A identificação dos átomos

De acordo com o modelo nuclear atual, um átomo é formado por um núcleo com carga positiva, que é responsável por quase toda a sua massa, cercado por elétrons com carga negativa (representados por $\ce{e^-}$). Em comparação com o tamanho do núcleo (diâmetro de cerca de $10^{-14}\,\pu{m}$), o espaço ocupado pelos elétrons é enorme (diâmetro de cerca de $10^{-9}\,\pu{m}$, cem mil vezes maior). Se o núcleo de um átomo tivesse o tamanho de uma mosca no centro de um campo de futebol, então o espaço ocupado pelos elétrons vizinhos seria aproximadamente igual ao tamanho do estádio inteiro.

A carga negativa dos elétrons cancela a carga positiva do núcleo central com exatidão. Em consequência, o átomo é eletricamente neutro (sem carga). Como cada elétron tem carga negativa, podemos dizer que um núcleo contém uma partícula com carga positiva para cada elétron circulante (fato este confirmado em laboratório). Essas partículas com carga positiva são denominadas prótons (representados por $\ce{p}$) e suas propriedades estão listadas na Tab. 1A.3.1. Um próton é praticamente 2 mil vezes mais pesado do que um elétron.

O número atômico e o número de massa

O número de prótons do núcleo atômico de um elemento é chamado de número atômico, $Z$, do elemento. O núcleo de um átomo de hidrogênio tem um próton, logo, seu número atômico é $Z = 1$; o núcleo de um átomo de hélio tem dois prótons, logo, o seu número atômico é $Z = 2$. Um jovem cientista britânico, Henry Moseley, foi o primeiro a determinar números atômicos com precisão, pouco tempo antes de ser morto em ação na Primeira Guerra Mundial. Moseley sabia que, quando os elementos são bombardeados com elétrons rápidos, eles emitem raios X. Ele descobriu que as propriedades dos raios X emitidos por um elemento dependem de seu número atômico e, estudando os raios X de muitos elementos, foi capaz de determinar seus valores de $Z$. Desde então, os cientistas determinaram o número atômico de todos os elementos conhecidos.

Os avanços tecnológicos da eletrônica, no início do século XX, levaram à invenção do espectrômetro de massas, um instrumento que permite a determinação da massa de um átomo. A espectrometria de massas já foi usada na determinação das massas dos átomos de todos os elementos. Hoje sabe-se que a massa de um átomo de hidrogênio, por exemplo, é $\pu{1,6e-27 kg}$ e que a massa de um átomo de carbono é $\pu{2,0e-26 kg}$. As massas dos átomos mais pesados não passam de $\pu{5e-25 kg}$, aproximadamente. Conhecendo-se a massa de determinado átomo, o número de átomos em determinada amostra do elemento pode ser determinado pela simples divisão da massa da amostra pela massa do átomo.

Como frequentemente acontece na ciência, uma técnica nova e mais precisa leva a uma descoberta muito importante. Quando os cientistas usaram os primeiros espectrômetros de massas, eles descobriram — o que causou surpresa — que nem todos os átomos de um elemento têm a mesma massa. Por essa razão, o modelo de Dalton não está exatamente correto. Em uma amostra de neônio perfeitamente puro, por exemplo, a maior parte dos átomos tem $\pu{3,3e-26 kg}$, isto é, cerca de 20 vezes a massa do átomo de hidrogênio. Alguns átomos de neônio, entretanto, são cerca de 22 vezes mais pesados do que o hidrogênio e, outros, cerca de 21 vezes mais. Os três tipos de átomos têm o mesmo número atômico e são, sem dúvida, átomos de neônio. Porém, contrariando a visão de Dalton, eles não são idênticos.

A observação de que existem diferenças de massa entre os átomos de um elemento ajudou os cientistas a refinar o modelo nuclear. Eles perceberam que o núcleo atômico deveria conter outras partículas subatômicas além dos prótons e propuseram a existência de partículas eletricamente neutras, denominadas nêutrons (representados por $n$). Como os nêutrons não têm carga, sua presença não afeta a carga do núcleo nem o número de elétrons do átomo. Entretanto, eles têm aproximadamente a mesma massa que os prótons, assim, aumentam substancialmente a massa do núcleo. Portanto, diferentes números de nêutrons em um núcleo geram átomos de massas distintas, mesmo quando os átomos são do mesmo elemento. Exceto pela carga, os nêutrons e os prótons são muito semelhantes (Tab. 1A.3.1). Conjuntamente, prótons e nêutrons são chamados de núcleons.

O número total de prótons e nêutrons de um núcleo é denominado número de massa, $A$, do átomo. Um núcleo que tem número de massa $A$ é cerca de $A$ vezes mais pesado do que um átomo de hidrogênio, cujo núcleo tem um só próton. Portanto, se você sabe que um átomo é um certo número de vezes mais pesado do que um átomo de hidrogênio, poderá deduzir o número de massa do átomo. Por exemplo, como a espectrometria de massas mostra que existem três tipos de átomos de neônio que são $20$, $21$ e $22$ vezes mais pesados do que um átomo de hidrogênio, é possível inferir que os números de massa dos três tipos de átomos de neônio são $20$, $21$ e $22$. Como, para cada um deles, $Z = 10$, esses átomos de neônio devem conter $10$, $11$ e $12$ nêutrons, respectivamente.

Os isótopos

Um átomo com determinados valores de número atômico e número de massa é denominado nuclídeo. Logo, o oxigênio-16 ($Z = 8$, $A = 16$) e o neônio-20 ($Z = 10$, $A = 20$) são nuclídeos. Os átomos que têm o mesmo número atômico (isto é, são do mesmo elemento) e diferentes números de massa são chamados de isótopos do elemento. Todos os isótopos de um elemento têm exatamente o mesmo número atômico; logo, eles têm o mesmo número de prótons e elétrons, mas números de nêutrons diferentes. Um isótopo é nomeado escrevendo-se seu número de massa após o nome do elemento, como em neônio-20, neônio-21 e neônio-22. Seu símbolo é obtido escrevendo-se o número de massa como um sobrescrito à esquerda do símbolo químico do elemento, como em $\ce{^{20}Ne}$, $\ce{^{21}Ne}$ e $\ce{^{22}Ne}$. Ocasionalmente, coloca-se o número atômico do elemento como um subscrito à esquerda, como no símbolo $\ce{^{22}_{10}Ne}$.

Figura 1A.3.1

Como os isótopos de um elemento têm o mesmo número de prótons e, portanto, o mesmo número de elétrons, eles têm essencialmente as mesmas propriedades físicas e químicas. Entretanto, as diferenças de massa entre os isótopos do hidrogênio são comparáveis à massa atômica, o que leva a diferenças consideráveis em algumas propriedades físicas e pequenas variações de algumas propriedades químicas. O hidrogênio tem três isótopos. O mais comum, $\ce{^1H}$, não tem nêutrons; logo, o núcleo é formado por um próton isolado. Os outros dois isótopos são menos comuns, mas são tão importantes em química e física nuclear que recebem nomes e símbolos especiais. O isótopo que tem um nêutron, $\ce{^2H}$, é chamado de deutério, $\ce{D}$ e o outro, com dois nêutrons $\ce{^3H}$, de trítio, $\ce{T}$.