Elementos & Sistema Periódica

Elementos e Tabela Periódica

Introdução

Este é o capítulo sobre os elementos químicos, ou melhor, sobre as substâncias elementares de toda a matéria.
Na natureza, o número destes elementos não chega a 100.

Exercício 1
Nomeia alguns elementos que conhece na natureza?

No ensino geral, um dos primeiros assuntos que o aluno deve aprender é o elemento químico e o seu símbolo.
Logo depois chega a "tabela periódica" ou "sistema periódico" onde todos os elementos têm seu determinado lugar. Tratamos duas versões: a tabela simples ou principal, e a tabela completa com os quatro blocos.
Podemos construir ambas as tabelas periódicas a partir da estrutura electrónica do átomo, seja simplificada, seja completa.
O cursista deve saber ligar a estrutura electrónica do átomo com o lugar do elemento na tabela completa.

O conceito "electronegatividade" é muito importante para compreender certas propriedades das substâncias, em particular as ligações químicas (módulo 3) que realizam os elementos. Além disso, a polaridade das substâncias (módulo 5) é extremamente importante.
Incluímos aqui também umas habilidades: elaborar e ler tabelas e gráficos.
Surgem umas palavras sobre a história dos elementos. Também tratamos de alguns grupos principais e uns metais particulares.

No módulo 5, onde tratamos as substâncias, entra um pouco da história e vamos comparar elementos com compostos.
Aqui limita-se a dar uma definição:

O elemento é a substância que já não se pode decompor, quimicamente, em outras substâncias.

O elemento é realmente uma substância básica, pedra prima, tijolo da matéria, substância elementar.
Cada elemento tem seu próprio tipo de átomos e seu próprio número atómico, e cada elemento tem seu próprio símbolo:
i.é, uma letra maiúscula, nem sempre acompanhada por uma letra minúscula.

Índice

1. Sistema periódico / grupos e períodos

1.1 Grupos

1.2 Períodos

1.3 TP principal e completa

2. Electronegatividade

3. Elementos especiais

3.1 Os grupos I, II, VII e VIII

3.2 Oxigénio, silício, alumínio, ferro e cálcio

1. Sistema periódico / grupos e períodos

Como já foi dito no módulo 1, as características mais importantes do átomo são o seu número de camadas principais e o seu número de electrões de valência.
O número de camadas principais pode variar de 1 até 7 e isto corresponde com os 7 períodos da tabela periódica.
O número dos electrões de valência pode variar de 1 até 8, que corresponde com os 8 grupos principais da tabela periódica.

Pode-se definir o lugar na TP de cada elemento, com estes dois dados.

Tabela periódica principal (somente os grupos principais)

	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1	H							He
2	Li	Be	B	C	N	O	F	Ne
3	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl	Ar
4	K	Ca	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
5	Rb	Rb	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
6	Cs	Bi	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
7	Fr	Ra

metais	Cs
metalóides	Po
não metais	Se

1.1 Grupos

Os elementos num certo grupo (vertical) têm igual número de electrões de valência.
De cima para baixo, o número das camadas principais vai aumentando, tal como o número atómico.

Exercício 2
Considere a tabela periódica, grupo 4.
Num diagrama, faça o gráfico: raio atómico versus grupo 4, usando os dados do livro de tabelas (LdT).
Qual é a sua conclusão, observando este gráfico? Explique.

1.2 Períodos

Todos os elementos dentro de um período têm o mesmo número de camadas principais. De esquerda para direita, o número atómico vai aumentando.

Exercício 3
Considere a tabela periódica, período 4.
Num diagrama, faça o gráfico: raio atómico versus período 4, usando os dados do LdT.
Qual é a sua conclusão, observando este gráfico? Explique.

Exercício 4
Consulte o LdT, os dois diferentes sistemas periódicos.
Explique a um colega quais as diferenças e semelhanças entre as duas tabelas.

1.3 TP principal e completa

Há um problema:
Os grupos principais não contêm todos os elementos. Num esquema com 8 colunas e 7 linhas, só temos 8x7=56 lugares. E temos por volta de 100 elementos a dividir!! Agora o que? Onde ficam os outros elementos?
Os outros elementos pode descobrir com o método mais completo para determinar a estrutura electrónica. Assim surgem os blocos s, p, d e f na TP completa. (veja módulo 1)

Com conhecimento do lugar do elemento na TP, é possível reconhecer directamente certas propriedades de cada elemento.

Exemplo:
O átomo do elemento Sódio tem uma distribuição dos electrões nos subníveis: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹.
Portanto, o último subnível de Sódio é do tipo s e isto implica que o elemento pertence ao bloco s. Tem que ser no primeiro grupo da tabela periódica completa, uma vez que est nível s só tem 1 electrão.

Exercício 5
A seguinte afirmação é verdadeira ou falsa? Explique a sua resposta!
"A distribuição electrónica do elemento X é: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
Portanto: o elemento X é um metal.

Exercício 6

Determine o lugar do número atómico 18 na TP e dá a configuração electrónica.
idem para o número 23
Um elemento encontra-se no grupo V en no terceiro período. Qual é o número atómico?
Dos elementos com os números atómicos 32 54 83 56 22 73 44 68 94, e segundo as três regras simples, determine os seus lugares na TP principal.
Elabore uma tabela de dados que são necessários para tal.
Consulta na literatura/tabela o esquema total do preenchimento dos subníveis com electrões.
Determine os lugares dos mesmos elementos na TP completa. Compare os seus resultados com a TP na literatura.
Qual a conclusão da comparação?

Resposta a, b, c.

2. Electronegatividade

Electronegatividade é a tendência de um átomo neutro para atrair carga negativa (electrões)

A Electronegatividade dos elementos depende de dois característica do átomo:

A distância entre a última camada e o núcleo (= raio atómico)
A carga (positiva) do núcleo (= número de protões)

É necessárion lembrar o cursista ao Lei de Coulomb sobre a atracção entre cargas:

F é a força de atracção (ou repulsão) entre as cargas Q₁ e Q₂. n = a distância do núcleo até a última camada.

Imagine um átomo qualquer. Todos sabemos: existe um núcleo positivo e, a certa distância, os electrões (negativos).
O núcleo executa uma força de atracção às cargas negativas, das quais consideramos em particular aqueles no exterior do átomo (na última camada).
A força depende de Q₁, Q₂ e n.
Q simboliza as cargas (do núcleo e do electrão). O valor de n corresponde, nos cálculos com Electronegatividade, com o raio atómico.

Um átomo com um núcleo relativamente mais positivo (Q é grande) e relativamente pequeno (n é pequeno) será um átomo com E maior.

Na tabela V (coluna 5) encontramos valores arredondidos das electronegatividades de todos os elementos, tal como os raios atómicos.

A imagem em baixo dá uma ideia dos raios atómicos relativos.

Exercício 14
Analise o esquema em cima e dá o seu comentário.

Exercício 15

Explique porquê o átomo de Cloro atrai mais fortemente electrões de fora do que o átomo de Iodo. Use as tabelas.
Explique porquê o átomo de Cloro atrai mais fortemente electrões de fora do que o átomo de Sódio. Use as tabelas.
Controle os dados encontrados na tabela com os valores da Electronegatividade dos três elementos.
Elabore um gráfico com as electronegatividades dos elementos do Período 3.
Considere a tabela periódica simples. Onde fica o elemento com o maior valor de E?

2.1 "terra, água, fogo e ar"

Na ciência antiga, os filósofos Gregos tentaram explicar a natureza, e introduziram o conceito 'elemento'. Eles reconheceram quatro elementos:

terra

água

fogo

Qualquer objecto ou parte da matéria era considerado uma constituição destes quatro elementos.
Assim, por exemplo, a substância madeira deve conter muito do elemento 'fogo' por que, quando arde, sai muito fogo. É lógico, não é.

Mais tarde, na Idade Média, consideravam toda matéria constituída por dois elementos principais: o súlfur e o mercúrio. Pensavam assim: alguém que consegue descobrir o teor exacto, a proporção certa entre sulfur e mercurio, pode produzir ouro.
São todos fases no desenvolvimento das ciências, e todos deram sua contribuição.

3. Elementos especiais

3.1 Os grupos I, II, VII e VIII

Grupo I

Uma vez que o Hidrogénio tem um electrão de valência, este elemento pertence ao primeiro grupo.
Todavia, muitos autores/cientistas deixam o Hidrogénio fora do grupo I, por ter um caracter excepcional.
Só existem dois elementos com átomos com uma só camada, com subnível s.
São:

Hidrogénio com 1 electrão: 1s¹
Hélio com 2 electrões: 1s²

Normalmente, um átomo com 1 electrão de valência quer ceder este electrão, mas não assim o Hidrogénio, que, sem este electrão, fica sem nada. Um protão só, (é nu) não pode existir independentemente. Diferente dos outros elementos no grupo I, o Hidrogénio só quer ligações covalentes (veja módulo 3).
Um ião H^- (hidreto) existe, mais não muito.
O ião H⁺ na realidade não existe.
Todos os outros elementos deste grupo I: Li até Fr, formam facilmente iões positivos e os próprios elementos são muito reactivos.

Exercício 7
A prática na química de utilizar o símbolo H⁺ para indicar iões de Hidrogénio, de facto, é uma prática 'ilegal'.
Explique esta afirmação.

Exercício 8
Explique qual é o elemento mais reactivo: Sódio ou Potássio?

Grupo II

De modo formal, o Hélio pertence ao grupo II, tendo dois electrões na última camada.
Só que os átomos do Hélio não têm mais de uma camada só, a primeira camada, que nunca pode conter mais de dois electrões.
Portanto, o Hélio com dois electrões na última (= primeira) camada, já fica com uma camada cheia.
Esta camada fica bem contente com 2 electrões, ou melhor: o átomo está muito estável e não pretende captar nem ceder qualquer outro electrão.
Assim pertence ao grupo dos elementos que não reagem, i.é. dos gases nobres.
O grupo principal II contém os elementos Be até Ra (2s²). Pretendem ceder 2 electrões e são bastante reactivos, mas menos do que os elementos do grupo I.

Exercício9
Explique por que os elementos do grupo II são menos reactivos do que os elementos do grupo I.

Grupo VII

Os elementos do grupo 7 são chamados os Halogéneos. Têm 7 electrões de valência (na última camada principal) e pretendem captar 1 electrão para chegar a 8 (obter estabilidade).

Exercício 10
Dizem que o elemento fósforo é imprescindível para o homem, mas toda gente sabe também que o fósforo é venenoso.
Explique e resolve a confusão.

Alguns dados sobre grupo VII

Halogéneo	Símbolo	Número atómico	Massa atómica	Densidade em g/cm³	ponto de fusão em K	ponto de ebulição em K	Cor
Flúor	F₂	9	19,0	1,11	53	85	Amarela
Cloro	Cl₂	17	35,5	1,56	172	239	Amarela/verde
Bromo	Br₂	35	79,9	3,12	266	331	Castanha/vermelha
Iodo	I₂	53	126.9	4,94	387	456	Preta (s)

NB: Astácio é radioactivo [não existe estabilidade no núcleo]

Exercício 11
Os elementos do grupo VII podemos caracterizar com ns² np⁵, n≥2
Explique.

Exercício 12
O flúor é o mais reactivo de todos os halogéneos.
Explique.
Resposta

Grupo VIII

São os gases nobres, incluindo o Hélio, que constam no grupo VIII e são inertes. Todos têm uma configuração electrónica muito estável, portanto, têm pouca tendência para reagir.

Exercício 13
A seguinte afirmação está certa ou não?
"Os gases nobres têm energia de ionização muito baixa"
Explique a sua resposta.
Resposta

3.2 Oxigénio, silício, alumínio, ferro e cálcio

Justificamos uma certa atenção extra para estes elementos com o facto de que estes elementos dominam na camada externa (uns 40 km) do globo.
Existem estes elementos em abundância, e os homens aproveitam deles.

Quase 20% do ar é constituído por oxigénio; é número 2, depois do nitrogénio.
Na terra o Oxigénio é o grande campeão, ocupando quase a metade da constituição, na maior parte nos óxidos.
O óxido mais presente é o dióxido de silício, SiO₂ (areia).

O Silício é aplicado nos vidros e fica extremamente importante na fabricação de 'chips' que servem nos computadores, calculadores, celulares, etc.

O Alumínio encontra-se, como quase todos os elementos, não de forma pura, mas nos compostos.
Terra com uma percentagem alta de Alumínio chamamos bauxite, o que é tratado electroliticamente para tirar o próprio metal Al, que é forte e leve.

Leve não é o Ferro. Já desde muitos anos, já nos dias antigos, foi tirado do óxido de Ferro(III) nos altofornos, com ajuda de carbono.
Este metal é muitíssimo importante pelas suas inúmeros aplicações na vida quotidiana.

O Cálcio faz parte das pedras, tal como alumínio e silício e oxigénio. Mais conhecido é o Carbonato de Cálcio.

Exercício 16
Alguém recolheu uma amostra de terra com o peso de 2 kg.
Calcule - à base dos dados médios - qual será a contribuição do oxigénio nestes dois kg de terra.

Exercício 17
De modo geral o átomo prefere 8 electrões de valência.
A partir deste dado deve dar as fórmulas electrónicas das moléculas seguintes: F₂ CO N₂ HS^- OH^-
Explique se é de esperar em cada molécula qualquer polaridade.

Resposta

Exercício 18
A molécula diclorometano será polar?
Explique a sua resposta.

Resposta

Mais uns excercícios:

Com base na regra do octeto, escreve as fórmulas de estrutra das seguintes moléculas:

F₂

ICl

HS^-

Cl₂

HBr

N₂

OH^-

Consideramos os elementos com números atómicos 18 e 23.
Represente as configurações electrónicas e indique a localização na tabela periódica.
Um elemento situa-se no grupo principal 5 do terceiro período. Qual o seu número atómico?