Estrutura do átomo

Três partículas, três funções diferentes

Um átomo neutro tem o mesmo número de eletrões e protões. Alterar o número de eletrões produz um ião; alterar o de neutrões produz um isótopo; alterar o de protões produz um elemento diferente.

Número atómico, número de massa e notação isotópica

O número atómico Z é o número de protões. O número de massa A conta protões e neutrões; assim, o número de neutrões é N = A − Z.

A massa atómica indicada na tabela periódica não é geralmente um número inteiro, porque corresponde a uma média ponderada dos isótopos naturais e não ao número de massa de um átomo específico.

De Rutherford ao átomo quântico

A dispersão de Rutherford estabeleceu a existência do núcleo, mas um eletrão clássico em órbita de um núcleo positivo radiaria energia e acabaria por colapsar sobre ele. Bohr introduziu níveis de energia discretos para o hidrogénio; a mecânica quântica substituiu órbitas fixas por funções de onda e orbitais.

Um orbital não é uma trajetória. É um estado quântico cuja função de onda determina uma distribuição de probabilidade para encontrar um eletrão. As camadas e subcamadas organizam estes estados de acordo com os números quânticos e a energia.

Esta distinção é essencial: as tendências químicas — ligação, ionização, tamanho, espetros — resultam das energias e distribuições espaciais dos eletrões, e não de partículas a circular em torno do núcleo como planetas.

Constrói um átomo: balanço de carga e massa

A ferramenta separa deliberadamente as três contagens. A identidade nuclear depende do número de protões; a carga depende do desequilíbrio entre protões e eletrões.

Escalas, forças e coesão do átomo

Os eletrões estão ligados ao núcleo por atração eletromagnética. No interior do núcleo, os protões repelem-se eletricamente, mas a distâncias nucleares a interação forte consegue manter protões e neutrões ligados.

As duas escalas não devem ser confundidas: a química reorganiza sobretudo eletrões e envolve tipicamente energias da ordem de eletrão-volts por partícula; as reações nucleares alteram o núcleo e podem libertar, por evento, energias milhões de vezes maiores.

Até a expressão «tamanho de um átomo» exige cuidado. A densidade eletrónica não possui uma fronteira nítida; por isso, os raios atómicos são inferidos a partir das distâncias entre átomos em moléculas ou sólidos.

Evidências que construíram o modelo atómico moderno

O modelo mudou porque as experiências excluíram representações anteriores. Um diagrama atómico cientificamente útil deve, portanto, ser interpretado como um modelo ligado a evidências específicas, e não como uma fotografia literal.

Massa, isótopos e escala das massas atómicas

As massas do protão e do neutrão são próximas de 1 unidade de massa atómica unificada, enquanto um eletrão contribui apenas com cerca de 0,00055 u. Por isso, o número de massa A é uma boa contagem inteira de nucleões, mas não corresponde a uma massa atómica exata.

A ligação nuclear também altera a massa. Um núcleo ligado tem uma massa ligeiramente menor do que a soma dos seus protões e neutrões separados; a diferença de massa corresponde à energia de ligação através de E = mc². As massas atómicas usadas em química referem-se ainda a átomos neutros e incluem as massas dos eletrões.

O valor apresentado na tabela periódica é normalmente uma média ponderada pelas abundâncias isotópicas. No cloro, os isótopos naturais ³⁵Cl e ³⁷Cl originam uma média próxima de 35,45 u. Nenhum átomo comum de cloro possui «35,45 nucleões».

Posição, probabilidade e nuvem eletrónica

A mecânica quântica não atribui a um eletrão uma órbita clássica com posição e velocidade conhecidas em cada instante. Uma função de onda descreve o estado e |ψ|² fornece uma densidade de probabilidade para medições de posição.

Os desenhos de orbitais costumam delimitar uma fração escolhida — frequentemente cerca de 90 % — da probabilidade. A fronteira é, por isso, uma convenção de visualização: a densidade eletrónica estende-se para além da superfície desenhada.

O princípio da incerteza vai além de uma técnica de medição imperfeita: os estados quânticos não podem possuir simultaneamente posição e quantidade de movimento arbitrariamente precisas. Esta é uma das razões pelas quais a imagem de órbitas planetárias acaba por falhar.

Exercícios

Ião magnésio

²⁴Mg²⁺ tem Z = 12. Determina o número de protões, neutrões e eletrões.

Isótopo ou ião?

Dois átomos têm 17 protões; um possui 18 neutrões e o outro 20. Qual é a relação entre eles?

Evidência de Rutherford

Que observação exclui uma carga positiva distribuída uniformemente?