VOLUME ATÔMICO: COMO ELE VARIA NA TABELA PERIÓDICA E EXEMPLOS - QUÍMICA - 2025

O volume atômico é um valor relativo que indica a relação entre a massa molar de um elemento e sua densidade. Portanto, esse volume depende da densidade do elemento, e a densidade, por sua vez, depende da fase e de como os átomos estão dispostos dentro dela.

Assim, o volume atômico de um elemento Z não é o mesmo em uma fase diferente daquela que exibe à temperatura ambiente (líquida, sólida ou gasosa), ou quando faz parte de determinados compostos. Assim, o volume atômico de Z no composto ZA é diferente daquele de Z no composto ZB.

Por quê? Para entendê-lo, é necessário comparar átomos com, por exemplo, mármores. Os mármores, como os azulados da imagem acima, têm um contorno material muito bem definido, que pode ser visto graças à sua superfície brilhante. Em contraste, a fronteira dos átomos é difusa, embora possam ser considerados remotamente esféricos.

Assim, o que determina um ponto além da fronteira atômica é a probabilidade nula de encontrar um elétron, e esse ponto pode estar mais longe ou mais perto do núcleo, dependendo de quantos átomos vizinhos interagem em torno do átomo em consideração.

Volume atômico e raio

A os dois átomos interagem H H molécula em _dois, as posições de seus centros são definidas como as distâncias entre eles (distâncias internucleares). Se ambos os átomos são esféricos, o raio é a distância entre o núcleo e o limite difuso:

Na imagem acima você pode ver como a probabilidade de encontrar um elétron diminui à medida que ele se afasta do núcleo. Então, dividindo a distância internuclear por dois, o raio atômico é obtido. Em seguida, assumindo uma geometria esférica para os átomos, a fórmula é usada para calcular o volume de uma esfera:

V = (4/3) (Pi) r ³

Nessa expressão, r é o raio atômico determinado para a molécula de H ₂. O valor de V calculado por este método impreciso pode mudar se, por exemplo, H ₂ for considerado no estado líquido ou metálico. No entanto, esse método é muito impreciso porque as formas dos átomos estão muito longe da esfera ideal em suas interações.

Para determinar os volumes atômicos em sólidos, muitas variáveis ​​relativas ao arranjo são levadas em consideração, e que são obtidas por estudos de difração de raios-X.

Fórmula adicional

A massa molar expressa a quantidade de matéria que possui um mol de átomos de um elemento químico.

Suas unidades são g / mol. Por outro lado, a densidade é o volume que um grama do elemento ocupa: g / mL. Como as unidades de volume atômico são mL / mol, temos que brincar com as variáveis ​​para chegar às unidades desejadas:

(g / mol) (mL / g) = mL / mol

Ou o que é o mesmo:

(Massa molar) (1 / D) = V

(Massa molar / D) = V

Assim, o volume de um mol de átomos de um elemento pode ser facilmente calculado; enquanto a fórmula do volume esférico calcula o volume de um átomo individual. Para chegar a este valor desde o início, é necessária uma conversão através do número de Avogadro (6,02 · 10 ^-23).

Como o volume atômico varia na tabela periódica?

Se os átomos forem considerados esféricos, sua variação será a mesma observada nos raios atômicos. Na imagem acima, que mostra elementos representativos, é ilustrado que da direita para a esquerda os átomos ficam menores; em vez disso, de cima para baixo eles se tornam mais volumosos.

Isso ocorre porque no mesmo período o núcleo incorpora prótons à medida que se move para a direita. Esses prótons exercem uma força atrativa sobre os elétrons externos, que sentem uma carga nuclear efetiva Z _ef, menor do que a carga nuclear real Z.

Os elétrons das camadas internas repelem os da camada externa, reduzindo o efeito do núcleo sobre eles; isso é conhecido como efeito de tela. No mesmo período, o efeito de tela não pode neutralizar o aumento no número de prótons, portanto, os elétrons na camada interna não impedem que os átomos se contraiam.

No entanto, a descida para um grupo permite novos níveis de energia, que permitem que os elétrons orbitem mais longe do núcleo. Da mesma forma, o número de elétrons na camada interna aumenta, cujos efeitos de proteção começam a diminuir se o núcleo adicionar prótons novamente.

Por estas razões, é apreciado que o grupo 1A tem os átomos mais volumosos, ao contrário dos átomos pequenos do grupo 8A (ou 18), os dos gases nobres.

Volumes atômicos de metais de transição

Os átomos do metal de transição incorporam elétrons nos orbitais d internos. Este aumento no efeito de tela e, assim como na carga nuclear real Z, se cancelam quase igualmente, de modo que seus átomos retêm tamanhos semelhantes no mesmo período.

Em outras palavras: em um período, os metais de transição exibem volumes atômicos semelhantes. No entanto, essas pequenas diferenças são enormemente significativas na definição de cristais metálicos (como se fossem mármores metálicos).

Exemplos

Duas fórmulas matemáticas estão disponíveis para calcular o volume atômico de um elemento, cada uma com seus exemplos correspondentes.

Exemplo 1

Dado o raio atômico do hidrogênio -37 pm (1 picômetro = 10 ^-12 m) - e do césio -265 pm-, calcule seus volumes atômicos.

Usando a fórmula do volume esférico, temos então:

V _H = (4/3) (3,14) (37 pm) ³ = 212,07 pm ³

V _Cs = (4/3) (3,14) (265 pm) ³ = 77912297,67 pm ³

Porém, esses volumes expressos em picômetros são exorbitantes, por isso são transformados em unidades de angstroms, multiplicando-os pelo fator de conversão (1Å / 100pm) ³:

(212,07 pm ³) (1Å / 100pm) ³ = 2,1207 × 10 ^-4 Å ³

(77912297,67 pm ³) (1Å / 100pm) ³ = 77,912 Å ³

Assim, as diferenças de tamanho entre o pequeno átomo H e o volumoso átomo Cs são evidenciadas numericamente. Deve-se notar que esses cálculos são apenas aproximações sob a afirmação de que um átomo é totalmente esférico, que vagueia diante da realidade.

Exemplo 2

A densidade do ouro puro é 19,32 g / mL e sua massa molar é 196,97 g / mol. Aplicando a fórmula M / D para calcular o volume de um mol de átomos de ouro, obtém-se o seguinte:

V _Au = (196,97 g / mol) / (19,32 g / mL) = 10,19 mL / mol

Ou seja, 1 mole de átomos de ouro ocupa 10,19 mL, mas que volume um átomo de ouro ocupa especificamente? E como expressá-lo em unidades de pm ³ ? Para isso, basta aplicar os seguintes fatores de conversão:

(10,19 mL / mol) · (mol / 6,02 · 10 ^-23 átomos) · (1 m / 100 cm) ³ · (1 pm / 10 ^-12 m) ³ = 16,92 · 10 ⁶ pm ³

Por outro lado, o raio atômico do ouro é 166 pm. Comparando-se os dois volumes - o obtido pelo método anterior e o calculado pela fórmula do volume esférico - verificar-se-á que não têm o mesmo valor:

V _Au = (4/3) (3,14) (166 pm) ³ = 19,15 · 10 ⁶ pm ³

Qual dos dois está mais próximo do valor aceito? O que mais se aproxima dos resultados experimentais obtidos por difração de raios X da estrutura cristalina do ouro.

Referências

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