História e Modelos do Átomo — Estrutura Atômica

1. Átomo — definição e origem

Átomo, a menor unidade possível de um elemento químico. Na filosofia da Grécia antiga, a palavra "átomo" provém do grego e significa "não divisível". Naquele período, o termo era usado para referir-se à menor porção concebível da matéria. A ideia fundamental era que essa "partícula" era indestrutível. O conhecimento sobre a dimensão e a natureza do átomo evoluiu muito lentamente ao longo dos séculos; por muito tempo as pessoas apenas especularam sobre o assunto.

Com o advento da ciência experimental nos séculos XVI e XVII, o progresso na teoria atômica tornou-se mais rápido. Químicos logo perceberam que líquidos, gases e sólidos podiam ser decompostos em seus constituintes últimos, ou elementos.

1.1. O átomo na Grécia antiga

Os filósofos gregos antigos argumentaram muito sobre a natureza da matéria e concluíram que o mundo era mais simples do que parecia. Algumas ideias importantes:

• Leucipo e Demócrito (séc. V a.C.): Leucipo alegou que a matéria poderia ser dividida em partes cada vez menores até chegar a uma peça que não poderia ser cortada mais. Demócrito chamou essas partes de "átomos" (sem divisão). A filosofia atomística de Leucipo e Demócrito resumiu-se em: 1. os átomos são eternos, indivisíveis, homogêneos e invisíveis; 2. os átomos diferem pelo tamanho e forma; 3. as propriedades da matéria variam conforme o agrupamento dos átomos.
• Empédocles (séc. IV a.C.): postulou que a matéria era composta por quatro elementos: terra, ar, água e fogo.
• Aristóteles: também defendia que a matéria era formada por esses quatro elementos e negou a ideia de átomos; essa visão prevaleceu até muitos séculos depois.

1.2. A teoria atômica de Dalton

No início do século XIX, estudaram-se como os diversos elementos se combinam para formar compostos químicos. Embora muitos cientistas, desde os gregos, tivessem afirmado que a menor unidade de uma substância era um átomo, John Dalton é considerado uma figura central da teoria atômica porque transformou essas ideias em algo quantitativo.

Dalton mostrou que os átomos se unem em proporções definidas e tendem a formar grupos chamados moléculas. Afirmações da teoria de Dalton:

• Os elementos são formados por partículas minúsculas chamadas átomos, consideradas indivisíveis e imutáveis.
• Os átomos do mesmo elemento são todos iguais entre si em massa, tamanho e outras propriedades; por outro lado, átomos de elementos diferentes têm massas e propriedades diferentes.
• Os compostos formam-se pela união de átomos de elementos diferentes em uma relação numérica simples e constante.

Definições segundo a teoria atômica de Dalton:

• Átomo: a menor partícula de um elemento que conserva suas propriedades.
• Elemento: uma substância pura formada por átomos iguais.
• Composto: substância composta de átomos diferentes combinados em uma relação numérica simples e constante.
• Em 1808, John Dalton publicou sua teoria atômica, incorporando ideias antigas de Leucipo e Demócrito.

2. O átomo é divisível

Uma vez aceita a teoria atômica da matéria, fenômenos de eletrificação e eletrólise revelaram a natureza elétrica da matéria e mostraram que o átomo era divisível, ou seja, que consistia em partículas fundamentais menores.

Os fenômenos elétricos são uma manifestação da carga elétrica. A unidade de carga elétrica no SI é o coulomb (C). Existem dois tipos de carga elétrica: positiva e negativa. Dois corpos que adquiram cargas do mesmo tipo se repelem, enquanto corpos com cargas de tipos diferentes se atraem. A matéria é, em geral, eletricamente neutra, ou seja, apresenta a mesma quantidade de cada tipo de carga; quando ela assume uma carga líquida é porque há um excesso de cargas de um tipo.

No final do século XIX e início do século XX, uma série de experimentos ajudaram a identificar as partículas responsáveis pela carga negativa (o elétron) e pela carga positiva (o próton). Esses estudos forneceram os seguintes dados sobre a estrutura da matéria:

• O átomo contém partículas subatômicas.
• Os elétrons têm carga elétrica negativa e massa; cada elétron possui uma carga elétrica elementar.
• Os prótons têm carga elétrica positiva e massa maior que a do elétron.
• Como o átomo é eletricamente neutro, o número de cargas negativas (elétrons) deve ser igual ao número de cargas positivas (prótons).

3.1. Modelo atômico de Thomson

Em 1904, o físico inglês J. J. Thomson propôs um modelo no qual a maior parte da massa do átomo correspondia a uma carga positiva distribuída por todo o volume atômico, com elétrons embutidos nesse meio (imagem conhecida como "pudim de passas").

Esse modelo ajudava a explicar fenômenos como:

• Eletrificação: excesso ou deficiência de elétrons em um corpo, responsável por sua carga elétrica negativa ou positiva.
• Formação de íons: um íon é um átomo que ganhou ou perdeu elétrons. Se ganha elétrons tem carga líquida negativa e é chamado ânion; se perde elétrons tem carga líquida positiva e é chamado cátion.

3.2. Modelo de Rutherford

O modelo de Thomson foi amplamente aceito até que, em 1911, o químico e físico inglês Ernest Rutherford e seus colegas realizaram a "Experiência de Rutherford" (experimento da lâmina de ouro). No experimento, uma fina folha de ouro foi bombardeada com partículas alfa (positivas) provenientes de um material radioativo, e observou-se que:

• A maioria das partículas alfa passou pela folha sem desviar significativamente de sua trajetória.
• Algumas partículas alfa desviaram consideravelmente.
• Poucas partículas alfa voltaram na direção da fonte de emissão.

Com base nesses resultados, o modelo nuclear de Rutherford estabeleceu que:

• O átomo possui um núcleo central onde está concentrada a carga positiva e quase toda a massa.
• A carga positiva dos prótons no núcleo é compensada pela carga negativa dos elétrons fora do núcleo.
• O núcleo contém prótons em número igual ao de elétrons do átomo, garantindo neutralidade elétrica.
• Os elétrons movem-se em altas velocidades ao redor do núcleo e estão separados dele por grande distância relativa.

3.3. Descoberta dos nêutrons

Observou-se que a soma das massas de prótons, nêutrons e elétrons não coincidia exatamente com a massa total do átomo, o que levou à hipótese de outras partículas no núcleo. Essas partículas foram descobertas em 1933 por J. Chadwick e, por não possuírem carga elétrica, foram chamadas nêutrons. Os nêutrons têm massa ligeiramente maior que a do próton.

3.4. Estrutura segundo esse modelo

• O átomo é composto por um núcleo central onde a carga total é positiva (prótons) e concentra a maior parte da massa (prótons e nêutrons).
• Uma zona externa ou camada onde estão os elétrons que orbitam o núcleo. Há o mesmo número de elétrons na camada externa quantos prótons no núcleo, de modo que o átomo inteiro é eletricamente neutro.

4. Identificação dos átomos

Os átomos são identificados pelo número de prótons no núcleo, que é característico de cada elemento.

• Número atômico (Z): o número de prótons em um átomo; é representado pela letra Z e costuma ser escrito como um subscrito à esquerda do símbolo do elemento: ZX.
• Número de massa (A): a soma do número de prótons e do número de nêutrons em um átomo; é representado pela letra A e é escrito como um sobrescrito à esquerda do símbolo do elemento: AX.

Para íons:

• Se um cátion perdeu elétrons, subtrai-se do número de elétrons a quantidade indicada pela carga positiva.
• Se um ânion ganhou elétrons, soma-se ao número de elétrons a quantidade indicada pela carga negativa.

4.1. Isótopos

No início do século XX descobriu-se que nem todos os átomos do mesmo elemento têm a mesma massa: o número de nêutrons pode variar entre átomos do mesmo elemento. Isótopos são átomos do mesmo elemento que têm o mesmo número atômico (prótons) e diferentes números de massa (nêutrons).

5. Massa atômica

A massa atômica relativa de um elemento corresponde à massa de um de seus átomos e é quase igual à soma das massas dos prótons e nêutrons, uma vez que a massa do elétron é tão pequena que pode ser negligenciada. Assim, a maior parte da massa do átomo está no núcleo. A massa de um átomo em comparação com a massa do carbono-12 é chamada de massa atômica relativa, e esse valor é apresentado nas tabelas periódicas para cada elemento.

6. Novos fatos — limitações do modelo de Rutherford

O modelo atômico de Rutherford não conseguiu explicar certos fatos experimentais:

• Segundo a física clássica, a carga negativa do elétron em movimento deveria perder energia e, gradualmente, cairia sobre o núcleo, tornando os átomos instáveis; isso não ocorre na prática.
• A luz visível, ao passar por um prisma, é decomposta em um espectro contínuo. No entanto, a luz emitida por átomos de elementos apresenta um espectro descontínuo (linhas espectrais). O fato de que cada átomo tem um espectro diferente indica que as linhas descontínuas estão relacionadas com a sua estrutura interna, o que não podia ser explicado pelo modelo de Rutherford.

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