Átomos, elementos e compostos

Todas as substâncias são feitas de cerca de 100 blocos construtivos simples. Saber como eles estão ligados permite classificar toda substância em um de três grupos.

• Um elemento 元素 é uma substância feita de apenas um tipo de átomo 原子. Você não pode quebrá-lo em algo mais simples por meio de uma reação química. Exemplos: cobre, oxigênio, carbono.
• Um composto 化合物 é dois ou mais elementos quimicamente ligados (ligados) juntos. Os átomos estão ligados em uma proporção fixa. Exemplos: água, dióxido de carbono. Um composto possui propriedades diferentes dos elementos que o compõem.
• Uma mistura 混合物 é duas ou mais substâncias que estão apenas misturadas, não quimicamente ligadas. As partes mantêm suas próprias propriedades e podem ser separadas por métodos físicos. Exemplo: ar.

A diferença chave: em um composto, os elementos estão ligados e só podem ser separados por reações químicas; em uma mistura, eles não estão ligados e são fáceis de separar.

Dentro do átomo

Todo átomo possui um centro pequeno e denso chamado núcleo 原子核. Ao redor dele, elétrons 电子 movem-se em camadas 电子层 (níveis de energia). O núcleo contém dois tipos de partícula: prótons 质子和 nêutrons 中子。

Cada partícula possui uma massa relativa e uma carga relativa 电荷. Você deve memorizar esses valores:

Um átomo não possui carga líquida porque tem números iguais de prótons ($+1$ cada) e elétrons ($-1$ cada).

Número atômico e número de massa

Dois números descrevem um átomo:

• O número atômico 质子数 (também chamado de número atômico 原子序数) é o número de prótons no núcleo. Ele indica qual elemento é o átomo.
• O número de massa 质量数 (também chamado de número nucleônico 核子数) é o número total de prótons e nêutrons no núcleo.

Então o número de nêutrons $=$ número de massa $-$ número atômico.

Configuração eletrônica

Os elétrons preenchem as camadas de dentro para fora. A primeira camada suporta até 2 elétrons; as próximas camadas suportam até 8 cada (para os primeiros 20 elementos). A configuração eletrônica 电子排bur lista quantos elétrons estão em cada camada, começando de dentro.

Por exemplo, um átomo com 13 elétrons tem a configuração $2,8,3$. Sódio (número atômico 11) é $2,8,1$. Cálcio (número atômico 20) é $2,8,8,2$.

A configuração se liga à Tabela Periódica 周期表:

• O número de um Grupo 族 (Grupos I a VII) é igual ao número de elétrons na camada externa. Então $2,8,1$ está no Grupo I.
• O número de um Período 周期 é igual ao número de camadas que contêm elétrons. Então $2,8,1$ tem três camadas, logo está no Período 3.
• Os gases nobres 稀有气体 no Grupo VIII (ou 0) possuem uma camada externa cheia, o que os torna muito pouco reativos.

Isótopos 同位素 são átomos do mesmo elemento que possuem o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons. Como o número de prótons é o mesmo, eles são o mesmo elemento. Como o número de nêutrons é diferente, eles possuem números de massa diferentes.

Você escreve um átomo com seu número de massa em cima e número atômico embaixo, como $^{12}_{6}\text{C}$. Para um íon, você adiciona a carga, como $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Isótopos de um elemento possuem propriedades químicas iguais. Isso ocorre porque reações químicas envolvem apenas elétrons, e isótopos têm o mesmo número de elétrons e a mesma configuração eletrônica. (Os nêutrons extras alteram apenas a massa.)

Calculando a massa atômica relativa

A massa atômica relativa 相对原子质量 ($A_r$) de um elemento é a massa média de seus átomos, considerando a frequência de cada isótopo. A abundância 丰度 é a porcentagem de cada isótopo.

Por exemplo, o cloro é 75% $^{35}\text{Cl}$ e 25% $^{37}\text{Cl}$:

Exemplo resolvido. O boro tem dois isótopos, $^{10}\text{B}$ e $^{11}\text{B}$, e a sua $A_r$ é 10.8. Encontre a percentagem de cada um. Seja a abundância de $^{11}\text{B}$ igual a $x$, então a abundância de $^{10}\text{B}$ é $(100 - x)$. Então

então $11x + 1000 - 10x = 1080$, resultando em $x = 80$. O boro é 80% $^{11}\text{B}$ e 20% $^{10}\text{B}$. Verifique contra o senso comum: 10.8 está mais próximo de 11, portanto, o isótopo mais pesado deve ser o mais comum. Se sua resposta atribuir a maioria ao isótopo mais distante de $A_r$, você os inverteu.

Um íon 离子 é um átomo (ou grupo de átomos) que perdeu ou ganhou elétrons, possuindo assim uma carga elétrica.

• Um átomo metálico perde elétrons para formar um íon positivo, chamado ** cátion** 阳离子.
• Um átomo ametal ganha elétrons para formar um íon negativo, chamado ânion 阴离子.

Átomos fazem isso para obter uma camada externa completa, como um gás nobre.

Como se forma uma ligação iônica

Uma ligação iônica 离子键 é uma forte atração eletrostática 静电引力 entre íons de cargas opostas (um íon $+$ e um íon $-$ atraem-se mutuamente).

Ligações iônicas formam-se entre um metálico 金属 e um ametal 非金属. Considere o cloreto de sódio, $\text{NaCl}$. O sódio ($2,8,1$) cede seu único elétron externo ao cloro ($2,8,7$). Agora o sódio é $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) e o cloro é $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Ambos possuem camadas externas completas, e as cargas opostas atraem-se.

Você pode representar isso com um diagrama ponto-e-x: desenhe os elétrons da camada externa de cada átomo como pontos para um elemento e cruzes para o outro, mostrando depois o elétron se movendo do metal para o ametal.

Estrutura e propriedades de compostos iônicos

Um composto iônico 离子化合物 não é formado por moléculas 分子 separadas. Os íons compactam-se num retículo 晶格 gigante — um padrão regular de enormes quantidades de íons positivos e negativos alternados 交替.

Essa estrutura explica as propriedades:

Uma ligação covalente 共价键 forma-se quando dois átomos compartilham um par de elétrons. Ao compartilhar, cada átomo obtém uma camada externa completa (configuração de gás nobre). Ligações covalentes formam-se entre átomos ametais.

Algumas moléculas para saber:

• $\text{H}_2$ — dois átomos de hidrogênio compartilham um par de elétrons (uma ligação simples).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — cada um compartilha um par de elétrons.
• $\text{H}_2\text{O}$ — o oxigênio compartilha um par com cada um dos dois átomos de hidrogênio.
• $\text{NH}_3$ — o nitrogênio compartilha um par com cada um dos três átomos de hidrogênio.
• $\text{CH}_4$ — o carbono compartilha um par com cada um dos quatro átomos de hidrogênio.
• $\text{O}_2$ e $\text{CO}_2$ possuem ligações duplas (dois pares compartilhados); $\text{N}_2$ tem uma ligação tripla (três pares compartilhados); $\text{C}_2\text{H}_4$ e $\text{CH}_3\text{OH}$ também usam pares compartilhados.

Em um diagrama ponto-e-x para uma molécula, desenhamos os elétrons externos de cada átomo e mostramos quais pares são compartilhados na sobreposição entre os átomos.

Propriedades de compostos moleculares simples

Essas substâncias são formadas por moléculas pequenas e separadas.

• Possuem baixos pontos de fusão e ebulição. As ligações covalentes dentro de cada molécula são fortes, mas as forças intermoleculares 分子间作用力 (as forças entre uma molécula e outra) são fracas, exigindo pouca energia para separar as moléculas.
• São maus condutores de eletricidade, pois as moléculas não possuem carga líquida e nem elétrons livres ou íons para transportar carga.

Alguns compostos covalentes não são moléculas pequenas. Em vez disso, milhões de átomos são ligados por ligações covalentes formando uma única estrutura covalente gigante 巨型共价结构. As duas que você precisa saber são ambas formas de carbono.

Diamante 金刚石: cada átomo de carbono está ligado a quatro outros átomos de carbono. Isso cria uma rede 3-D muito forte e rígida. O diamante é extremamente duro, por isso é usado em ferramentas de corte 切割工具.

Grafite 石墨: cada átomo de carbono está ligado a apenas outros três, formando camadas planas 层. Existem forças fracas entre as camadas, permitindo que deslizem umas sobre as outras — isso faz do grafite um bom lubrificante 润滑剂. O quarto elétron externo de cada carbono é livre; esses elétrons deslocalizados 离域电子 podem se mover, fazendo com que o grafite conduza eletricidade e seja usado como eletrodo 电极.

Óxido de silício(IV) 二氧化硅 ($\text{SiO}_2$) possui uma estrutura covalente gigante semelhante à do diamante, sendo também muito duro e tendo um ponto de fusão muito alto.

Um metal é uma estrutura gigante de íons positivos rodeados por um 'mar' de elétrons deslocalizados livres para se mover por todo o metal. A ligação metálica 金属键 é a forte atração eletrostática entre esses íons positivos e o mar de elétrons.

Isso explica duas propriedades fundamentais dos metais:

• Boa condutividade elétrica: os elétrons deslocalizados são livres para se mover e transportar carga pelo metal.
• Maleabilidade 展性 (pode ser martelado em chapas) e ductilidade 延性 (pode ser esticado em fios): as camadas de íons positivos podem deslizarem umas sobre as outras sem romper a ligação metálica, permitindo que o metal mude de forma em vez de se quebrar.

• Número de nêutrons = número de massa − número de prótons. O número de prótons é o que determina a qual elemento um átomo pertence.
• Isótopos possuem as mesmas propriedades químicas porque reações envolvem apenas elétrons, e isótopos compartilham a mesma configuração eletrônica; apenas a massa difere.
• Correspondência entre estrutura e propriedades: iônico = retículo gigante (alto ponto de fusão; conduz apenas fundido ou em solução aquosa); molecular simples = forças fracas entre moléculas (baixo ponto de fusão; não conduz); covalente gigante = muito duro, ponto de fusão muito alto.
• Grafite conduz e é deslizante (um elétron livre por carbono; camadas deslizam); diamante não faz nenhum dos dois (todos os quatro elétrons ligados, sendo duro e não condutor). Metais conduzem e dobram graças ao mar de elétrons deslocalizados.
• Para a massa atômica relativa, calcule a média ponderada: $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.