1 Cristina Vieira da Silva Sala de Estudo Exerccios 4

FSICA E QUMICA A - 10 ANO

Exerccios resolvidos e propostos tomo de hidrognio; Estrutura atmica; Modelo quntico; Tabela Peridica; Organizao e Propriedades

Exerccios resolvidos 1. Na figura est representado o diagrama de energia para o tomo de hidrognio.

1.1. Indica, justificando, em que condies o tomo de hidrognio absorve energia.

O tomo de hidrognio (tal como qualquer tomo) absorve energia quando o seu electro transita para um nvel de energia mais elevado.

1.2. O electro do tomo de hidrognio apresenta, no interior do tomo, uma energia de 5,4510-19 J.

a) Caracteriza o estado de energia do tomo.

O tomo, relativamente ao seu estado de energia, encontra-se ou no estado fundamental ou num estado excitado. Para o tomo de hidrognio, que s tem 1 electro, para que este se encontre no estado fundamental tem de estar no nvel 1. Como se encontra num nvel de energia diferente, encontra-se num estado excitado.

b) Indica em que nvel de energia se encontra o electro.

Pelo diagrama de energia, o electro encontra-se no nvel de energia n=2.

1.3. Quando que o valor da energia pode ser nulo? Justifica.

A energia do electro nula quando ele se encontra fora do alcance do ncleo, isto , a uma distncia infinita do mesmo.

1.4. Calcula a energia que o tomo de hidrognio pode emitir quando o seu electro se encontra no nvel

n=3 e volta o nvel n=1.

Como o electro transita de um nvel de energia superior (n=3) para um nvel de energia inferior (n=1) vai emitir energia, cujo valor ser dado por: E = Ef Ei = E1 E3 = -2,1810-18 (-2,4210-19) = -1,9410-18 J O tomo emite radiao com energia igual a 1,9410-18 J.

2. O tomo de hidrognio encontra-se no 3 estado excitado.

2.1. Indica como se pode excitar o tomo.

Um tomo pode ser excitado fornecendo-lhe energia com um valor exactamente igual diferena de energia entre os nveis. Essa energia pode ser fornecida ou por uma descarga elctrica ou fazendo incidir radiao.

2.2. O electro, quando regressa ao estado fundamental, emite energia. Indica o tipo de radiao que o

tomo pode emitir nestas condies.

O 3 estado excitado corresponde ao nvel n=4: n=1: estado fundamental n=2: 1 estado excitado n=3: 2 estado excitado n=4: 3 estado excitado Ao regressar ao estado fundamental, pode sofrer as seguintes transies:

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n=4 n=3 n=2 n=1 n=4 n=3 n=1 n=4 n=2 n=1 n=4 n=1 IV visvel UV IV UV visvel UV UV Resumindo, pode emitir radiao IV, visvel e UV.

3. Os electres do tomo de ltio so caracterizados pelos seguintes conjuntos de nmeros qunticos:

(1,0,0,+); (1,0,0,-); (2,1,0,+)

3.1. Caracteriza o estado energtico do tomo.

Relembrando, caracterizar o estado energtico de um tomo significa dizer se o tomo se encontra no estado fundamental ou num estado excitado. Vamos analisar os conjuntos de nmeros qunticos e ver a informao que nos do. (1,0,0,+) (1,0,0,-) (2,1,0,+)

n=1 =0 n=1 =0 n=2 =1 orbital 1s orbital 1s orbital 2p tem-se 2 electres na orbital 1s tem-se 1 electro na orbital 2p Como se tem 1 electro na orbital 2p sem que a orbital 2s esteja preenchida, o tomo encontra-se num estado excitado.

3.2. Representa a configurao electrnica do tomo no estado de energia mnima utilizando o diagrama de

caixas.

Trata-se de um tomo com 3 electres, logo, no estado de energia mnima (estado fundamental), a configurao electrnica utilizando o diagrama de caixas, ser:

1s 2s

4. Considera as seguintes configuraes electrnicas, que correspondem aos tomos X, Y e Z, cujas letras no

correspondem aos smbolos qumicos.

X 1s2 2s2 2p3

Y 1s2 2s1 2p6 3s1

Z 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

4.1. Indica um tomo que esteja no estado fundamental.

Tanto X como Y encontram-se no estado fundamental.

4.2. Indica o nmero atmico de cada um dos elementos.

O nmero atmico igual ao nmero de protes e, como se trata de tomos, isto , neutros, o nmero de protes igual ao nmero de electres: basta contar quantos electres tem cada tomo, a partir da configurao electrnica.

7X; 10Y; 20Z

4.3. Indica o nmero de electres de valncia do elemento X.

Os electres de valncia so os electres que se encontram no ltimo nvel de energia, logo:

1s2 2s2 2p3

ltimo nvel de energia: 5 electres de valncia.

4.4. O tomo X tem tendncia a formar os ies X3-. Escreve a configurao electrnica deste io.

Se forma os ies X3- significa que ganha 3 electres, logo:

1s2 2s2 2p6

4.5. Indica o conjunto de nmeros qunticos que caracterizam os electres de valncia do tomo Z.

Os electres de valncia do tomo Z so os electres que se encontram no ltimo nvel de energia, isto , os 2 electres na orbital 4s.

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4s2

n=4 =0 Como so dois electres que esto na mesma orbital, o que os distingue o nmero quntico de spin, que tem de ser diferente: (4,0,0,+) (4,0,0,-)

5. Utilizando a equao de Bohr:

= 2 1 1 1

2

calcula:

5.1. a energia absorvida quando o electro do tomo de hidrognio no estado fundamental transita para o

4 nvel de energia;

Tem-se a transio de n=1 para n=4, logo

E = Efinal Einicial = E4 - E1 = 2 1 1 1

42

2 1 1 1

12 = 2 4 1 1

Nota: o valor positivo indica que o tomo ganhou energia ao absorver a radiao. Eabsorvida = |E| = 2,0410-18 J

5.2. a energia da radiao emitida quando o electro do tomo de hidrognio transita do nvel 4 para o nvel

3;

Tem-se a transio de n=4 para n=3, logo

E = Efinal Einicial = E3 - E4 = 2 1 1 1

32

2 1 1 1

42 = 1 1 1

Nota: o valor negativo indica que o tomo perdeu energia ao emitir radiao. Eemitida = |E| = 1,0610-19 J

5.3. a energia da radiao emitida quando o electro do tomo de hidrognio transita do 2 estado excitado

para o 1 estado excitado.

2 estado excitado: n=3 1 estado excitado: n=2 Logo tem-se a transio de n=3 para n=2; assim:

E = Efinal Einicial = E2 E3 = 2 1 1 1

22

2 1 1 1

32 = 3 3 1 1

Eemitida = |E| = 3,0310-19 J

6. tomos de hidrognio no estado fundamental foram atingidos por radiaes electromagnticas de trs

energias diferentes:

Erad A = 1,43510-18 J

Erad B = 1,93810-18 J

Erad C = 2,06810-18 J

Verifica, atravs de clculos, que s uma destas radiaes capaz de fazer passar o tomo de hidrognio

para um estado excitado. Identifica esse estado.

O tomo de hidrognio fica excitado se o seu electro transitar do nvel 1 para um nvel superior. Isto s acontece se o tomo absorver radiao cuja energia, somada energia do nvel 1, for igual energia de outro nvel: E1 + Erad = En Vamos utilizar o esquema do exerccio 1 para comparar com a energia de cada nvel. E1 = -2,1810-18 J Radiao A En = E1 + EradA = -2,1810-18 + 1,43510-18 = -0,79510-18 J: Nenhum nvel tem este valor de energia Radiao B En = E1 + EradB = -2,1810-18 + 1,93810-18 = -0,24210-18 J: o valor de E3 Radiao C En = E1 + EradC = -2,1810-18 + 2,06810-18 = -0,11210-18 J: Nenhum nvel tem este valor de energia S a radiao B consegue provocar a excitao do tomo. O electro vai transitar do nvel 1 para o nvel 3.

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7. A figura ao lado representa a posio na Tabela Peridica de trs elementos designados pelas

letras A, B e C, as quais no representam os verdadeiros smbolos qumicos. A configurao

electrnica do elemento A, no estado fundamental, 1s2 2s2 2p4.

7.1. Indica o grupo, o perodo e o bloco a que pertence o elemento A.

O perodo dado pelo nmero quntico principal mximo com electres, que ser, para este elemento, n=2. Assim, ele encontra-se no 2 perodo. O grupo est relacionado com o nmero de electres de valncia: se os electres de valncia se encontram em orbitais tipo s, o n. do grupo igual ao n. de electres de valncia. Se os electres de valncia se encontram noutro tipo de orbitais p d o n. do grupo dado pelo soma do n. de electres de valncia + 10, o que o caso do elemento A: 1s2 2s2 2p4 6 electres de valncia em orbitais tipo s e p logo o grupo ser 6 + 10 = 16, isto grupo 16. Como os electres de valncia ocupam orbitais tipo p, este elemento pertence ao bloco p.

7.2. Escreve a configurao electrnica do elemento B e do elemento C no estado fundamental.

O elemento C est situado no mesmo perodo do elemento A na mesma linha e como est imediatamente depois de A ter um nmero atmico superior ao de A em 1 unidade. Ento, tem mais 1 electro do que o elemento A, sendo a sua configurao electrnica 1s2 2s2 2p5. O elemento B pertence ao mesmo grupo do elemento A porque est na mesma coluna , logo ter o mesmo nmero de electres de valncia (6). No entanto, como est situado na linha abaixo, estar no 3 perodo. Assim a sua configurao electrnica ser 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4. 6 electres de valncia e no 3 perodo

7.3. Dos trs elementos, selecciona:

a) o de maior raio atmico;

Vamos escrever a configurao electrnica dos trs elementos, para se poder comparar: A 1s2 2s2 2p4 B 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 C 1s2 2s2 2p5 O que tem maior raio atmico o que tem electres num nvel de energia superior (maior nuvem electrnica), logo ser o elemento B.

b) o de maior energia de ionizao.

A energia de ionizao a energia necessria para remover um electro a um tomo no estado gasoso. Quanto menor for o tomo, mais atrados estaro os electres de valncia, logo mais difcil remov-los, sendo maior a energia de ionizao. Assim, preciso ver qual dos trs elementos tem menor raio atmico. B j foi excludo, pois viu-se que o maior. Vamos comparar A e C. Ambos esto no mesmo perodo mas como C tem maior nmero atmico tem maior carga nuclear, os electres de valncia so mais atrados, o que faz com que a nuvem electrnica contraia e o tomo fique mais pequeno. Assim, a energia de ionizao ser maior para o elemento C.

A C

B

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Exerccios propostos

8. Para responder s seguintes questes, utiliza o diagrama de energia da figura seguinte, baseado no modelo

de Bohr para o tomo de hidrognio.

8.1. Calcula a energia associada transio E.

8.2. Selecciona, de entre as transies indicadas:

a) as que correspondem absoro de radiao electromagntica;

b) a que envolve radiao menos energtica;

c) a que corresponde emisso de radiao mais energtica.

8.3. Considera as transies A e C que se encontram representadas no diagrama.

a) Calcula o valor da energia transportada pelo foto que est associado a cada uma dessas transies.

b) A que sries espectrais pertencem as riscas originadas pelas transies A e C?

9. Utilizando a equao de Bohr, que se encontra no exerccio 5, calcula:

9.1. a energia do electro no 5 estado excitado;

9.2. o valor de n correspondente ao nvel em que se encontra o electro de energia - 8,7210-20 J.

10. Qual o valor mnimo de energia que o tomo de hidrognio consegue emitir quando se encontra no 2

estado excitado? E o mximo?

11. Um tomo de hidrognio recebe energia e transita para o nvel 3. No processo de desexcitao que se segue,

quantas so as transies que podem ocorrer e a que sries espectrais correspondem?

12. O electro de um tomo de hidrognio, no estado fundamental, atingido por uma radiao de energia

2,0410-18 J, absorvendo a sua energia. Para que nvel transita o electro?

13. Considera as configuraes electrnicas dos tomos A, B, C, D, E e F, no estado fundamental, em que as

letras no representam os smbolos qumicos dos elementos.

A

B 1s2 2s2 2p6 3s1

C 1s2 2s2 2p3

D 1s2 2s2 2p5

E

F

13.1. Identifica as configuraes que no esto correctas, corrige-as e indica as regras e princpios que no

foram respeitados.

13.2. Faz o diagrama de caixas correspondente configurao electrnica de B.

13.3. Com base na configurao electrnica C, indica quantas e quais so as orbitais de valncia.

13.4. A que elemento pertence o tomo E?

14. Considera a configurao electrnica dos seguintes tomos:

A 1s2 2s2 2p5 B 1s2 2s2 2p3 C 1s2 2s2 2p6 3s1 D 1s2 2s2 2p6 3s1 3p1 E 1s2 2s2 2p6 3s2

14.1. Indica os tomos que se encontram no estado fundamental.

14.2. Qual dos tomos no estado fundamental tem energia de ionizao mais elevada?

- 0,2410-18

- 2,1810-18

- 0,5410-18

- 0,1410-18

0

n=1

n=2

n=3

n=4 n=

Nveis de

energia Energia/J

A B

C

D

E

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14.3. Indica quais ou qual apresenta carcter metlico.

14.4. A que bloco da Tabela Peridica pertence o elemento D?

14.5. Escreve o conjunto de nmeros qunticos que caracteriza a orbital correspondente ao estado excitado

do tomo D.

15. Considera os seguintes conjuntos de nmeros qunticos, que caracterizam os electres de valncia de trs

tomos, no estado fundamental.

I (3,0,0,+) II (2,1,0,-) III (2,2,1,+) IV (3,1,-1,+)

15.1. Indica um conjunto de nmeros qunticos que seja impossvel.

15.2. Escreve a configurao electrnica do tomo II, no estado fundamental, sabendo que tem quatro

electres de valncia.

15.3. Determina o nmero atmico do tomo do elemento I, tendo em conta que tem trs electres de

valncia com ms=+.

16. Um elemento X est situado no 2 perodo e no grupo 15 da Tabela Peridica.

16.1. Escreve a configurao electrnica dos tomos deste elemento, no estado fundamental.

16.2. O elemento Y pertence ao mesmo grupo de X mas est situado imediatamente abaixo deste na Tabela

Peridica.

a) Escreve a configurao electrnica dos tomos de Y, no estado fundamental.

b) Escreve um conjunto de nmeros qunticos que possa caracterizar um dos electres de valncia de

X com maior energia.

c) Os elementos X e Y apresentam propriedades metlicas? Justifica.

16.3. W um gs raro que pertence ao mesmo perodo de Y.

a) Escreve a configurao electrnica dos tomos de W, no estado fundamental.

b) Entre os elementos W e Y, qual o que apresenta maior raio atmico? Justifica.

c) Entre os elementos X e Y, qual o que apresenta menor energia de ionizao? Justifica.

17. A figura ao lado mostra um extracto da Tabela Peridica com elementos dos dois primeiros

grupos.

17.1. Indica os nomes das famlias a que estes elementos pertencem.

17.2. Representa simbolicamente o io mais estvel que o sdio tem tendncia a formar.

17.3. Sabendo que o nmero atmico do clcio 20, escreve a configurao electrnica do io mais estvel

que tem tendncia a formar.

17.4. Dos elementos do grupo 2, indica o mais reactivo, justificando.

Solues

8.1.) 3,0010-19 J; 8.2.a) A e D; 8.2.b) D; 8.2.c) B; 8.3.a) Transio A: 1,6410-18 J; Transio C: 4,0010-19 J 8.4.) Transio A: srie de Lyman; Transio C: srie de Balmer 9.1.) -6,0610-20 J; 9.2.) n=5 10) Mnimo: 3,0310-19 J; mximo: 1,9410-18 J 11) 3 transies; sries de Lyman e Balmer 12) n=4 13.1.) Incorrectas: A (no obedece ao Princpio de energia mnima) e E (no obedece regra de Hund)

13.2.) 13.3.) 4 orbitais (1 orbital 2s e 3 orbitais 2p) 13.3.) carbono 14.1.) A, B, C e E 14.2.) A 14.3.) C e E

14.4.) bloco s 14.5.) (3,1,-1,) ou (3,1,0,) ou (3,1,1,) 15.1.) O conjunto III 15.2.) 1s2 2s2 2p2 15.3.) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 16.1) 1s2 2s2 2p3 16.2.a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 16.2.b) (2,1,0,) ou (2,1,-1,) ou (2,1,1,) 16.2.c) No 16.3.a) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 16.3.b) Y 16.3.c) Y 17.1) O sdio pertence famlia dos metais alcalinos e o magnsio e o clcio dos metais alcalino-terrosos. 17.2) Na+ 17.3) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 17.4) Ca

Na Mg

Ca