Atomística

Atomística é a área da Química que estuda a estrutura, as propriedades, as semelhanças e os modelos de representação do átomo.
Representação gráfica de um átomo fazendo alusão à atomística, área da Química que estuda o átomo.
Representação gráfica de um átomo, o objeto de estudo da atomística.

A atomística é a área da Química que estuda o átomo. O átomo é a unidade fundamental de construção da matéria. A atomística engloba o entendimento da estrutura atômica e das partículas que formam o átomo bem como as propriedades e características dele. As semelhanças entre átomos e os modelos atômicos que serviram como base para o entendimento da matéria também são objeto de estudo da atomística.

Leia também: Físico-química — o campo de estudo da Química que estuda os fenômenos observados nas reações químicas

Resumo sobre atomística

  • A atomística é o campo da química que se dedica ao estudo do átomo.

  • Átomo é a unidade mínima de construção da matéria.

  • A estrutura do átomo, sua representação e a evolução dos modelos atômicos são objetos de estudo da atomística.

  • A atomística também engloba a compreensão das propriedades, características e semelhanças atômicas.

O que é e o que estuda a atomística?

Atomística é a área da Química que se dedica ao estudo dos átomos, abordando sua estrutura microscópica, suas características e propriedades, seus modelos de representação e suas notações.

O que é átomo?

Átomos são as unidades estruturais fundamentais que constituem a matéria e são a mínima unidade em que um elemento químico conserva sua identidade e suas propriedades. A união de diversos átomos forma as moléculas e a união de diversas moléculas forma a matéria como a percebemos, existindo nos estados sólido, líquido e gasoso.

Ilustração representando como os átomos, os objetos de estudo da atomística, formam a matéria.
 Representação simplificada de como os átomos formam a matéria.

Átomos também podem ser definidos como a menor unidade de divisão da matéria, sem que sejam geradas partículas eletricamente carregadas.

Possuindo dimensão na escala de angstrom, ou seja, próximo a 10-10 m, os átomos não podem ser visualizados a olho nu, e, por isso, foram sendo desenvolvidas teorias ― conhecidas como modelos atômicos ― para explicar a constituição da matéria e sua estrutura. Inicialmente, defendia-se que o átomo era indivisível. Com a evolução do conhecimento científico, no entanto, os modelos mais recentes tratam da divisibilidade do átomo e da existência de estruturas subatômicas.

Estrutura do átomo

Os modelos atômicos mais recentes apresentam o átomo formado por três partículas subatômicas: próton, nêutron e elétron. Tais partículas são divididas em duas regiões: núcleo e eletrosfera.

O núcleo forma a região central do átomo, sendo pequeno, denso e de caráter elétrico positivo, comportando prótons e nêutrons. Em torno do núcleo, existe uma grande região em que se encontram os elétrons conhecida como eletrosfera. Como os elétrons possuem carga elétrica negativa, a eletrosfera possui densidade de carga negativa.

Estrutura do átomo, objeto de estudo da atomística, de acordo com o modelo atômico de Rutherford.
 Estrutura do átomo de acordo com o modelo atômico de Rutherford.

As partículas subatômicas se diferenciam pela carga elétrica e pela massa. As especificações para cada tipo de partícula são descritas na tabela abaixo:

Principais propriedades de prótons, nêutrons e elétrons

Partícula fundamental

Símbolo

Massa aproximada/kg

Massa relativa

Carga elétrica

Próton

p+

1,6 x 10-27

1

+1

Nêutron

n0

1,6 x 10-27

1

0

Elétron

e-

9,1 x 10-31

1/1836

-1

Importante: Estudos mais recentes comprovam a existência de outras partículas subatômicas fundamentais, como glúons, quarks, neutrinos, entre outras. Tais espécies possuem a função de contribuir para a estabilidade energética do átomo.

Características do átomo

A identidade de um átomo é definida pelo seu número atômico. No entanto, outras características também são importantes, como número de massa, tamanho e estabilidade nuclear.

→ Número atômico (Z)

Representado pela letra Z, o número atômico se refere à quantidade de prótons no núcleo do átomo. Átomos com idêntica quantidade de prótons pertencem ao mesmo elemento químico, por isso se diz que o número atômico é a identidade de um átomo. Os elementos são ordenados em sentido crescente de número atômico na Tabela Periódica.

→ Número de massa (A)

Representado pela letra A, o número de massa indica a quantidade de partículas subatômicas presentes no núcleo atômico, ou seja, o número de massa é a somatória entre prótons e nêutrons e fornece a massa atômica do átomo. Como os elétrons possuem valor de massa extremamente reduzido, não chegam a contribuir efetivamente para a massa do átomo. O número de massa é a propriedade que diferencia os isótopos de um mesmo elemento químico.

É comum a representação de átomos com o símbolo do elemento químico associado e a indicação do número de massa à esquerda acima e do número atômico à esquerda abaixo.

Representação do símbolo, do número de massa e do número atômico de um átomo, o objeto de estudo da atomística.
Representação do símbolo, do número de massa e do número atômico de um átomo.

→ Tamanho

O tamanho de um átomo tem relação com o número atômico e é estimado pelo raio atômico, que é a distância entre o núcleo e a camada de valência (última camada da eletrosfera que acomoda elétrons).

A eletrosfera não costuma ter sua dimensão determinada com precisão. Assim, o raio atômico é determinado como a distância entre os núcleos de dois átomos ligados entre si. Nesse caso, o raio atômico é a metade da distância entre os núcleos.

Ilustração representando como a distância entre dois núcleos é usada para determinar o raio atômico, estudado na atomística.
A distância entre dois núcleos é usada para determinar o raio atômico.

→ Estabilidade nuclear

A estabilidade nuclear se refere à tendência de o átomo sofrer o fenômeno de decaimento radioativo, um processo natural de transformação de átomos instáveis em átomos de maior estabilidade. Isso acontece pela alteração do núcleo atômico por meio da emissão de partículas e de radiação eletromagnética.

Um átomo é instável quando possui um raio atômico relativamente grande, no entanto, as forças de coesão entre prótons e nêutrons não são suficientes para mantê-los unidos, e acaba ocorrendo o decaimento.

 Ilustração representando o processo de decaimento radioativo a partir de um núcleo atômico estável, estudado na atomística.
 Processo de decaimento radioativo a partir de um núcleo atômico estável.

Acesse também: Química Orgânica — campo da Química que estuda as características dos compostos orgânicos

Semelhança atômica ou semelhança entre átomos

Como os átomos são formados por diferentes partículas subatômicas, podem ocorrer algumas semelhanças de composição, como igualdade do número de prótons, de nêutrons e de elétrons.

Existem quatro tipos de semelhança entre átomos, denominadas isótopos, isóbaros, isótonos e isoeletrônicos.

→ Isótopos 

Os isótopos são o grupo de átomos do mesmo elemento químico (igual quantidade de prótons) que possuem diferentes números de nêutrons. Veja o exemplo para os isótopos do elemento oxigênio:

Grupo de isótopos para o oxigênio (O)

Representação

Número atômico = número de prótons

Número de massa = prótons + nêutrons

Número de nêutrons

\(\mathbf{_8^{16}O}\)

8

16

8

\(\mathbf{_8^{17}O}\)

8

17

9

\(\mathbf{_8^{18}O}\)

8

18

10

Note que cada um dos isótopos possui massas atômicas distintas em razão das diferentes quantidades de nêutrons. Assim, a determinação da massa relativa de um átomo é realizada considerando-se a média ponderada entre a abundância natural de cada isótopo.

→ Isóbaros 

Os isóbaros são o grupo de átomos pertencentes a diferentes elementos químicos (número atômico diferente) e que se assemelham pelo número de massa.

Conjunto de isóbaros entre cálcio (Ca), escândio (Sc) e titânio (Ti)

Representação

Número atômico = número de prótons

Número de massa = prótons + nêutrons

Número de nêutrons

\(\mathbf{_{20}^{42}Ca}\)

20

42

22

\(\mathbf{_{21}^{42}Ca}\)

21

42

21

\(\mathbf{_{22}^{42}Ca}\)

22

42

20

→ Isótonos

Os isótonos são os grupos de átomos que se assemelham unicamente pela quantidade de nêutrons, possuindo diferentes números atômicos e números de massa.

Conjunto de isótonos entre magnésio (Mg) e silício (Si)

Representação

Número atômico = número de prótons

Número de massa = prótons + nêutrons

Número de nêutrons

\(\mathbf{_{12}^{26}Mg}\)

26

12

14

\(\mathbf{_{14}^{28}Si}\)

28

14

14

→ Isoeletrônicos

Átomos isoeletrônicos possuem idêntica quantidade de elétrons e são pertencentes a diferentes elementos químicos. Ocorrem mediante ganho ou doação de elétrons, deixando a característica natural dos átomos de eletroneutralidade e assumindo o caráter de íons, passando a possuir carga elétrica positiva ou negativa.

Conjunto de espécies isoeletrônicas entre argônio (Ar) e os íons potássio (K+) e cálcio (Ca2+)

Representação

Número atômico = número de prótons

Número de massa = prótons + nêutrons

Número de elétrons

\(\mathbf{_{18}^{40}Ar}\)

18

40

18

\(\mathbf{_{19}^{39}K^+}\)

19

39

18

\(\mathbf{_{20}^{40}Ca^{2+}}\)

20

40

18

Atomística no Enem

Veja na sequência como o assunto de atomística já foi cobrado no Enem.

  • Questão 1

Os núcleos dos átomos são constituídos de prótons e nêutrons, sendo ambos os principais responsáveis pela sua massa. Nota-se que, na maioria dos núcleos, essas partículas não estão presentes na mesma proporção. O gráfico mostra a quantidade de nêutrons (N) em função da quantidade de prótons (Z) para os núcleos estáveis conhecidos

Gráfico mostrando a quantidade de nêutrons em função da quantidade de prótons em uma questão do Enem sobre atomística.

O antimônio é um elemento químico que possui 50 prótons e vários isótopos ― átomos que só se diferem pelo número de nêutrons. De acordo com o gráfico, os isótopos estáveis do antimônio possuem

A) entre 12 e 24 nêutrons a menos que o número de prótons.

B) exatamente o mesmo número de prótons e nêutrons.

C) entre 0 e 12 nêutrons a mais que o número de prótons.

D) entre 12 e 24 nêutrons a mais que o número de prótons.

E) entre 0 e 12 nêutrons a menos que o número de prótons.

Análise e resolução:

Alternativa D

Além dos conceitos de atomística, para esse exercício, é importante analisar o gráfico fornecido, que apresenta número de prótons no eixo x e número de nêutrons no eixo y. A linha pontilhada indica os núcleos estáveis para cada elemento químico.

O exercício informa que o antimônio possui 50 prótons. Extrapolando para a linha pontilhada e para o eixo y, identifica-se que as espécies estáveis de antimônio possuem de 62 a 74 nêutrons, portanto, possuem entre 12 e 24 nêutrons a mais que o número de prótons.

  • Questão 2

Em 1808, Dalton publicou o seu famoso livro, intitulado Um novo sistema de filosofia química (do original A New System of Chemical Philosophy), no qual há os cinco postulados que serviram como alicerce da primeira teoria atômica da matéria fundamentada no método científico. Esses postulados são numerados a seguir:

1. A matéria é constituída de átomos indivisíveis.

2. Todos os átomos de um dado elemento químico são idênticos em massa e em todas as outras propriedades.

3. Diferentes elementos químicos têm diferentes tipos de átomos; em particular, seus átomos têm diferentes massas.

4. Os átomos são indestrutíveis e nas reações químicas mantêm suas identidades.

5. Átomos de elementos combinam com átomos de outros elementos em proporções de números inteiros pequenos para formar compostos.

Após o modelo de Dalton, outros modelos baseados em outros dados experimentais evidenciaram, entre outras coisas, a natureza elétrica da matéria, a composição e organização do átomo e a quantização da energia no modelo atômico.

OXTOBY, D.W.; GILLIS, H. P.; BUTLER, L. J. Principles of Modern Chemistry. Boston: Cengage Learning, 2012 (adaptado).

Com base no modelo atual que descreve o átomo, qual dos postulados de Dalton ainda é considerado correto?

A) 1

B) 2

C) 3

D) 4

E) 5

Análise e resolução:

Alternativa E

Conhecendo os conceitos principais de reações químicas, seria possível responder à questão. No entanto, conhecendo sobre atomística e utilizando a eliminação, também seria possível respondê-la.

Dentre as afirmações, apenas a de número 5 ainda se mantém válida. Hoje é conhecido que os átomos são divisíveis em partículas subatômicas e são destrutíveis. Também, existem os isótopos, os quais possuem idêntico número atômico e diferentes números de massa, e os isóbaros, que repetem o número de massa, mas são elementos químicos diferentes.

Veja também: Como estudar Química para o Enem?

História da atomística

Desde a Antiguidade, cientistas, filósofos e estudiosos tentam explicar os diversos fenômenos que ocorrem na natureza por meio da observação, da análise com equipamentos e ferramentas da época e da criação de modelos.

O processo de estudo e compreensão da matéria foi baseado na criação de propostas e comparações que explicassem os eventos observados pelos cientistas. Assim, um dos primeiros registros de tentativas de explicação da matéria vem do século V a.C., quando Demócrito e Leucipo propuseram a existência de partículas extremamente pequenas e indivisíveis, de diferentes formatos e características, as quais se combinariam entre si para originar a matéria. Tais partículas receberam o nome de átomos, que, em grego, significa “não divisível”.

Essa hipótese foi abandonada quando Aristóteles moldou a teoria dos quatro elementos, na qual toda a matéria seria formada por água, fogo, ar ou terra. Apenas em 1803, o químico John Dalton resgatou a ideia de partículas e formulou o primeiro modelo atômico, defendendo que o átomo seria semelhante a uma esfera maciça, indivisível e com carga elétrica nula. Esse modelo atômico é conhecido como “bola de bilhar”.

 Bolas de bilhar reunidas sobre uma mesa de bilhar em alusão ao modelo atômico de Dalton, estudado na atomística.
O modelo atômico “bola de bilhar” foi proposto por Dalton.

Com o avanço dos estudos científicos, o modelo atômico foi sendo atualizado. Em 1898, experimentos com raios catódicos, executados pelo físico Joseph J. Thomson, mostraram que os átomos possuíam partículas com carga elétrica, pois sofriam alteração de trajetória ao passarem por placas metálicas carregadas positiva e negativamente.

Desse modo, os estudos de Thomson resultaram no modelo atômico “pudim de passas”, que explicava o átomo como um esfera não maciça e de caráter positivo, com pequenas partículas de carga negativa em sua extensão.

Ilustração representando o modelo atômico “pudim de passas”, proposto por Thomson e estudado na atomística.
Representação do modelo atômico “pudim de passas”, proposto por Thomson.

Em 1911 o físico Ernest Rutherford formulou um novo modelo atômico, com base em seus estudos sobre radioatividade e experimentos com feixes de partículas alfa, ao perceber que esses feixes sofriam desvio de trajetória ao atravessarem uma lâmina de ouro.

Analisando os resultados, o cientista propôs que os átomos seriam formados por uma região central maciça, densa e pequena ― a que denominou núcleo ― que é rodeada por uma área de baixa densidade e grande extensão, habitada por elétrons, denominada eletrosfera. O modelo atômico de Rutherford é conhecido como “sistema planetário” ou “sistema solar”.

Poucos anos depois, em 1913, o modelo de Rutherford foi ampliado pelas contribuições de Niels Bohr. Em seus estudos, Bohr desenvolveu a ideia de que a movimentação dos elétrons em torno do núcleo ocorre em órbitas circulares, com valores exatos de energia, que se comportam como camadas eletrônicas ou níveis de energia. Os elétrons podem se movimentar entre essas camadas por meio de absorção ou liberação de energia eletromagnética.

 Representação do modelo atômico de Bohr, estudado na atomística, para o átomo de oxigênio.
Representação do modelo atômico de Bohr para o átomo de oxigênio.

Nos anos seguintes, a ciência teve importantes avanços, e, com a melhora de equipamentos e ferramentas, outros cientistas fizeram importantes contribuições para a interpretação do átomo.

Arnold Sommerfeld, em 1916, implementou a ideia da existência de subcamadas de energia dentro das camadas da eletrosfera, explicando o perfil de movimentação dos elétrons com base em espectros de emissão dos átomos.

James Chadwick, em 1932, comprovou a existência de nêutrons no núcleo do átomo, explicando fisicamente a possibilidade de aglomeração de partículas de mesma carga elétrica.

Erwin Schrödinger, em 1926, baseado em conceitos de mecânica quântica (desenvolvidos por Louis de Broglie e Werner Heisenberg), descreveu matematicamente a eletrosfera como regiões com diferentes probabilidades de se encontrar elétrons. Schrödinger ainda definiu que essas regiões ocorrem em diferentes geometrias, atualmente conhecidas como orbitais.

A ilustração abaixo representa a evolução dos modelos atômicos ao longo do tempo.

Ilustração representando a evolução dos modelos atômicos, estudados na atomística, ao longo do tempo.
Modelos atômicos são teorias utilizadas para explicar a estrutura do átomo e o comportamento da matéria.

Exercícios resolvidos sobre atomística

Questão 1

(UFU) O átomo é a menor partícula que identifica um elemento químico. Ele possui duas partes, a saber: uma delas é o núcleo, constituído por prótons e nêutrons, e a outra é uma região externa – a eletrosfera –, por onde circulam os elétrons. Alguns experimentos permitiram a descoberta das partículas constituintes do átomo. Em relação a essas características, indique a alternativa correta.

A) Prótons e elétrons possuem massas iguais e cargas elétricas de sinais opostos.

B) Entre as partículas atômicas, os elétrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo.

C) Entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm maior massa e ocupam maior volume no átomo.

D) Entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm mais massa, mas ocupam um volume muito pequeno em relação ao volume total do átomo.

Resolução:

Alternativa D

Item A incorreto. Prótons e elétrons possuem massas diferentes.

Item B incorreto, pois os elétrons têm menor massa.

Item C incorreto. Os prótons e os nêutrons têm maior massa e ocupam menor volume no átomo.

Item D correto. Os prótons e os nêutrons possuem maior massa e ocupam o núcleo, que ocupa um espaço muito pequeno em relação ao volume total do átomo.

Questão 2

(UFRJ) Alguns estudantes de Química, avaliando seus conhecimentos relativos a conceitos básicos para o estudo do átomo, analisam as seguintes afirmativas:

I. Átomos isótopos são aqueles que possuem mesmo número atômico e números de massa diferentes.

II. O número atômico de um elemento corresponde à soma do número de prótons com o de nêutrons.

III. O número de massa de um átomo, em particular, é a soma do número de prótons com o de elétrons.

IV. Átomos isóbaros são aqueles que possuem números atômicos diferentes e mesmo número de massa.

V. Átomos isótonos são aqueles que apresentam números atômicos diferentes, números de massas diferentes e mesmos números de nêutrons.

Esses estudantes concluem, corretamente, que as afirmativas verdadeiras são as indicadas por:

A) I, III e V

B) I, IV e V

C) II e III

D) II, III e V

E) II e V

Resolução:

Alternativa B

Afirmativa II é incorreta, pois o número atômico de um elemento se refere a seu número de prótons.

Afirmativa III é incorreta. O número de massa é a somatória entre prótons e nêutrons

Por Ana Luiza Lorenzen Lima

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por Ana Luiza Lorenzen Lima

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