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Introdução ao átomo

Aprenda como os átomos são constituídos por prótons, nêutrons e elétrons. Elementos são definidos pelo número atômico, o número de prótons no núcleo. A massa de um átomo é determinada pelo número total de prótons e nêutrons.  Versão original criada por Sal Khan.

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Transcrição de vídeo

RKA7 - Na maioria dos tópicos, você precisa estar bem avançado antes de começar a abordar as coisas filosoficamente interessantes. Mas, na química, isso começa logo no início com o que é discutivelmente a parte mais filosoficamente interessante do tópico inteiro, e isso é o átomo. E a ideia do átomo, como filósofos há muito tempo, e você poderia procurar isso nos diferentes filósofos que foram os primeiros a filosofar sobre isso, eles diziam, você sabe, se eu começasse com uma maçã, e continuasse cortando a maçã, vou desenhar direito para não parecer um coração. Você tem uma maçã e continua cortando-a em pedaços cada vez menores. Futuramente, você ficará com um pedaço tão pequeno que não poderá mais cortá-lo. E tenho certeza de que alguns desses filósofos saíram por aí com uma faca e tentaram fazer isso, e viram que se eu afiar um pouco mais a faca, poderia continuar contando. É uma ideia completamente filosófica que, francamente, em muitas formas, não é muito diferente de como o átomo é hoje. É, realmente, apenas uma distração mental que nos permite descrever muitas observações feitas sobre o universo Mas, de qualquer forma, esses filósofos disseram que, em algum ponto, eles imaginaram que haveria uma pequena parte de uma maçã que não conseguiriam mais dividir, e chamaram isso de átomo. Não precisa ser apenas com uma maçã, disseram que isso era verdadeiro para qualquer substância ou elemento que você encontra no universo. E a palavra átomo vem do grego e significa indivisível, o que você não pode cortar ou dividir, indivisível. Agora, sabemos que, na verdade, isto pode ser cortado, e mesmo que isso não seja comum, não é a menor forma de matéria que conhecemos. Sabemos que um átomo é feito de outras partículas mais fundamentais. Deixe-me anotar isso. Agora, temos o nêutron, e desenharei, daqui a pouco, como tudo isso se encaixa e a estrutura do átomo também. Temos um nêutron, temos um próton, e temos elétrons. Talvez você já esteja familiarizado com isto se assistir aos vídeos antigos sobre projetos atômicos. Você verá um desenho que se parece com isto, deixe-me ver se consigo desenhar. Você terá algo assim. E temos estas coisas girando em volta que se parecem com isto. Eles têm órbitas que se parecem com isto e, talvez, algo que se pareça com isto. A noção geral por trás destes tipos de desenhos nucleares, e tenho certeza de que eles ainda aparecerão em alguns laboratórios de defesa governamental ou algo assim, é que você tem o núcleo no centro do átomo, e sabemos que um núcleo possui nêutrons e prótons. Falaremos um pouco mais sobre quais elementos possuem quantos nêutrons e quantos prótons. Depois, a órbita, eu vou usar a palavra órbita agora embora iremos aprender daqui a pouco que a palavra órbita é incorreta, ou até a maneira incorreta de visualizar mentalmente o que um elétron está fazendo. Mas a ideia antiga era que você  tem estes elétrons que estão girando em volta do núcleo de modo muito semelhante à forma de como a Terra gira ao redor do Sol, ou a Lua gira ao redor da Terra. Isto foi mostrado que, na verdade, está errado e, quando falarmos de mecânica quântica, aprenderemos porque isto não funciona, quais são as contradições que surgem quando você tenta modelar um elétron como um planeta que gira ao redor do Sol. Porque esta é a ideia original e, sinceramente, eu acho que esta é a ideia mais importante ao visualizar um átomo. Agora, eu disse que um átomo é filosoficamente interessante. Por que é filosoficamente interessante? Porque o que nós vemos como a forma aceita de visualizar um átomo começa a confundir a linha entre a nossa realidade física e tudo no mundo é apenas informação. Não existe matéria verdadeira ou partículas verdadeiras como o modo que as definimos no dia a dia. Você sabe, para mim, uma partícula parece um grão de areia, posso pegá-lo, tocá-lo. Enquanto uma onda seria uma onda sonora, poderia ser apenas essa alteração de energia ao longo do tempo. Mas aprendemos, principalmente quando se trata de mecânica quântica, que tudo isso se aglomera conforme começamos a abordar as escalas ou o tamanho de um átomo. Eu disse que essa era uma forma errada de se fazer isso. Qual é a forma correta? A verdade é que isto também é uma representação. É uma pergunta interessante. Como se pode ter uma foto de um átomo. Porque o que acontece é que a maioria dos comprimentos das ondas de luz, principalmente o comprimento de ondas de luz visíveis, é muito maior que o tamanho de um átomo. Todo o resto que "observamos na vida" é a luz refletida. Mas, de repente, quando você está lidando com um átomo, você poderia quase ver a luz refletida como grande demais, ou um instrumento muito ineficiente para se observar um átomo. De qualquer forma, isto é uma representação de um átomo de hélio. Um átomo de hélio tem dois prótons e dois nêutrons. Ou, pelo menos, este átomo de hélio tem dois prótons e dois nêutrons. O modo de descrevê-lo no núcleo, bem aqui, talvez estes sejam os dois, estou supondo o vermelho para o próton e o roxo para o nêutron. O roxo parece uma cor mais neutra. E estão parados no centro deste átomo. Depois, toda esta névoa em volta são os dois elétrons que o hélio possui, ou pelo menos que este átomo de hélio tem. Talvez você possa ganhar ou perder um elétron, mas estes são os dois elétrons. E aí, você pode perguntar como dois elétrons podem ser esta névoa ofuscada em volta deste átomo? E este é o momento em que fica  filosoficamente interessante. Você não pode descrever o caminho de um elétron em volta de um núcleo com a ideia tradicional de órbita que encontramos quando observamos planetas, ou se apenas imaginarmos coisas em uma escala maior. A verdade é que um elétron, você não pode saber exatamente o seu momento e local em um determinado ponto no tempo. Tudo que você sabe é uma distribuição de probabilidade de onde ele pode estar. E o descreveram assim: o preto é uma maior probabilidade. Você tem uma maior propensão de encontrar um elétron aqui do que aqui. Mas o elétron poderia estar em qualquer lugar. Então, ele poderia estar aqui, mesmo que esteja completamente em branco com uma probabilidade muito baixa. Então, esta função de onde um elétron está é chamada de orbital. Não confunda com órbita.  É orbital. Lembre-se, uma órbita era algo assim. É como Vênus girando em torno do Sol. É fisicamente muito fácil para nós imaginarmos, enquanto um orbital é uma função de probabilidade matemática que nos diz onde poderemos encontrar um elétron. Vamos nos aprofundar mais quando abordarmos a mecânica quântica. Mas isso não será o escopo destas aulas introdutórias de química. Mas é interessante. O comportamento de um elétron é tão bizarro nesta escala que você não pode chamar de partícula, é quase um equívoco. Isto é chamado de partícula, mas não é uma partícula no sentido que estamos acostumadas no dia a dia. É algo que não podemos nem dizer exatamente onde está, pode estar em qualquer lugar nesta névoa. E aprenderemos mais tarde que há diferentes formas de névoas conforme adicionamos mais e mais elétrons em um átomo. Mas, para mim, começa a abordar questões filosóficas sobre o que a matéria é ou as coisas que observamos, ou o quão real elas são, pelo menos conforme nós definimos a realidade. De qualquer forma, eu não quero ser muito filosófico mas toda a noção de elétrons e prótons está baseada nesta noção de carga. E já falamos sobre isso antes de aprendermos a lei de Coulomb. Você poderia revisar os vídeos sobre a lei de Coulomb na lista de reprodução de física. Mas a ideia é que um elétron tem uma carga negativa. Um próton, às vezes escrito desta forma, tem carga positiva. E o nêutron não tem carga. E é por isso que o modelo original de um elétron era atraente. Se eles disserem que tudo bem, se isto tem cargas positivas, certo? Então, vamos supor que isto sejam dois nêutrons e dois prótons. Vamos supor que isto seja um átomo de hélio. Depois, teremos cargas positivas aqui. Temos muitas cargas negativas aqui. Cargas opostas se atraem. E se estas coisas têm alguma velocidade suficiente, girariam em torno disto, da mesma forma que um planeta giraria em torno do Sol. Mas agora que aprendemos, mesmo que isso seja parcialmente verdadeiro, quanto mais longe um elétron estiver do núcleo, ele possuirá mais energia potencial. Assim, vai querer se mover para mais perto do núcleo. Mas por causa de toda a mecânica nível quântico, não fará algo simples assim como se mover em um caminho, como um cometa faria em torno do Sol. Na verdade, tem um comportamento parecido com o de uma onda, onde tem esta função de probabilidade que o descreve. Quanto mais longe estiver um orbital, mais potencial terá. Veremos mais exemplos em outros vídeos. Mas, de qualquer forma, você reconhece um elemento? Já falei muito sobre a filosofia e tudo o mais, mas como eu posso saber que isto é hélio? É pelo número de nêutrons que possui? É pelo número de prótons que possui? É pelo número de elétrons? A resposta é: pelo número de prótons. Então, se você souber o número de prótons de um elemento, você sabe que elemento é esse. O número de prótons é definido como número atômico. Agora, vamos supor que eu tenha dito que algo tenha quatro prótons. Como sabemos o que é? Se não decorarmos, podemos procurar na tabela periódica de elementos com a qual estaremos lidando com bastante frequência nesta lista de reprodução. E você diria quatro prótons, e isto é o berílio, aqui. E o número atômico você vê aqui. Isto é, literalmente, o número de prótons. É isto o que diferencia um átomo do outro. Se você tiver 15 prótons, você está lidando com o fósforo. E, de repente, se você tiver sete prótons, você está lidando com o nitrogênio. Se você tiver oito, está lidando com o oxigênio. Isto é o que define o elemento. Agora, falaremos mais sobre o que acontece com a carga e tudo o mais. Ou o que acontece quando você ganha ou perde elétrons. Mas isso não muda o elemento com o qual você está lidando. Da mesma forma, quando você muda o número de nêutrons, isto também não muda o elemento com o qual você está lidando. Mas isto leva a uma questão óbvia: quantos nêutrons e elétrons você tem? Se um átomo tiver uma carga neutra, significa que tem o mesmo número de elétrons Digamos que eu tenha o carbono, seu número atômico é 6. E digamos que o número de sua massa seja 12. Agora, o que significa? E digo mais, esta é uma partícula neutra, é um átomo neutro. Então, o número atômico do carbono é 6, e isto nos diz exatamente quantos prótons ele possui. Se eu fosse desenhar um pequeno modelo aqui, e isto não está de forma alguma em um modelo preciso, desenharei 6 prótons no centro. E o peso destes prótons, cada próton é uma unidade de massa atômica, e falaremos mais sobre como isto se relaciona com kg. É uma fração muito pequena de 1 kg. Aproximadamente, acho que é 1,6 vezes 10⁻²⁷ de 1 kg. Digamos que cada um destes seja uma unidade de massa atômica e que isto é, aproximadamente, igual a 1,67 vezes 10⁻²⁷ kg. Este é um número muito pequeno. Na verdade, é quase impossível de visualizar, pelo menos para mim. Isto me diz que a massa do átomo inteiro de carbono, deste átomo de carbono específico, pode mudar do átomo de carbono para o átomo de carbono. Isso é, essencialmente, a massa de todos os prótons mais todos os nêutrons e cada próton tem uma massa atômica de um nas unidades de massa atômica. Cada nêutron tem uma massa atômica de uma unidade de massa atômica. Então, este é, realmente, o número de prótons mais o número de nêutrons. Neste caso, temos 6 prótons.  Então, devemos ter 6 nêutrons. 6 nêutrons mais 6 prótons. Agora, onde estão os elétrons? Eu disse que é neutro. O próton tem uma carga positiva igual à carga negativa do elétron. Isto é um átomo neutro e tem 6 prótons. Então, tem também 6 elétrons. Deixe-me desenhar isto. Falamos que tem 6 nêutrons aqui, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Este é o núcleo, bem aqui. Se eu tivesse que desenhar os elétrons, eu poderia desenhar como um borrão, mas se quisermos visualizar um pouco melhor, poderíamos dizer que terá que haver 6 elétrons orbitando. E eles estarão se movendo dessa forma imprevisível, e teríamos que descrever com uma função de probabilidade. O interessante nisto, a maior parte da massa de um átomo está parada aqui. Quero dizer, talvez você perceba que quando as pessoas se importam com a massa, quando elas se importam com o número de massa atômica de um átomo, elas ignoram os elétrons. E é por isso que a massa de um próton, ou um próton com relação à massa, é igual a 1.836 elétrons. Para pensar sobre a massa de um átomo, para todos os fins básicos, você pode ignorar a massa de um elétron. É realmente a massa do núcleo que conta como a massa do átomo. Agora, talvez você veja esta tabela periódica e você diga que eles lhes deram o número atômico, que o número atômico do oxigênio é 8. Isto significa que tem 8 prótons. O número atômico do silício é 14. O silício tem 14 prótons. Agora, o que isto aqui significa? Vamos ver no carbono. No carbono, eles têm este 12,0107. Esta é a massa atômica do carbono, deixe-me escrever isto. Massa atômica do carbono. A massa atômica do carbono é 12,0107. O que significa? Significa que o carbono tem 6 prótons. E, depois, o restante, os 6,01017 nêutrons restantes, tem mais ou menos desta fração de 1 nêutron? Não! Isto significa que se você tivesse que encontrar a média de todas as versões diferentes de carbono que você pode encontrar no planeta, e se você fosse calcular a média do número de nêutrons baseada na quantidade dos diferentes  tipos de carbono, esta seria a média que você obteria. O que acontece é que o carbono, as duas formas principais, a forma principal que você encontra é o carbono-12, e isto é assim, ele possui 6 prótons e 6 nêutrons, e, depois, outro isótopo de carbono. Agora, um isótopo é o mesmo elemento com um número diferente de nêutrons. Outro isótopo de carbono é o carbono-14, que é muito mais escasso no planeta. Não sabemos quanto no universo, mas no planeta. Se você fosse calcular a média destes, não apenas uma média convencional, e você teria o carbono-13, e o peso atômico seria 13, mas terá um peso muito maior deste porque este existe em quantidades muito maiores na Terra. Digo, isto é, basicamente, todo o carbono que você vê, mas há um pouco disto. Então, se você pesá-los adequadamente, a média será esta. A maioria do carbono que você encontrará, se simplesmente encontrar carbono em algum lugar, em média, seu peso em unidades de massa atômica será 12,0107. Mas essa ideia de um isótopo é interessante. Lembre-se, quando você muda os nêutrons, você não está mudando o elemento  fundamental em si. Você só está pegando um isótopo diferente, uma versão diferente do elemento. Estas duas versões de carbono são isótopos. Agora, quero deixar este vídeo com o que eu acho que é a ideia mais interessante por trás dos átomos, e são as coisas mais filosoficamente interessantes sobre os átomos. É que o tamanho relativo, temos estes elétrons que representam um pouco da massa de um átomo, 1 sobre 2.000 da massa de um átomo, são os elétrons. E, mesmo assim, é difícil descrevê-los como partículas, porque você não consegue distinguir exatamente onde e quão rápido estas partículas estão se movendo. Eles possuem uma função de probabilidade. Então, a maior parte do átomo está parada dentro do núcleo. E esta é a parte interessante. Se você olhar para um átomo, em média, se você disser que este é o meu átomo, vamos dizer que eu tinha dois átomos que estão ligados, e se eu perguntasse quanto disto é um material de verdade, e quando eu digo material, é um conceito muito abstrato porque estamos falando sobre o núcleo. Porque o núcleo é onde toda a massa está, todo o material. A verdade é que é uma fração infinitesimalmente pequena do volume do átomo, onde o volume do átomo é difícil de se definir porque um elétron pode estar em qualquer lugar. Mas se você olhar o volume como onde você provavelmente encontraria o elétron, ou com 90% de chances de encontrar o elétron, o núcleo, em muitos casos é o modo como eu vejo isto, é cerca de 1 sobre 10.000 do volume. Se pensar nisto, quando você olhar para algo, se você olhar para a sua mão, ou se você olhar para a parede, ou se você olhar para o seu computador, 99,99% dele é espaço livre. Não é nada. É vácuo. Se você tivesse partículas, eu acho que poderíamos chamar isto de partículas, ou algo assim, ultra pequenas, a maioria passaria reto, independente de para onde você estivesse olhando. Então, já começo a questionar a realidade. O que há ali quando se, e isto é fato, isto não é uma teoria, que se você observar qualquer coisa em nível dos blocos de construção, do nível atômico, a maior parte do espaço deste objeto, entre aspas, é espaço livre. Você poderia pular isto se pudesse alcançar esta escala. Esta imagem de um átomo de hélio, dizem que bem aqui é um femtômetro, certo? Femtômetro. Esta é uma escala do núcleo de um átomo de hélio. Um femtômetro. Isso é um angström e dizem que é igual a 100.000 femtômetros. E, apenas para ter uma sensação de escala, um angström é 1 vezes 10 elevado  a 10 metros negativos. Então, um átomo está, aproximadamente, na escala de 1 angström. No caso do hélio, o núcleo é uma fração ainda menor, é 1 sobre 100.000. Então, se você tiver, digamos que você tenha hélio líquido, que você possa obter uma temperatura muito baixa, se estiver olhando para isto, a maior parte dele é espaço livre. Se estiver olhando para uma barra de ferro, uma parte muito grande é espaço livre. E não estamos nem falando sobre, talvez haja um espaço dentro do núcleo sobre o qual também poderíamos falar no futuro. Mas, para mim, eu fico impressionado com o fato de que a maioria das coisas para as quais olhamos não é realmente sólida, são apenas espaços vazios, mas parece totalmente sólido por causa do modo de como a luz reflete ou as forças que não se repelem. Mas não há algo em que possamos tocar. A maior parte disto aqui é espaço livre. Acho que eu disse a palavra espaço livre e acho que deixaria as coisas mais complicadas no próximo vídeo.