Introdução à Química/Características dos átomos

Átomo

Um átomo é a menor porção em que pode ser dividido um elemento químico, mantendo ainda as suas propriedades. Os átomos são os componentes básicos das moléculas e da matéria comum. São compostos por partículas sub-atômicas. As mais conhecidas são os prótons, os nêutrons e os elétrons. Assim podemos concluir que os átomos são partículas elementares constituintes da matéria e, que, tudo é composto por átomos. Ele apresenta um núcleo com carga positiva (Z é a quantidade de prótons e "E" a carga elementar).

Estrutura

O elétron e o próton não possuem nem as mesmas cargas, nem a mesma massa. O próton é cerca de 1836,11 vezes mais massivo que o elétron. Usando como exemplo hipotético um átomo de vinte prótons e vinte nêutrons em seu núcleo, este estando em equilíbrio eletrodinâmico terá vinte elétrons orbitando em suas camadas exteriores. Sua carga elétrica está em perfeito equilíbrio, porém 99,97% de sua massa se encontrará no núcleo; apesar deste conter praticamente toda a massa, em termos de volume em relação ao tamanho do átomo e suas orbitais é minúsculo. O núcleo atômico mede em torno de 10^-13 centímetros de diâmetro, enquanto que o átomo mede cerca de 10^-8 centímetros.

O átomo é cem mil vezes maior que seu núcleo, e sua estrutura interna pode ser considerada oca, pois para encher todo este espaço vazio de prótons e nêutrons (ou núcleos) necessitaríamos de um bilhão de milhões de núcleos.

Número atômico (Z)

Um elemento químico é um conjunto de átomos que tem o mesmo número de prótons no núcleo. Este número é conhecido como o número atômico do elemento. Por exemplo, todos átomos com seis prótons no núcleo são átomos do elemento carbono.

De forma inversa, denomina-se elemento químico todos os átomos que possuem o mesmo número atômico (Z), ou seja, o mesmo número de prótons.

• Oxigênio é o elemento químico constituído por todos os átomos que possuem número atômico 8, ou seja, com 8 prótons.
• Cálcio é o elemento químico constituído por todos os átomos que possuem número atômico 20, ou seja, com 20 prótons.

Portanto, o número atômico é característica para cada elemento químico, sendo o seu número de identificação.

Para representar o número atômico de um elemento juntamente com seu símbolo, usamos a notação _ZE (com o número de massa em subscrito à esquerda do símbolo), onde Z é o número atômico e E é o símbolo do elemento. Por exemplo, ₈O (oxigênio, com 8 prótons), ₂₀Ca.

Número de massa (A)

Número de massa, simbolizado pela letra A, é a soma do número de prótons ($Z$) e nêutrons ($N$) contidos no núcleo de um átomo.

$A=Z+N$

Exemplo: o núcleo de um certo átomo de sódio contém 11 prótons e 12 nêutrons, portanto, o seu número de massa é 23.

O termo "massa" para este número é devido ao fato dos prótons e nêutrons serem as partículas subatômicas responsáveis por quase a totalidade da massa dos átomos. Os elétrons e as demais partículas apresentam massas praticamente desprezíveis.

Assim como o número atômico pode ser representado como subscrito à esquerda do símbolo, o número de massa pode ser representado como superscrito (acima). Por exemplo, ²³Na, ^{14C, 131I.}

É possível, ainda, representar simultaneamente o número de massa e o atômico.

Observação: Número de massa não é o mesmo que massa atômica.

Isótopos

Isótopos são átomos de um elemento químico, cujos núcleos têm o mesmo número atômico $Z$ mas diferente número de massa ($A$). A palavra isótopo, que significa no mesmo sítio, vem do fato de que os isótopos se situam no mesmo local na tabela periódica.

O número atômico corresponde ao número de prótons num átomo. Por esse motivo, os isótopos de um certo elemento contém o mesmo número de prótons. A diferença nos pesos atômicos resulta de diferenças no número de nêutrons nos núcleos atômicos.

Quando queremos nos referir a um isótopo específico de um elemento, dizemos o nome do elemento seguido de seu número de massa: carbono-14, oxigênio-18, urânio-235.

Massa atômica

Em referência a um certo elemento químico, a massa atômica (também chamada massa atômica média) é a massa atômica média dos isótopos do elemento químico. Essa média leva em linha de conta as frequências relativas dos isótopos do elemento (é uma média ponderada). O exemplo mais conhecido é o do cloro, cuja massa atômica é aproximadamente igual a 35,5. Isso se deve ao fato de o elemento cloro, na natureza, ser encontrado 75% na forma de cloro-35 e 25% na forma de cloro-37.

A unidade da massa atômica é o uma (unidade de massa atômica) ou simplesmente u. Por definição, $1u$ é exatamente ${\frac {1}{12}}$ da massa de um único átomo de carbono-12. A razão do carbono-12 ter sido escolhido para definir a unidade de massa atómica é em razão deste ser o isótopo mais comum do carbono.

Moléculas

Os átomos podem possuir entre si uma ligação tão forte que para separá-los é necessária uma quantidade razoável de energia, portanto, permanecem juntos. Estas combinações são chamadas de moléculas.

Uma molécula é a menor parte indivisível de um composto químico e que possui um conjunto único de propriedades químicas. A molécula é constituída de dois ou mais átomos ligados quimicamente.

Nem sempre dois átomos em contato são suficientes para ter estabilidade, havendo necessidade de uma combinação maior para tê-la. Por outro lado, os átomos dos gases nobres já são estáveis e não se combinam para formar moléculas.

Para formar uma molécula de hidrogênio são necessários dois átomos deste elemento, uma molécula de oxigênio, necessita de dois átomos de oxigênio, e assim sucessivamente.

Para a formação de uma molécula de água são necessários dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio; metano, necessita de um átomo de carbono e quatro de hidrogênio; dióxido (bióxido) de carbono, um carbono, e dois oxigênios; assim sucessivamente.

Existem casos de moléculas serem formadas por milhões de átomos. Isto ocorre porque o átomo de carbono pode partilhar elétrons com até quatro elementos diferentes simultaneamente. Logo, pode ser possível a constituição de cadeias, anéis, e ligações entre estas moléculas longas, que são a base da chamada química orgânica.

Esta é a base das moléculas que caracterizam o tecido vivo, ou seja, a base da vida.

Massa molar

Um mol de uma substância é uma quantidade que sempre pesa, em gramas, exatamente o peso molecular (em unidades de massa atômica) dessa substância. Por exemplo: a massa atômica do ferro é de 55,847 u, e portanto um mol de átomos de ferro pesa 55,847 gramas.

Constante de Avogadro

1 mol de qualquer coisa terá sempre o mesmo número de partículas. Este número é chamado constante de Avogadro ($N_{A}$).

Pela definição, 1 mol é o número de átomos contido em exatamente 12 gramas de carbono de massa isotópica 12 (¹²C). Este número se denomina número de Avogadro, e o valor mais preciso que se conhece até agora é de $6,0221367\times 10^{23}$.