Estrutura atômica: principais conceitos, partículas e como cai no Enem

A compreensão da estrutura atômica é fundamental para a Química, pois rege as propriedades físicas e químicas dos elementos e como eles interagem entre si para formar compostos e moléculas. Além disso, a estrutura atômica é um pilar fundamental para a compreensão do mundo natural e para a inovação tecnológica, que impulsiona o progresso humano em diversas áreas.

Estrutura do Átomo

A estrutura atômica se refere à composição básica do átomo. Conforme os modelos propostos, os átomos são constituídos por três partículas fundamentais: prótons, nêutrons e elétrons. De forma geral, os átomos possuem um núcleo positivo, onde se encontram os prótons e os nêutrons. Ao redor deste núcleo está a eletrosfera, onde orbitam os elétrons em níveis de energia, chamados de “camadas eletrônicas”. Para fins didáticos, ainda se utiliza o modelo atômico de Rutherford-Bohr, representado a seguir. 

Fonte: Wikipedia

O núcleo atômico é uma região muito pequena, densa e contém a maioria da massa do átomo. O núcleo, composto principalmente por prótons e nêutrons, é extremamente pequeno em comparação com o tamanho do átomo todo. A maioria do volume do átomo é preenchida pela eletrosfera, onde os elétrons estão localizados. Ao contrário do que muitos dizem, a eletrosfera não é um espaço vazio, mas sim uma região do átomo onde os elétrons têm maior probabilidade de serem encontrados, conforme as propriedades descritas pela mecânica quântica.

Partículas subatômicas

Prótons

Os prótons são partículas subatômicas com carga elétrica elementar positiva (+1) e têm massa consideravelmente maior que os elétrons: a massa de um próton é aproximadamente 1836 vezes maior do que a massa de um elétron. Por esse motivo, a massa dos prótons contribuem para a massa total de um átomo. O número de prótons em um átomo é conhecido como número atômico e determina a identidade do elemento químico. Por exemplo, o hidrogênio tem um próton, o hélio tem dois prótons e assim por diante.

Nêutrons

Os nêutrons também são partículas subatômicas, mas têm carga elétrica neutra, o que significa que não têm carga. Os nêutrons também são encontrados no núcleo do átomo e contribuem para sua massa. O número de nêutrons pode variar em um mesmo elemento químico, resultando em diferentes isótopos.

Elétrons

Os elétrons são partículas subatômicas com carga elétrica elementar negativa (−1), com igual em magnitude, mas oposta em sinal à carga dos prótons. Eles orbitam em torno do núcleo em camadas eletrônicas ou níveis de energia. Cada camada eletrônica pode conter um número específico de elétrons. Os elétrons de uma camada mais interna estão mais próximos do núcleo com menor energia, enquanto os elétrons em camadas mais externas têm energia maior e estão mais afastados do núcleo. 

Em um átomo neutro (eletricamente equilibrado), o número de elétrons é igual ao número de prótons no núcleo. Isso ocorre porque as cargas positivas dos prótons são neutralizadas pelas cargas negativas dos elétrons, mantendo o átomo eletricamente neutro. Comparados aos prótons e nêutrons, os elétrons têm uma massa extremamente pequena. Devido a essa diferença significativa na massa, a massa dos elétrons, geralmente, é desprezada, quando se considera a massa total de um átomo. Contudo, essas partículas são essenciais para as reações químicas, pois são responsáveis pelas ligações químicas e propriedades dos elementos. Além disso, a distribuição dos elétrons nas camadas eletrônicas determina as propriedades físicas e químicas dos elementos e como eles interagem com outros elementos para formar substâncias químicas diversas. 

O entendimento dos elétrons e sua interação com os prótons e nêutrons é crucial para a compreensão das ciências da química, física e eletrônica. A tabela a seguir resume as principais características das partículas subatômicas.

Partícula	Carga relativa	Carga (Coulomb)	Massa (kg)
Próton	+1	+1,602 ∙ 10−19	1,673 ∙ 10−27
Nêutron	0	0	1,675 ∙ 10−27
Elétron	−1	−1,602 ∙ 10−19	9,110 ∙ 10−31

Classificação dos átomos

Todos os átomos são idênticos? A resposta é não. Os átomos no estado fundamental, por exemplo, são eletricamente neutros: o número de prótons é igual ao número de elétrons. Nesse caso, os elétrons estão distribuídos nas camadas eletrônicas para ocupar as órbitas mais próximas do núcleo e com a menor energia possível.

Contudo, o número de elétrons e de nêutrons podem variar em átomos de um mesmo elemento. Os íons, por exemplo, são átomos ou grupos de átomos com carga elétrica devido ao ganho, ou perda de elétrons. Cátions são íons com carga elétrica positiva e são formados quando um átomo perde um ou mais elétrons, resultando em um excesso de carga positiva em relação ao número de prótons presentes no núcleo. Por exemplo, quando o átomo de sódio (Na), que tem 11e− (elétrons), perde 1e−, forma o cátion Na+.

Os ânions são íons com carga elétrica negativa e são formados quando um átomo ganha um ou mais elétrons, resultando em um excesso de carga negativa em relação ao número de prótons presentes no núcleo. 

Os isótopos são átomos do mesmo elemento químico com o mesmo número de prótons, mas diferem no número de nêutrons no núcleo. Como resultado, isótopos do mesmo elemento têm massas atômicas diferentes. Por exemplo, o hidrogênio tem três isótopos comuns: o hidrogênio-1 (um próton e nenhum nêutron); o deutério ou hidrogênio-2 (um próton e um nêutron); e o trítio ou hidrogênio-3 (um próton e dois nêutrons).

Além dos isótopos, isótonos e isóbaros são termos usados para descrever diferentes tipos de átomos que possuem características semelhantes ou relacionadas.  Os isóbaros são átomos de diferentes elementos químicos com o mesmo número de massa, ou seja, o mesmo número total de prótons e nêutrons em seus núcleos, mas um número diferente de prótons. Como o número de prótons determina o elemento químico, os isóbaros são elementos diferentes com números de massa iguais e, por isso, têm propriedades físicas semelhantes, especialmente em termos de massa atômica. Por exemplo, o cloro-37 (17 prótons e 20 nêutrons) e o argônio-37 (18 prótons e 19 nêutrons) são isóbaros, pois ambos têm 37 unidades de massa atômica.

Os isótonos são átomos de diferentes elementos químicos com o mesmo número de nêutrons, mas um número diferente de prótons. Por terem o mesmo número de nêutrons, eles podem ter números de massa diferentes e propriedades físicas relacionadas aos nêutrons em seus núcleos. Por exemplo, o cloro-37 (17 prótons e 20 nêutrons) e o potássio-39 (19 prótons e 20 nêutrons) são isótonos, pois ambos têm 20 nêutrons.

Estrutura Atômica no Enem

(ENEM - 2021 Digital)  

No final do século XIX, muitos cientistas estavam interessados nos intrigantes fenômenos observados nas ampolas de raios catódicos, que são tubos sob vácuo em que se ligam duas placas a uma fonte de alta tensão. Os raios catódicos passam através de um orifício no ânodo e continuam o percurso até a outra extremidade do tubo, onde são detectados pela fluorescência produzida ao chocarem-se com um revestimento especial, como pode ser observado na figura. Medições da razão entre a carga e a massa dos constituintes dos raios catódicos mostram que a sua identidade independe do material do cátodo ou do gás dentro das ampolas.

Essa radiação invisível detectada nas ampolas é constituída por

a) ânions.

b) cátions.

c) prótons.

d) elétrons.

e) partículas alfa.

Resolução:

O esquema mostra o fluxo de raios catódicos, partindo do catodo (polo negativo) em direção ao ânodo (polo positivo), atraídos por uma placa positiva (anodo). Isso indica que os raios catódicos são carregados negativamente e, portanto, são constituídos por elétrons. Cátions, prótons e partículas alfa são eletricamente positivos. Os ânions, por mais que sejam eletricamente negativos, têm razão entre a carga e massa dependente da identidade dos elementos que os formam.

(Alternativa D)