Níveis, subníveis e orbitais

RKA4JL - Olá! Tudo bem com você? Você vai assistir agora a mais uma aula de Ciências da Natureza. Nesta aula vamos conversar sobre camadas, subcamadas e orbitais. Antes de começar a falar sobre isso, é importante lembrar que em outras aulas já vimos que, na verdade, um átomo é feito de partículas constituintes ainda menores que o átomo, o que é incrível, porque os átomos já são inimaginavelmente pequenos. Essas partículas são os prótons, que têm carga positiva, os nêutrons, que têm carga elétrica nula, e os elétrons, que têm carga negativa. Agora, a grande questão que os físicos e químicos enfrentam há mais de 100 anos é como essas coisas se configuram. Eles perceberam que a carga positiva está concentrada no centro do átomo. Na verdade, a maior parte da massa, que é composta de prótons e nêutrons, está concentrada no centro e, portanto, o modelo inicial de como um átomo funcionava era que, talvez, a gente tivesse os prótons e nêutrons no centro. Por exemplo, vamos supor que estamos falando de um átomo de hélio. Um átomo de hélio tem dois prótons no núcleo e um átomo de hélio típico também tem dois nêutrons, de modo que o núcleo poderia ser parecido com isso aqui. Os primeiros físicos e químicos disseram o seguinte: "Tudo bem, se os prótons têm carga positiva e os elétrons têm carga negativa, eles serão atraídos uns pelos outros, certo? Afinal, cargas de sinais opostos se atraem e cargas de sinais iguais se repelem." Sendo assim, talvez o elétron com carga negativa orbite em torno do núcleo da mesma forma que um planeta orbitaria em torno de sua estrela. Talvez orbite dessa forma aqui. Então, talvez, um elétron tenha uma órbita parecida com essa forma e outro elétron, se estamos falando aqui de um átomo de hélio neutro, que tem dois elétrons e dois prótons, talvez o outro elétron orbite dessa forma. Eu estou tentando desenhar uma órbita elíptica ou circular. Bem, essa é a ideia de que os elétrons estão em órbitas. Agora os físicos e químicos chegaram à conclusão que esse não é exatamente o caso. Os elétrons não estão nessas órbitas circulares ou elípticas bem definidas. Na verdade, em qualquer ponto do tempo, esse elétron não está necessariamente aqui, mas que há alguma probabilidade de que esteja aqui. Porém também há alguma probabilidade de que esteja aqui, há alguma probabilidade de que esteja aqui e há alguma probabilidade de que esteja aqui. Com isso, para descrever onde os elétrons podem ser encontrados, físicos e químicos introduziram a ideia de um orbital. E a melhor maneira de pensar sobre orbitais é pensar em um átomo de hidrogênio. Afinal, como o hidrogênio é o átomo mais simples, o mapa de orbitais foi completado de forma melhor para o átomo de hidrogênio. Então, o átomo de hidrogênio, especialmente o isótopo típico de hidrogênio encontrado na Terra, não tem nêutrons no núcleo, temos apenas um único próton no núcleo. E se você tem um átomo de hidrogênio neutro, temos um elétron, que em vez de estar em uma órbita ao redor do próton dessa forma aqui, teremos alguma probabilidade de onde ele pode estar. Em um determinado momento ele pode estar aqui, mas pode estar aqui, também pode estar aqui ou ainda pode estar fora da tela em algum momento. Mas apesar disso, é mais provável que esteja em certas regiões do espaço ao redor do núcleo. Nós podemos visualizar onde é mais provável que esteja dizendo o seguinte: "Tudo bem, parece que 90 por cento das vezes está em uma esfera que se parece com algo assim". Mas, mais uma vez, ele pode estar aqui, pode estar aqui, pode estar aqui, pode estar aqui, pode estar aqui também, pode estar aqui. Pode estar em qualquer lugar. Eu estou apenas dizendo aqui que em 90 por cento do tempo ele vai estar nessa esfera. Essa é a visualização. Agora tem uma questão interessante aqui. E se você desse a esse elétron um pouco mais de energia? Bem, o que significa "dar energia" aqui nesse contexto? Se você pensar em planetas, foguetes ou satélites orbitando ao redor de alguma coisa, se você der um pouco mais de energia, se der um empurrãozinho, eles poderiam ter uma órbita maior. Seria algo assim. A diferença aqui é que a mecânica quântica não trata das coisas acontecendo gradualmente. Às vezes as pessoas pensam que "quantum" ou "quântico" significa pequeno ou algo parecido. Não, não é isso. A palavra quantum ou quântico significa que estamos falando sobre pacotes discretos ou múltiplos inteiros de alguma coisa. Então, em física quântica ou química quântica, se você adicionar uma certa quantidade de energia a um elétron, em vez de ter 90 por cento de chance de ele ser encontrado nessa primeira camada, nesse primeiro nível de energia, ele vai saltar para o próximo nível de energia ou a próxima camada e então teríamos uma probabilidade maior de encontrar esse elétron nessa outra camada, ou seja, agora temos uma probabilidade de 90 por cento de ele ser encontrado nessa camada bem aqui. Assim, se você der a ele o impulso certo de energia... Mais uma vez falando só um pouquinho: uma fração dessa energia não vai funcionar. É preciso fornecer a energia suficiente para que ele salte para o próximo nível de energia. Assim ele vai formar esse padrão estranho que se parece com halteres, em que em 90 por cento do tempo podemos encontrá-lo neste orbital que tem essa forma. Eu fiz isso na direção horizontal, mas poderia ter feito na direção vertical ou ainda de forma perpendicular ao plano dessa tela, ou seja, entrando e saindo da tela. Agora um detalhe interessante é que se continuar adicionando mais e mais energia, a gente vai obter formas cada vez mais exóticas para os orbitais. Se você está se perguntando de onde vêm essas formas, pense em ondas estacionárias. Essa é a melhor dica que posso dar para você, porque no nível quântico (na verdade em todos os níveis, mas especialmente no nível quântico) temos coisas como elétrons, que têm propriedades tanto de partícula quanto de onda. Então imagine algo como uma onda estacionária, em que se eu pegasse uma corda e apenas a sacudisse, poderia obter ondas estacionárias parecidas com isso aqui. De forma parecida, se eu pegasse algum tipo de membrana em duas dimensões e empurrasse um lado para baixo, desse jeito, se eu batesse nisso aqui, faríamos com que essa parte descesse e essa outra parte aqui subisse. Agora, quando a gente chega a três dimensões, acaba obtendo essa forma de haltere e quando adicionamos mais e mais energia, a gente obtém mais e mais formas exóticas. Como às vezes é um pouco difícil de imaginar isso, eu estou colocando aqui uma renderização feita em um computador dos primeiros orbitais. Se temos o elétron no nível de energia mais baixo, teremos ele no que é chamado de orbital s. Esse aqui. E o chamamos de 1s porque está na primeira camada, a mais próxima do núcleo. Se você fornecer mais energia, esse elétron pode pular para o segundo nível de energia, ou para segunda camada, e o orbital nessa camada, se for a energia mais baixa na segunda camada, será o orbital 2s. Agora, mais uma vez falando, ainda temos esse orbital esférico, só que é um pouco mais provável que o elétron seja encontrado um pouco mais distante do núcleo do que antes, quando estávamos na primeira camada. Então, se você adicionar mais energia, o elétron ainda vai ficar na segunda camada, mas ele vai poder estar em um desses orbitais que tem energias mais altas. Sendo assim, podemos ver isso aqui como o orbital 2p que está na dimensão x. Também poderia estar no orbital 2p que está na dimensão y. Ah, algumas pessoas chamam isso aqui de 2px, isso aqui de 2py. Também poderíamos ter esse outro orbital, que você pode ver como entrando e saindo aqui do plano da tela, ou seja, como a dimensão z. Então isso é 2pz. E claro, os orbitais continuam. Existe um orbital d quando chegamos à terceira camada. Depois de chegar à quarta camada, também tem um orbital f. Enfim, tudo o que falamos até agora é sobre um hidrogênio, que tem apenas um elétron. Inclusive, a gente viu aqui o que acontece quando continua dando mais energia para o elétron. Agora, o que aconteceria se a gente tivesse aqui dois elétrons? Bem, não seria exatamente a mesma coisa, mas essa é uma boa aproximação. Afinal, podemos realmente colocar dois elétrons neste orbital 1s, mas mais do que isso, como você pode imaginar, os elétrons estão se repelindo. Então mais que isso, por exemplo ao colocar um terceiro elétron, ele não vai querer ficar nesse orbital 1s. Sendo assim, ele vai acabar indo para o orbital 2s. Ele vai estar nesse nível de energia mais alto que consegue caber até dois elétrons também. Sendo assim, podemos colocar até quatro elétrons entre 1s e 2s, ou seja, ao adicionar um quinto elétron ele vai ter que entrar em um desses orbitais p. Agora, apenas para ter certeza de que você entendeu a terminologia de orbitais e camadas, eu quero falar um último ponto. Em primeiro lugar, temos essa ideia de camada, e às vezes a palavra camada será usada alternadamente com o nível de energia, ou níveis de energia. Sabendo disso, nesse diagrama ou nessa visualização aqui, eu descrevi uma camada e também duas camadas. Portanto, aqui temos uma camada, aqui temos uma visualização de duas camadas. Mas você também vai ouvir o termo subcamada ou às vezes subníveis. Em ambos os casos, as pessoas estarão falando sobre s, p, d, ou eventualmente f. Quando destaco esse primeiro aqui, eu estou falando sobre a primeira camada. Agora a primeira camada contém apenas uma subcamada, que é a subcamada 1s. E a subcamada 1s tem apenas um orbital: o orbital 1s. Portanto, para a primeira camada, a camada, a subcamada e o orbital se referem à mesma coisa, mas quando chegamos à segunda camada, temos algo um pouco diferente. Se a gente estiver falando da subcamada na segunda camada, teremos s e p. Então essa é uma subcamada e essa é outra subcamada, bem aqui. Na verdade, existem três orbitais na subcamada p. Bem, eu vou parar por aqui agora, mas em outros momentos vamos olhar alguns átomos e pensar sobre suas configurações de elétrons, ou seja, vamos buscar saber onde seus elétrons estarão e em qual dessas camadas, subcamadas e orbitais. Eu espero que você tenha compreendido tudo direitinho o que conversamos aqui e mais uma vez eu quero deixar para você um grande abraço e dizer que encontro você na próxima!