Física e Química A: Átomo de Hidrogénio e Estrutura Atómica

Modelos Atómicos

O modelo de Bohr:

- Modelo baseado no sistema solar.

- Introdução da noção de órbita.

- Noção de estado estacionário.

- Energia de cada estado dada pela seguinte expressão.

- Consegue explicar as principais riscas de emissão e absorção do átomo de hidrogénio

- Só e válido para partículas mono-electrónicas.

- É baseado em postulados.

- Não explica o facto de algumas das riscas dos espectros se desdobrarem.

Excitação e Desexcitação dos Electrões

Excitação - o átomo absorve energia e o electrão passa para um nível (órbita) de energia superior, ficando num estado excitado (de maior energia).

Desexcitação - Quando um electrão transita de um nível (orbita) de energia superior, mais externa, para uma orbita mais interna, emite energia, ocorre desexcitação.

Emissão da Radiação - Transições Descendentes

Durante a desexcitação, emite um fotão que vai dar origem aos espectros de riscas.

Espectro de Emissão de Riscas - surge quando os electrões de uma amostra de substância, previamente excitada, “regressam” para níveis de energia mais baixos, ou seja, cada risca do espectro surge devido à transição do electrão de um nível de energia para outro de menor energia, com emissão de radiação.

Espectro de Absorção de Riscas - surge quando a radiação, ou parte dela, é absorvida por materiais entre a fonte luminosa e o observador. No espectro de luz branca vão faltar essas radiações absorvidas, ficando no seu lugar riscas pretas, que são falhas de luz.

Porque é que os espectros atómicos, como por exemplo, o de hidrogénio, é descontínuo?

A energia não é absorvida nem emitida de forma contínua mas sim por “pacotes” múltiplos de uma quantidade mínima à qual designamos quantum de energia, ou seja, só alguns valores ou estados de energia são permitidos para o electrão no átomo. A energia do electrão no átomo de hidrogénio está quantificada ou quantizada.

Ao analisar o espectro de emissão do átomo de hidrogénio, só aparecem determinadas riscas, isto é, só são emitidas pelo átomo determinadas radiações.

Então, dentro do átomo, o electrão só pode ter certas energias e não todas.

Só alguns estados de energia são permitidos para o electrão no átomo - chamados estados estacionarios de energia.
O estado estacionário de menor energia (n=1) é denominado estado fundamental.
Os estados estacionários de energias superiores ao estado fundamental (n >1) são chamados de estados excitados.

Energia do electrão dentro do átomo de hidrogénio

Quando o electrão está numa zona infinitamente afastada do núcleo, não havendo interacção entre o núcleo e o electrão, diz-se que este tem energia igual a zero.

Se n = ∞ --> E = 0

Logo:

As energias dos níveis inferiores têm que ser negativas. --> A energia do electrão dentro do átomo é negativo.

Como calcular os valores de energia do electrão para cada nível do átomo de hidrogénio?

São várias as transições possíveis para o electrão do átomo de hidrogénio quando este absorve energia.
A transição limite – corresponde à situação em que a energia da radiação incidente é igual à energia de remoção do electrão.
O electrão é extraído do átomo sem energia cinética, ficando ionizado, transformando-se num ião H+.
O electrão transita para o estado infinito (n = ∞).
O valor de energia envolvido numa transição do electrão de um nível para outro (ΔE), pode ser determinado pela diferença entre as energias dos níveis superior (m) e inferior (n).

∆E = Em – En =>; nas duas situações, a energia da radiação absorvida é igual à emitida, se os níveis m e n forem iguais nas duas transições.

A energia mínima necessária para remover o electrão do átomo de hidrogénio, no estado fundamental, tem o valor de 2,18E-18 J.

Conhecendo a energia de remoção, podemos calcular a energia correspondente ao estado fundamental, para o electrão do átomo de hidrogénio.

∆E = E ∞ - E1
2,18 E-18 = 0 - E1
E1 = - 2,18E-18 J

( E=×10, exponencial)

A energia do electrão no átomo é simétrica da energia de remoção correspondente.

E.electrão no átomo = - E.remoção

Conhecido o valor de energia para o nível n = 1, é possível calcular as energias correspondentes aos estados n = 2, n = 3, etc…, utilizando os valores das energias das diferentes transições electrónicas, que são obtidas através do espectro de riscas do hidrogénio.

Series Espectrais do Átomo de Hidrogénio

Os electrões de um conjunto de átomos de hidrogénio podem transitar para estados excitados, absorvendo energia através de vários processos.
Ao regressarem a estados de energia mais baixos emitem energia sob a forma de radiação electromagnética, dando origem às riscas que se observam no espectro de emissão do átomo de hidrogénio.

Quando um electrão de um átomo num dado estado de energia é excitado a um nível de energia superior pode, em seguida, libertar energia por um (A) ou mais passos (B e C).
Um estudo mais pormenorizado dos espectros atómicos de emissão do átomo de hidrogénio, revelou a existência de mais riscas espectrais além das visíveis.
Há um conjunto de riscas na zona do ultravioleta (UV) e outros conjuntos na zona do infravermelho (IV).
As radiações ultravioletas correspondem a transições dos electrões de estados excitados, n > 1, para o estado fundamental – nível 1. O conjunto dessas radiações constitui a série de Lyman.
As radiações visíveis correspondem a transições dos electrões de estados excitados, n > 2, para o nível 2. O conjunto dessas radiações constitui a série de Balmer.
As radiações infravermelhas correspondem a transições dos electrões de estados excitados, n > 3 para o nível 3; n > 4 para o nível 4, etc. O conjunto das radiações infravermelhas (IV) correspondentes à transição de n > 3 para o nível 3 constitui a série de Paschen.
O conjunto das radiações infravermelhas correspondentes às transmissões para os níveis 4 e 5, constituem, respectivamente, as séries de Brackett e Pfund.

Diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogénio e algumas séries do espectro de emissão (figura seguinte):