulos de espalhamento apresentados por poucas das partículas alfa.
Modelo Atômico de Bohr
O modelo proposto por Niels Bohr em 1913, sugere que os elétrons orbitam em torno do núcleo em órbitas circulares em camadas discretas. Cada camada tem um número máximo de elétrons e os elétrons podem saltar de uma camada para outra, emitindo ou absorvendo energia.
Este modelo ajudou a explicar o espectro de linhas de emissão do hidrogênio.
Modelo Atômico de Schrödinger – modelo atual
O atual modelo, conhecido como modelo quântico, nasceu da teoria da mecânica ondulatória, proposta por Erwin Schrödinger.
Esse modelo sugere que os elétrons não seguem trajetórias definidas, mas sim existem em uma nuvem de probabilidade em torno do núcleo.
A posição exata de um elétron não pode ser conhecida com certeza, apenas a probabilidade de encontrá-lo em uma determinada região. Este modelo é baseado na teoria quântica e em experimentos como o experimento de dupla fenda.
Além disso, o modelo de Schrödinger também descreve a energia dos elétrons em termos de níveis de energia discretos. Cada nível de energia corresponde a um estado quântico permitido, e a transição de um elétron entre estados quânticos resulta na emissão ou absorção de energia na forma de fótons.
Outros experimentos atômicos
Os experimentos de Crookes
Os primeiros experimentos que deram indícios de que átomos poderiam ser constituídos de partes menores ocorreram por volta de 1850. O físico britânico William Crookes construiu um tubo em que dois eletrodos, colocados em extremidades opostas, são ligados a uma fonte de alta voltagem, como o esquematizado abaixo:
O tubo é então conectado a uma bomba de vácuo e evacuado gradualmente. Com a saída do gás, o gás residual no interior do tubo começa a emitir uma leve incandescência. Posteriormente, a pressão no tubo diminui e a incandescência desaparece gradualmente.
O vidro na extremidade do tubo com o ânodo começa a emitir uma incandescência esverdeada. Se um tubo de Crookes especial contendo uma amostra de sulfeto de zinco for operado como descrito anteriormente, o lado da amostra voltado para o cátodo emite uma incandescência fosforescente brilhante e uma sombra da amostra pode ser vista no ânodo no final do tubo.
O sulfeto de zinco é uma substância que emite luz quando bombardeado com partículas de alta energia.
Portanto, a baixas pressões, é evidente que alguma coisa deixa o cátodo e viaja para o ânodo. Originalmente pensou-se que se tratava de um raio, semelhante a um raio de luz, que foi denominado raio catódico .
O raio catódico é formado por um feixe de minúsculas partículas, e cada vez que uma partícula individual bate na superfície do sulfeto de zinco, um flash de luz é emitido.
Além disso, é necessário que as partículas viajem em linha reta, pois se elas pudessem seguir vários caminhos em torno da amostra, a sombra na extremidade do tubo seria indefinida. A incandescência emitida pelo gás no interior do tubo a pressões intermediárias resulta da colisão entre as partículas em movimento e as moléculas do gás.
A baixas pressões, a concentração de moléculas de gás é muito baixa para produzir luz visível, e sob essas condições muitas partículas atingem o vidro no ânodo, causando incandescência na extremidade do tubo. Essas partículas receberam o nome de elétrons .
Os experimentos de Milikan e Goldstein
Em 1908, o físico americano Robert Milikan realizou um experimento clássico, através do qual conseguiu determinar que a carga elétrica mínima existente é de -1,6 x 10-19 C, isto é, a carga de um elétron. Também calculou a massa do um elétron, que é de 9,1 x 10-28 g.
Em 1886, o físico alemão E. Goldstein usou um tubo Crookes modificado para produzir um novo tipo de raio, carregado positivamente. Chamou-o de raio canal, e pela observação da direção da deflexão do raio canal em um campo elétrico ou magnético, provou que o raio consistia em partículas carregadas positivamente, e que a carga mínima era de +1,6 x 10 -19 C.
Também verificou quem a massa dessas partículas eram muito maiores que a dos elétrons. Essas observações nos dizem que os átomos são formados por partículas carregadas positivamente e partículas carregadas negativamente.
A soma das cargas positivas em uma molécula ou em um átomo normais precisa ser idêntica à soma das cargas negativas; assim, a molécula ou átomo não carrega carga líquida.
Quando uma molécula ou um átomo perde um ou mais de seus elétrons, adquire uma carga líquida positiva igual ao número de elétrons perdidos, porque agora a soma das cargas positivas é maior do que a de cargas negativas.
A partícula resultante é chamada íon positivo ou cátion, e sua carga é indicada em modo sobrescrito. Ex: Na+, Ca2+ etc. Da mesma maneira, uma molécula ou átomo que ganha um ou mais elétrons adquire carga líquida negativa, sendo chamado íon negativo ou ânion. Ex: Cl –, O 2- etc.
