Orbitais

No vídeo "Introdução ao átomo", falei um pouco sobre o núcleo que temos no centro do átomo e que corresponde a uma fração muito pequena do volume total do átomo. Falámos também do eletrão, que apesar de se considerar uma partícula, pode ser mais corretamente descrito como uma mancha que envolve o núcleo. Ou seja, apesar de ser uma partícula, devido ao princípio de incerteza de Heisenberg, nunca podemos dizer exatamente, num dado instante de tempo, onde está a partícula e qual é a sua velocidade. Por isso, descrevê-la como uma partícula é um pouco... é um pouco estranho. É uma aproximação simplista e algo grosseira. E também aprendemos que esta partícula não descreve uma órbita tal como os planetas à volta do Sol... não descreve uma órbita assim. Esta seria semelhante à órbita do cometa Halley à volta do Sol. Em vez disso, pode ser descrito como uma função de probabilidade em volta do núcleo. Se o núcleo estiver aqui, temos uma orbital, ou melhor, a orbital 1s. Iremos falar sobre isto ao longo deste vídeo... Será uma esfera à volta do núcleo. Na realidade, a esfera não tem uma fronteira bem definida. Sempre que alguém a desenha, diz que o eletrão vai estar aqui 90% das vezes. Depois define uma fronteira e conclui: "OK, vai estar dentro desta esfera, que se torna mais densa à medida que nos aproximamos do seu centro." Se isto fosse um corte transversal, veríamos que seria muito densa no centro e cada vez menos densa à medida que nos afastamos... O que significa apenas que há uma probabilidade muito mais elevada de encontrar o eletrão na orbital 1s, próximo do centro, do que próximo da parte exterior. Apesar de esta fronteira ser artificial... Na verdade, o eletrão pode estar praticamente em todo o lado. Tem apenas uma probabilidade muito menor de estar aqui fora do que aqui dentro. Mas vamos ver isto em meior detalhe em seguida. Gostaria de regressar ao modelo de Bohr... Vou escrever: Modelo de Bohr. Deve o seu nome a Niels Bohr. Bohr era um visionário, um vanguardista, que viveu não assim há tanto tempo... há cerca de 100 anos... Bom, estou para aqui a falar de coisas que podes consultar em artigos de investigação, não muito antigos onde diferentes cientistas discutem estes assuntos. Voltando ao Modelo de Bohr. O Modelo de Bohr é o tipo de modelo em que os eletrões apareciam como planetas a orbitar uma estrela ou o Sol. De facto, este modelo é útil... pelo menos, é útil na minha cabeça para perceber o conceito de estados de energia. Isto é um eletrão à volta do núcleo, certo? Está a mover-se ao longo de uma órbita. E nós sabemos que as órbitas não correspondem ao que se passa na realidade. As orbitais é que correspondem à realidade. As orbitais são mais como funções de probabilidade onde podemos encontrar o eletrão, enquanto uma órbita é a forma clássica e mecânica de descrever o caminho de um objeto clássico... Como um planeta que orbita uma estrela. Se olharmos para este modelo, a ideia de níveis de energia começa a fazer sentido. Por exemplo, se eu tiver um planeta a orbitar uma estrela desta forma... Se tivesse mais energia, talvez a sua órbita fosse mais elíptica. Imaginem que eu aumentava a energia. Punha um pequeno foguetão neste planeta que lhe dava temporariamente alguma energia. Em vez de seguir este percurso, talvez... o empurrasse desta forma, e assim acelerasse um pouco mais. Depois... talvez fizesse algo deste género. Não sei, não fiz os cálculos. Mas em geral terá um pouco mais de energia cinética e, por isso, vai afastar-se um pouco mais da estrela. Se usasse novamente o foguetão para o estimular, talvez o seu percurso fosse algo deste género. A sua órbita seria mais esticada e, ao aproximar-se da estrela, aumentaria a sua velocidade ao aproximar-se da estrela por causa da gravidade. Há aqui duas coisas interessantes. Uma é obviamente que o planeta ou o foguetão que tiver esta órbita tem mais energia. Ups!... Este aqui... terá mais energia do que este aqui. Por exemplo... E a energia - apesar de estarmos a falar do mundo quântico e de isto ser apenas uma analogia porque sabemos que as órbitas não correspondem à realidade - a energia é sempre a mesma coisa, independentemente do que estivermos a falar. A energia é a capacidade de realizar trabalho ou de transmitir calor ou de criar calor. Se não estivermos a realizar trabalho e tivermos energia, de certa forma desperdiçamos o trabalho gerando calor. Iremos falar mais sobre isto noutros vídeos. Mas a ideia é a mesma, certo? Se tivesse um pequeno foguetão e fornecesse energia a isto ou o empurrasse de alguma forma, poderia atingir esta órbita superior. Com as orbitais é igual, com a exceção de não se verificarem estes percursos bem definidos. À medida que os eletrões ganham mais energia... e essa energia pode ser transmitida aos eletrões sobretudo através de ondas de luz, ou ondas eletromagnéticas, que atingem um eletrão... Quando abordarmos a Mecânica Quântica, vamos ver isto em mais detalhe. Basicamente, se considerarmos a luz com um conjunto de fotões, e um fotão atingir um eletrão num certo estado de energia, de repente passa para um estado de energia superior. Talvez vá para esta distribuição de probabilidade, que é uma camada à volta da anterior. E talvez, depois de ficar excitado... os físicos e os químicos passam a vida a dizer estas palavras... "excitado" significa, neste contexto, que foi transferida energia para o eletrão e que ele passou para um estado de energia superior. E pode permanecer nesse estado ou pode regressar ao seu estado de energia inferior. Quando regressa ao seu estado de energia inferior, emite um fotão, e essa é a razão pela qual às vezes as coisas brilham. Também iremos falar sobre isto em detalhe. Gostaria de voltar a referir este ponto... Em Química e em grande parte das matérias de Física, fala-se muito sobre estados de energia ou de o eletrão passar para um estado de energia superior ou inferior. Esta é a ideia geral: foi transferida energia para um eletrão numa orbital superior mas ele quer regressar à orbital de energia inferior. Podem perguntar-se: "Como é que um eletrão permanece numa orbital superior?" "Por exemplo, se tivéssemos dois eletrões nesta orbital?" Vamos falar sobre como as diferentes orbitais são preenchidas, mas primeiro quero que compreendam bem esta ideia. Imaginemos que tínhamos dois eletrões. Eles podem estar em qualquer lado... não sabemos identificar onde estão. E depois, adicionava um terceiro eletrão. Podem dizer: "O estado de menor energia é a esfera rosa que acabaste de desenhar. Porque é que o terceiro eletrão pode ir para lá?" Bem, já temos dois eletrões e apesar de os eletrões serem atraídos pelo núcleo - porque o núcleo concentra todas as cargas positivas e os eletrões têm cargas negativas - ele é repelido por estes dois eletrões. Porque cargas iguais repelem-se. Ele vai querer ficar afastado destes dois eletrões. Por isso, vai para o estado de energia seguinte. Talvez vá para esta camada. Outra coisa interessante sobre os estados de energia - e isto é essencial na Química quando começarmos a falar de reatividade e de como algo poderá reagir com outra coisa e porquê - é que as coisas num estado de energia superior... por exemplo, se usarmos a analogia das órbitas, este estado de energia superior, no caso dos planetas eles afastam-se do corpo que os atrai, e por isso a força gravitacional é mais fraca. No caso dos eletrões, quando eles se afastam, num estado de energia superior, a força de Coulomb é mais fraca, certo? As cargas que abordámos, quando falámos dos eletrões e protões, são as responsáveis pela força de Coulomb. Isto é uma carga negativa e depois temos as cargas positivas no centro... mas está a afastar-se. A força do núcleo torna-se cada vez mais fraca, eles são mais fáceis de arrancar. Eles são mais fáceis de arrancar e podem ser partilhados com outros átomos. Ou podem passar para outros átomos. Vamos aprofundar este tema quando falarmos de ligações químicas. Queria que ficassem com esta ideia intuitiva. A próxima questão que se pode colocar é: "Como é que os eletrões preenchem as diferentes orbitais, e como são essas orbitais?" Copiei alguns gráficos interessantes da Wikipédia. Estas são as orbitais... aqui estão as diferentes orbitais. As orbitais têm duas características. Uma é a camada, a sua camada de energia. É dada por este número aqui, N. É a camada de energia. Repara como tudo faz sentido. Estas camadas de energia correspondem a períodos na tabela periódica. Um período na tabela periódica corresponde a uma linha. Este é o período 1 da tabela periódica. Esta linha até ao hélio. É o período 1. É simplesmente a primeira linha. Isto significa que nos elementos do período 1, os seus eletrões vão preencher a primeira camada de energia. Por exemplo, o hidrogénio. O hidrogénio tem 1 protão. Vamos assumir que os átomos são neutros. Aprendemos no vídeo anterior que o número atómico diz-nos quantos protões temos, certo? Isto corresponde ao número de protões do hidrogénio. Se assumirmos que o átomo é neutro, podemos dizer que isto também corresponde ao número de eletrões. Podemos usar o número atómico como um indicador de quantos eletrões temos num átomo neutro. Este tem um eletrão. Para onde vai ele? Bem, está no período 1, por isso vai para a primeira camada de energia. O primeiro eletrão vai para aqui, para a camada de energia 1s. Se quiséssemos escrever a configuração eletrónica do hidrogénio, seria... O hidrogénio, a configuração eletrónica, está na primeira camada de energia, a um S um. Ou seja, temos apenas um eletrão. Como é a primeira subcamada orbital? Esta camada S? É uma simples esfera. Tal como eu desenhei em cima... É uma simples esfera. Se eu desenhasse um corte transversal, veríamos que é mais densa no centro e fica menos densa à medida que nos deslocamos para fora. No vídeo anterior mostrei o aspeto da sua função orbital. E vimos que era muito escura e densa no centro e ficava mais diluída e cinzenta à medida que nos deslocávamos para fora. Então, qual é a configuração eletrónica do hélio? Bem, em cada uma destas subcamadas podemos colocar dois eletrões. Parece que em cada configuração geométrica de cada subcamada podemos colocar dois eletrões. Vamos ver isso em detalhe em breve. Queremos a configuração do hélio. Está no primeiro período. É um S dois. Na subcamada S, no primeiro período, ou na primeira camada de energia, tem 2 eletrões. Incrível! E o lítio? Aqui está o lítio. É o nome de uma música dos Evanescence... Deve ser porque é o lítio é usado para tratar a depressão... Então, o lítio. Qual é a sua configuração eletrónica? O primeiro eletrão vai para a um S um. O segundo eletrão vai para a um S dois. Quando falo de primeiro ou segundo, estou a referir-me aos estados de energia. O primeiro eletrão quer ir para o estado de menor energia.É a um S um. O segundo eletrão também quer ir para lá. E os dois eletrões podem ir para o primeiro estado de energia, ou para a primeira suborbital, ou a primeira camada. Fica um S dois. O lítio preenche a primeira um S dois, ou seja a primeira camada de energia e a primeira subcamada, a subcamada S. Agora temos de passar para a segunda camada de energia. Faz sentido, de acordo com o que falámos no vídeo anterior... porque é do segundo período. O segundo período é este aqui, certo? É o segundo período. A sua configuração eletrónica vai ser um S dois. Dois dos seus eletrões preenchem a primeira camada tal como o hélio. E depois o seu terceiro eletrão vai para a dois S um. É esta a configuração eletrónica. O que quero dizer com dois S um? Bem, o lítio vai ter dois eletrões neste ponto que escrevi por cima, e à volta desse ponto há outra camada, que é a segunda camada de energia, e vai ter lá um eletrão. Vou tentar desenhar isso. Devemos ter uma esfera de probabilidade onde vão estar os dois primeiros eletrões. E se isto é um corte transversal, este terceiro eletrão vai estar numa camada de probabilidade à sua volta. Ao desenhar isto, não significa que o eletrão esteja exatamente aqui nesta orbital. Estou apenas a desenhar o limite que impomos, onde dizemos que há 90% de probabilidade de encontrar o eletrão. O eletrão pode estar aqui, ou aqui, ou aqui. Mas aqui a probabilidade seria muito baixa, enquanto aqui a probabilidade seria muito elevada. Bom.... estou a ficar sem tempo. Vou continuar esta discussão no próximo vídeo. Vou falar-vos das formas bizarras que as orbitais podem ter e vou ainda tentar mostrar-vos, de um modo simples, que afinal estas formas não são assim tão bizarras. Até lá!