Estrutura Atómica

Os átomos são os blocos básicos de construção de tudo o que nos rodeia. Vêm em tipos diferentes, chamados elementos, mas cada átomo partilha certas características em comum. Todos os átomos têm um núcleo central denso chamado núcleo atómico. Formando o núcleo são dois tipos de partículas: prótons, que têm uma carga eléctrica positiva, e neutrões, que não têm carga. Todos os átomos têm pelo menos um protão no seu núcleo, e o número de protões determina que tipo de elemento é um átomo. Por exemplo, um átomo de oxigénio tem 8 prótons. Se de alguma forma fosse capaz de alterar o número de protões deste átomo para 7, mesmo que tudo o resto se mantivesse igual, deixaria de ser um átomo de oxigénio, passaria a ser nitrogénio. Por esta razão, listamos os diferentes elementos pelo seu número de protões, ou número atómico. A tabela periódica de elementos é um gráfico de todos os elementos que foram descobertos até agora, por ordem pelo seu número atómico.

Além de prótons e neutrões, todos os átomos têm electrões, partículas carregadas negativamente que se movem no espaço em redor do núcleo nuclear carregado positivamente. Os electrões são normalmente representados em desenhos tão mais pequenos que os protões ou neutrões porque a sua massa é muito mais pequena. Na realidade, a massa dos electrões é tão pequena que não é contada na massa de um átomo. Contudo, a resistência da carga de um único electrão é igual à de um único próton, e apesar da sua pequena massa, os electrões são importantes para equilibrar a carga de um átomo. Salvo indicação específica em contrário, os átomos têm sempre o mesmo número de electrões que os prótons; por conseguinte, é possível encontrar o número de electrões ao olhar para o número atómico. Mas ao contrário dos prótons, o número de electrões pode e muda sem afectar o tipo de elemento que um átomo é!

massa atómica mínima e númeroSabemos agora como encontrar o número de prótons e o número de electrões para um dado átomo, mas e os neutrões? Quantos neutrões têm os átomos de um dado elemento? NÃO é sempre o mesmo que o número de prótons e electrões. Por exemplo, o hidrogénio tem um protão e um electrão, mas não tem nenhuns neutrões! Determinamos isto olhando para a massa atómica. Mesmo que um átomo seja tão pequeno que seria necessário quase um milhão para ver até um pequeno ponto no ecrã do computador, cada pequeno átomo tem definitivamente massa e ocupa espaço. Esta massa vem do núcleo. Cada próton e neutron tem aproximadamente a mesma quantidade de massa, medida em daltons, ou unidades de massa atómica (amus). Como a unidade de medida é definida por um próton, 1 próton = 1 neutron = 1 dalton = 1 amu. Os electrões têm alguma massa, mas é quase 2000 vezes menos do que a massa de um próton. Não há electrões suficientes em nenhum dos átomos que conhecemos para afectar a massa total; portanto, a massa total é igual à soma dos prótons e dos neutrões num átomo.

Porque podemos encontrar o número de prótons e a massa atómica de um átomo olhando para a informação do seu elemento na tabela periódica, podemos calcular o número de neutrões nesse átomo subtraindo o número de prótons da massa atómica.

Quando o número de neutrões é diferente para átomos individuais do mesmo elemento, cada átomo é chamado de isótopo. Quando se lê uma tabela periódica, a massa atómica listada é a massa atómica média para todos os isótopos desse elemento encontrados na natureza. Por exemplo, o carbono tem uma massa atómica de 12,01 na tabela periódica. O carbono não pode ter 6,01 neutrões porque não se pode ter parte de um neutron. O valor excede 6 porque, enquanto a maioria dos átomos de carbono tem 6 neutrões, alguns átomos de carbono são encontrados com 7 neutrões e outros com 8 neutrões. Para os nossos fins, arredondamos a massa atómica ao número inteiro mais próximo para calcular o número de neutrões.

Estrutura Atómica

Este vídeo ilustra como os átomos e os seus componentes trabalham em conjunto.

Valência Electrónica

Agora que teve a oportunidade de trabalhar com átomos em geral, vamos cavar um pouco mais fundo. Os electrões permanecem num átomo devido à sua atracção pela carga positiva dos prótons, mas não estão tão estreitamente associados ao átomo como os prótons ou os neutrões. Os electrões são partículas complicadas porque têm muito espaço a ocupar num átomo, e no entanto estão também ligados a uma área específica dentro desse átomo. Embora os desenhos com que temos vindo a trabalhar mostrem o núcleo como um objecto visível de tamanho médio no centro de um átomo, na realidade é muito pequeno, e a maior parte de um átomo é o espaço à volta do núcleo em que os electrões se movem.

Por causa da sua carga negativa partilhada, os electrões repelem-se uns aos outros se se aproximarem demasiado. Ao mesmo tempo, os electrões são atraídos pela carga positiva do núcleo. Os detalhes da energia e da posição dos electrões podem tornar-se realmente complicados, mas concentrar-nos-emos apenas no que precisamos de compreender para estudar as moléculas da vida.

Os electrões estão dispostos em conchas energéticas (também conhecidas como conchas de electrões) à volta do núcleo atómico. Embora os electrões tenham muito espaço, todos eles querem estar mais próximos da carga nuclear positiva que os está a atrair. Ao mesmo tempo, os electrões repelem-se uns aos outros devido à sua carga negativa, e apenas alguns conseguem aproximar-se do núcleo num dado momento. Praticamente falando, apenas dois electrões podem caber no espaço tridimensional mais próximo do núcleo. Este espaço é chamado a primeira concha energética. Se houver três electrões num átomo, os dois primeiros serão encontrados na primeira concha energética. O terceiro electrão terá de se contentar com a segunda concha energética, um espaço tridimensional um pouco mais afastado do núcleo, onde ficará sozinho. Neste exemplo, o electrão solitário é chamado de elétron de valência, e a concha energética mais externa que contém quaisquer electrões é chamada de concha de valência.

A segunda concha energética é suficientemente grande para conter até oito electrões, agrupados em pares dentro de quatro orbitais de electrões, ou espaços onde os electrões passam a maior parte do seu tempo. Isto significa que se houver apenas um electrão na segunda concha energética, resta muito espaço extra.

Quando uma concha energética está incompletamente preenchida, o(s) electrão(s) nessa concha não são tão estáveis e têm mais probabilidades de reagir. Por esta razão, os átomos tendem a reagir com outros átomos de forma a encherem ou esvaziarem a sua casca de valência para ganharem a estabilidade de uma casca de energia mais externa completa. Os átomos podem fazê-lo ganhando ou perdendo electrões para se tornarem iões ou partilhando electrões com outros átomos para formar associações estáveis.

Utilizando número de electrões e conchas energéticas, podemos determinar o número de electrões de valência para qualquer dado átomo e o seu nível de reactividade esperado. Ao trabalhar com o exemplo abaixo, deve lembrar-se que embora desenhemos conchas energéticas como círculos em torno de um núcleo atómico, isto não se destina a representar um caminho de electrões real. O estilo de círculo concêntrico de desenhar conchas de energia destina-se a representar a distância média dos electrões nessa concha de energia que orbitam o núcleo. Na realidade, os electrões não se movem numa órbita circular, tal como representado no desenho, mas viajam por caminhos muito mais complicados em torno de um núcleo atómico.