Fundamentos da Química Quântica e Estrutura Atômica

Ondas e Radiação Eletromagnética

Conceitos Fundamentais de Ondas

• Onda: É uma perturbação vibracional com transmissão de energia.
• Comprimento de Onda (λ): É a distância entre pontos elevados (picos) de uma onda.
• Amplitude: É a altura máxima de uma onda.
• Frequência (ν): É o número de ondas que passam por um ponto em uma certa unidade de tempo.

As unidades de comprimento de onda geralmente são expressas em metros, centímetros ou nanômetros (nm).

O Espectro Eletromagnético

O espectro inclui:

• Ondas de rádio
• Micro-ondas
• Infravermelho
• Luz visível
• Ultravioleta
• Raios X
• Raios Gama

A região da luz visível encontra-se na faixa de comprimento de onda de 400 nm a 700 nm (entre o violeta e o vermelho).

Introdução à Teoria Quântica

A Hipótese de Planck e o Quantum

A física clássica considerava que átomos e moléculas podiam emitir ou absorver qualquer quantidade arbitrária de energia radiante. Planck sugeriu que os átomos podiam emitir ou absorver energias em quantidades discretas.

• Quantum: É a menor quantidade de energia que pode ser emitida ou absorvida na forma de radiação eletromagnética.
• Constante de Planck (h): 6,63 x 10⁻³⁴ J·s.

Efeito Fotoelétrico e Fótons

O Efeito Fotoelétrico é um fenômeno em que elétrons são expelidos da superfície de certos metais expostos a uma luz de determinada frequência mínima, chamada frequência limite.

Fóton: É o feixe de partícula de luz (ou a partícula elementar da luz).

Espectros de Emissão e Níveis de Energia

Tipos de Espectros

Espectros de Emissão são espectros contínuos ou espectros de linha da radiação emitida pelas substâncias.

• Espectro Contínuo: Todos os comprimentos de onda da luz visível estão representados.
• Espectro de Linha: Corresponde à emissão de luz apenas em comprimentos de onda específicos.

Os espectros são importantes para que as substâncias possam ser identificadas e para determinar a quantidade de cada elemento presente em uma amostra.

Estados Eletrônicos

• Estado Fundamental: Ocorre quando um átomo possui seus elétrons nos níveis de energia mais próximos ao núcleo.
• Estado Excitado: Ocorre quando o elétron está mais distante do núcleo. Sendo assim, o valor de sua energia é menos negativo (mais alto).
• Nível de Energia: É o estado quântico cuja energia está definida ao longo do tempo.

Dualidade Onda-Partícula e Incerteza

A Dualidade Onda-Partícula significa que o elétron se comporta simultaneamente como onda e como partícula.

Princípio da Incerteza de Heisenberg

É impossível determinar ao mesmo tempo e com certeza o momento linear (produto da massa pela velocidade) e a posição de uma partícula. Em outras palavras, para medir com precisão o momento de uma partícula, é preciso contentar-se com uma medida menos precisa de sua posição, e vice-versa.

Função de Onda (Ψ)

A função de onda (Ψ) incorpora tanto o comportamento corpuscular (em termos de massa) quanto o comportamento ondulatório (em termos de função de onda psi), a qual depende da localização espacial do sistema (tal como um elétron em um átomo).

Números Quânticos e Configuração Eletrônica

Os Quatro Números Quânticos

1. Número Quântico Principal (n)
2. Número Quântico de Momento Angular (l)
3. Número Quântico Magnético (m_l)
4. Número Quântico de Spin Eletrônico (m_s)

Regras de Preenchimento de Orbitais

A Configuração Eletrônica mostra a maneira na qual os elétrons são distribuídos em vários orbitais de um átomo.

• Princípio de Exclusão de Pauli: Pode haver no máximo dois elétrons em um único orbital, e estes seriam preenchidos em ordem crescente de energia.
• Regra de Hund: Os elétrons ocupam individualmente os orbitais degenerados (com a mesma energia) até a máxima extensão possível, mantendo o spin paralelo.

Estabilidade e Propriedades Magnéticas

Paramagnéticas: São substâncias que contêm spin desemparelhado e são atraídas por um ímã.

A maior estabilidade é observada em subcamadas semipreenchidas (ex: 3d⁵) e completamente preenchidas (ex: 3d¹⁰).

Da mesma maneira que os prótons são gradualmente adicionados ao núcleo, os elétrons são gradualmente adicionados aos orbitais atômicos para formar os elementos (Princípio de Aufbau).