Modelos atômicos

Os modelos atômicos são teorias desenvolvidas por cientistas que tentam explicar o funcionamento da matéria e de seus fenômenos. Todas elas se baseiam na existência de uma partícula fundamental, o átomo. A interpretação do átomo vai evoluindo a cada modelo atômico, de acordo com os conhecimentos científicos da época. Os modelos atômicos desenvolvidos foram: modelo atômico de Dalton, modelo atômico de Thomson, modelo atômico de Rutherford, modelo atômico de Bohr e modelo atômico de Schrödinger.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre modelos atômicos
• 2 - Videoaula sobre modelos atômicos
• 3 - Quais são os modelos atômicos?
• 4 - Modelo atômico de Dalton
• 5 - Modelo atômico de Thomson
• 6 - Modelo atômico de Rutherford
• 7 - Modelo atômico de Bohr
• 8 - Modelo atômico de Schrödinger
• 9 - História dos modelos atômicos
• 10 - Exercícios resolvidos sobre modelos atômicos

Resumo sobre modelos atômicos

• Os modelos atômicos são teorias criadas para explicar a composição e o funcionamento da matéria.

• Foram evoluindo em paralelo com o avanço da ciência.

• O primeiro modelo atômico foi proposto por Dalton, em 1808, que afirmava que o átomo é uma esfera maciça indivisível e indestrutível.

• Em 1887, Thomson atualizou o modelo atômico afirmando a existência de carga elétrica.

• Mais tarde, em 1911, Rutherford determinou que o átomo é formado por duas regiões: o núcleo e a eletrosfera.

• Niels Bohr propôs a existência de camadas eletrônicas na eletrosfera para resolver limitações físicas no modelo de Rutherford, no modelo que ficou conhecido como modelo de Rutherford-Bohr.

• Em 1926, Erwin Schrödinger determinou a existência de orbitais, que são regiões com diferente probabilidade de se encontrar o elétron.

Videoaula sobre modelos atômicos

Quais são os modelos atômicos?

• Modelo atômico de Dalton (modelo bola de bilhar) — 1808.

• Modelo atômico de Thomson (modelo pudim de passas) — 1898.

• Modelo atômico de Rutherford (modelo planetário) — 1911.

• Modelo atômico de Bohr (modelo Rutherford-Bohr) — 1913.

• Modelo atômico de Schrödinger (modelo mais aceito atualmente) — 1926.

Modelo atômico de Dalton

O modelo atômico de Dalton foi a primeira teoria proposta para tentar explicar a construção da matéria e foi desenvolvida por John Dalton em 1808.

Esse modelo supõe que o átomo é uma esfera maciça, homogênea, indivisível e indestrutível e, por isso, é também conhecido como modelo da “bola de bilhar”.

Dalton determinou alguns princípios que explicavam a matéria e seus fenômenos, baseado na ideia de que o átomo é uma esfera indivisível:

• A matéria é formada por pequenas partículas que não se dividem, os átomos.

• Os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos.

• Os átomos de elementos químicos diferentes possuem propriedades físicas e químicas distintas.

• Átomos não são criados ou destruídos.

• Um elemento é definido pelo peso do seu átomo.

• Ao formar substâncias, os átomos não se alteram.

• Uma reação química ocorre mediante a simples reorganização dos átomos, os quais mantêm a sua identidade.

Atualmente, se conserva a maioria desses princípios, com exceção de que o átomo é maciço e indivisível e que os elementos são definidos pelo seu peso (na realidade, é pelo seu número atômico).

Interessante: Antes de Dalton propor a primeira teoria atômica, o homem já se questionava sobre a composição da matéria. No século V a.C., na Grécia Antiga, os filósofos Demócrito e Leucipo utilizaram pela primeira vez o termo átomo para se referir às partículas pequenas, indivisíveis e indestrutíveis, que eles acreditavam ser a unidade constituinte da matéria.

Modelo atômico de Thomson

O modelo atômico proposto por Joseph John Thomson, em 1898, afirma que o átomo possui natureza elétrica, é divisível e formado por partículas subatômicas.

Thomson descobriu a existência de partículas carregadas negativamente (elétrons) no átomo, derrubando o conceito de Dalton, que afirmava que o átomo seria indivisível.

Por meio de experimentos, Thomson construiu uma nova teoria atômica, na qual defendeu a existência de cargas elétricas negativas presas a um núcleo, com carga elétrica positiva. Devido a essa estrutura, esse modelo atômico é conhecido como modelo do “pudim de passas”.

As considerações do modelo atômico de Thomson são:

• O átomo é esférico e divisível.

• O átomo é eletricamente neutro, possuindo a mesma quantidade de partículas negativas e positivas.

• Os elétrons não estão presos no núcleo positivo, podendo ser transferidos a outros átomos, em determinadas condições.

• As cargas elétricas negativas estão uniformemente distribuídas ao redor do núcleo positivo, por repulsão eletrostática.

Modelo atômico de Rutherford

Ernest Rutherford propôs um novo modelo atômico em 1911, no qual afirma que o átomo é formado por uma região central de massa elevada e com caráter elétrico positivo. Em torno dele, há uma região de massa desprezível em que orbitam os elétrons (partículas de carga negativa).

Em razão dessa configuração, o átomo de Rutherford é comparado ao Sistema Solar, assumindo o núcleo como o Sol e os elétrons como os planetas, e conhecido como modelo do sistema planetário.

Nesse modelo, o átomo é formado por duas principais regiões: o núcleo e a eletrosfera. O núcleo é a região central do átomo. Apresenta alta massa e alta densidade por concentrar as partículas de carga elétrica positiva (prótons) em um pequeno volume.

A eletrosfera é a região em torno do núcleo que abriga os elétrons. Como os elétrons são partículas minúsculas, assume-se que a eletrosfera é formada por extensos espaços vazios, por isso possui baixa densidade.

Modelo atômico de Bohr

O modelo atômico de Bohr, proposto por Niels Bohr em 1913, determina que a eletrosfera é formada por camadas de energia nas quais se distribuem os elétrons.

Esse modelo é conhecido também como modelo atômico de Rutherford-Bohr, pois é uma evolução do modelo de Rutherford e resolve uma de suas falhas, que trata da estabilidade dos átomos. O modelo de Rutherford, apesar de explicar muitos aspectos da matéria, desobedecia a alguns princípios de energia da Mecânica Clássica, como o fato de os elétrons não perderem energia durante sua trajetória circular em torno do núcleo.

Empregando os conceitos recém-descobertos da Mecânica Quântica, o físico Niels Bohr conseguiu justificar essa observação, determinando que os elétrons ocupam camadas eletrônicas com valores pré-definidos de energia, de maneira que a energia do elétron em uma camada se mantém constante ao longo de sua movimentação.

As camadas eletrônicas são mais energéticas conforme mais distantes do núcleo se encontrem. Os elétrons podem transitar entre as camadas apenas por meio da absorção ou liberação da diferença de energia existente entre duas camadas. Esse processo é conhecido como transição eletrônica.

As camadas eletrônicas do modelo atômico de Bohr são representadas pela sequência de letras K, L, M, N, O, P e Q, cada uma possuindo uma determinada capacidade de acomodar elétrons.

O modelo atômico de Rutherford-Bohr é construído com base em alguns postulados:

• Os elétrons descrevem órbitas eletrônicas circulares ao redor do núcleo, em razão da atração eletrostática entre cargas elétricas de sinais opostos.

• Essas órbitas são as camadas ou níveis eletrônicos.

• As camadas eletrônicas possuem apenas valores de energia constantes e determinados (conceito de quantização de energia).

• A movimentação dos elétrons em uma camada eletrônica não envolve emissão ou absorção de energia de forma espontânea.

• Os elétrons não ocupam regiões intermediárias entre as camadas.

• Os elétrons apenas transitam para uma camada de maior energia ao absorver energia de uma fonte externa, situação em que ficam instáveis. Para retomar a estabilidade, os elétrons retornam ao seu nível inicial, liberando a energia absorvida sob a forma de luz ou calor. Esse conceito é conhecido como transição eletrônica.

O modelo de Bohr é o mais empregado para entender a estrutura atômica, no entanto também apresenta algumas limitações, como a falha para explicar a ocorrência de ligações químicas e o comportamento de átomos maiores.

Acesse também: Distribuição eletrônica em camadas — como fazer?

Modelo atômico de Schrödinger

Com a evolução da ciência e da Mecânica Quântica, novas teorias foram desenvolvidas para entender o átomo. O modelo atômico atualmente aceito é o modelo proposto por Schrödinger em 1926, que conta com a contribuição de outros cientistas e suas descobertas.

Antes de Schrödinger propor sua teoria para explicar o átomo, o físico Arnold Sommerfield fez uma relevante contribuição ao modelo atômico de Rutherford-Bohr, propondo que as órbitas eletrônicas não seriam circulares, mas sim elípticas. Isso foi importante, porque determinava que os elétrons possuíam velocidades diferentes, uma vez que estavam a diferentes distâncias do núcleo.

O físico Louis de Broglie, baseando-se no conceito da dualidade onda-partícula, determinou que o elétron possui trajetória constante quando se comporta como partícula e movimento ondulatório quando se comporta como onda.

Assim, reunindo todos esses conceitos e fazendo uso de cálculos matemáticos, Schrödinger concluiu que a eletrosfera não é formada por órbitas de trajetória determinada, mas sim por regiões que se assemelham a nuvens eletrônicas.

Com essa ideia, o modelo atômico de Schrödinger inseriu o conceito de orbital atômico, explicado como sendo uma região de alta probabilidade de se encontrar elétrons e que é definida matematicamente por meio de uma equação matemática, conhecida como função de onda.

História dos modelos atômicos

Os primeiros registros sobre tentativas de entender a matéria e seus fenômenos são de cunho filosófico, e não experimental. Em 478 a.C., Leucipo defendia que o universo era formado por elementos indivisíveis e o vazio entre eles, sendo a movimentação de tais elementos responsável pelos eventos de criação e destruição de substâncias.

Mais tarde, seu seguidor, Demócrito, aperfeiçoou o pensamento de Leucipo, defendendo que a matéria era constituída por pequeníssimas partículas indivisíveis, às quais deu o nome de átomos. Ainda, Demócrito defendia que a formação da matéria resultava da combinação de partículas dos elementos fogo, água, terra e ar.

Essa discussão se manteve a nível filosófico até o século XVII, quando experimentos de laboratório começaram a ser desenvolvidos pelos cientistas da época.

Uma das primeiras contribuições científicas foram as de Robert Boyle, que concluiu que as substâncias químicas eram formadas por unidades fundamentais, as quais tinham diferentes naturezas, de acordo com a substância. Os estudos de Antoine Lavoisier para o princípio de conservação de energia impulsionaram o estudo, por outros cientistas, de combinações químicas entre átomos de diferentes elementos.

Baseado nos experimentos de confirmação das leis ponderais, John Dalton chegou à formulação da primeira teoria atômica em 1808, afirmando que a matéria é formada por partículas indivisíveis e maciças. Mais tarde, foi verificado que na realidade os átomos não eram indivisíveis, mas sim formados por partículas subatômicas que continham carga elétrica, sendo os átomos penetráveis e destrutíveis.

Em 1878, o cientista William Crookes criou um dispositivo que permitiu que gases, em determinada pressão, conduzissem corrente elétrica. Utilizando um equipamento semelhante, J. J. Thomson conseguiu determinar a existência de partículas carregadas negativamente no átomo, as quais nomeou como elétrons.

Assim, o modelo de Dalton deixou de ser válido e foi atualizado por J. J. Thomson, que apresentou um novo modelo atômico, agora assumindo o átomo divisível e formado por partículas com carga elétrica negativa fixadas em um núcleo positivo. Para chegar a essa conclusão, Thomson contou com avanços da ciência obtidos por outros cientistas da época, como Robert Milikan, Michael Faraday e Eugen Goldstein.

Rutherford era um estudioso da radioatividade. Em um de seus dias de trabalho em 1911, notou que um feixe de partículas alfa, em vez de ser retido por uma lâmina metálica (resultado esperado caso o átomo fosse maciço), a atravessava, sendo que algumas partículas ainda sofriam desvios de trajetória.

Investigando essa observação experimental, Rutherford propôs um novo modelo atômico, ao concluir que, na realidade, os átomos são formados por duas regiões diferentes — uma densa e maciça, o núcleo, e outra quase vazia, onde orbitam os elétrons.

A proposta de Rutherford era bastante consistente e explicava diversos fenômenos da matéria. No entanto, ia contra um dos princípios da eletrodinâmica, que comprova que uma partícula em movimentação constante perde energia.

Pouco tempo depois, a contradição do modelo de Rutherford foi solucionada por Niels Bohr, com a combinação de princípios de Mecânica Clássica e de Mecânica Quântica na consolidação do modelo atômico de Bohr ou modelo atômico de Rutherford-Bohr, que possui como principal atualização a organização da eletrosfera em camadas de energia bem definidas, nas quais os elétrons se distribuem.

A teoria atômica mais aceita atualmente é a de Schrödinger, que, considerando os avanços da Mecânica Quântica e contando com a contribuição das descobertas de outros cientistas, estabeleceu o conceito de orbital atômico, explicando que a eletrosfera é semelhante a nuvens eletrônicas.

Saiba mais: Como foi feito o experimento de Thomson com descargas elétricas?

Exercícios resolvidos sobre modelos atômicos

Questão 1

(Fuvest) Thomson determinou, pela primeira vez, a relação entre a massa e a carga do elétron (m/z), o que pode ser considerado como a descoberta do elétron. É reconhecida como uma contribuição de Thomson ao modelo atômico:

A) o átomo ser indivisível.

B) a existência de partículas subatômicas.

C) os elétrons ocuparem níveis discretos de energia.

D) os elétrons girarem em órbitas circulares ao redor do núcleo.

E) o átomo possuir um núcleo com carga positiva e uma eletrosfera.

Resolução:

Alternativa B

Item A incorreto. O átomo é considerado indivisível no modelo atômico de Dalton.

Item B correto. A principal contribuição do modelo de Thomson foi a descoberta de que o átomo não é indivisível e possui partículas subatômicas eletricamente carregadas.

Item C incorreto. No modelo de Thomson, os elétrons estão fixos sobre o núcleo positivo. É no modelo de Rutherford-Bohr que é inserido o conceito de níveis ou camadas de energia.

Item D e E incorretos. No modelo de Rutherford, os elétrons giram em órbitas circulares ao redor do núcleo, região denominada eletrosfera. No modelo proposto por Thomson, não existe ainda o conceito de eletrosfera e movimentação dos elétrons.

Questão 2

(Enem) Em 1808, Dalton publicou o seu famoso livro intitulado Um novo sistema de filosofia química (do original A new system of chemical philosophy), o qual continha os cinco postulados que serviam como alicerce da primeira teoria atômica da matéria fundamentada no método científico. Esses postulados são numerados a seguir:

1. A matéria é constituída de átomos indivisíveis.

2. Todos os átomos de um dado elemento químico são idênticos em massa e em todas as outras propriedades.

3. Diferentes elementos químicos têm diferentes tipos de átomos; em particular, seus átomos têm diferentes massas.

4. Os átomos são indestrutíveis e nas reações químicas mantêm suas identidades.

5. Átomos de elementos combinam com átomos de outros elementos em proporções de números inteiros pequenos para formar compostos.

Após o modelo de Dalton, outros modelos baseados em outros dados experimentais evidenciaram, entre outras coisas, a natureza elétrica da matéria, a composição e organização do átomo e a quantização da energia no modelo atômico. Com base no modelo atual que descreve o átomo, qual dos postulados de Dalton ainda é considerado correto?

A) 1

B) 2

C) 3

D) 4

E) 5

Resolução:

Alternativa E

Item A e D incorretos. Hoje, sabe-se que os átomos são divisíveis e indestrutíveis.

Item B incorreto. Existem átomos de um mesmo elemento químico que possuem massas diferentes, haja visto os isótopos (elementos com mesmo número atômico e diferentes massas). Atualmente, o que caracteriza em elemento químico é seu número atômico.

Item C incorreto. Os isóbaros são elementos químicos diferentes e que possuem o mesmo número de massa.

Item E correto. Até hoje, entende-se que os átomos se combinam em determinadas proporções para formar compostos.

Créditos de imagem

[1] roseed abbas / Shutterstock

[2] roseed abbas / Shutterstock

Fontes:

UNIVESP (São Paulo). A evolução do modelo atômico. Disponível em: https://apps.univesp.br/evolucao-do-modelo-atomico/.

OLIVEIRA, Ótom Anselmo de; FERNANDES, Joana D’arc Gomes. Evolução dos modelos atômicos de Leucipo a Rutherford. Disponível em: https://docente.ifrn.edu.br/denilsonmaia/evolucao-dos-modelos-atomicos.

 

Por Ana Luiza Lorenzen Lima
Professora de Química