O que é um átomo? Estrutura, exemplos e modelos atômicos

Do que é feito um átomo?

De três tipos de partícula. Duas ficam no núcleo, uma se move ao redor.

O número mais impressionante da tabela é a massa do elétron: um próton é cerca de 1.836 vezes mais pesado. Por isso, na prática, a massa de um átomo é calculada só com o núcleo — os elétrons contribuem com menos de um milésimo.

O equilíbrio de cargas é igualmente simples. Num átomo neutro, o número de prótons é igual ao de elétrons, as cargas se anulam e o átomo parece neutro por fora. Ao ganhar ou perder elétrons, esse equilíbrio se rompe e o átomo vira um íon.

O núcleo

Foi descoberto em 1911 pelo físico neozelandês Ernest Rutherford. É onde se concentra quase toda a massa do átomo, embora o volume seja minúsculo: o diâmetro de um núcleo vai de cerca de 1,7 femtômetro (hidrogênio) a 15 femtômetros (urânio) — de dez mil a cem mil vezes menor que o átomo inteiro.

A imagem clássica ajuda: se um átomo tivesse o tamanho de um estádio de futebol, o núcleo seria um grão-de-bico no meio do campo. Entre os dois há apenas espaço vazio percorrido por elétrons. Todo objeto sólido que você toca é, em volume, quase inteiramente vazio; a mão não atravessa a mesa porque as nuvens eletrônicas se repelem, não porque a matéria seja «cheia».

E por que o núcleo não se desfaz, se prótons se repelem entre si? Por causa da força nuclear forte, que a distâncias curtíssimas supera com folga a repulsão elétrica, mas cujo alcance termina mais ou menos no tamanho do núcleo. Quanto maior o núcleo, mais a repulsão ganha terreno: é exatamente por isso que os elementos pesados tendem a ser instáveis e radioativos.

Os prótons

Prótons são as partículas positivas do núcleo e carregam a identidade do átomo. A quantidade deles é o número atômico (Z) e nunca muda: todo átomo com 6 prótons é carbono, todo átomo com 79 prótons é ouro. Acrescente um próton e já é outro elemento.

A tabela periódica é construída exatamente sobre isso: os elementos são ordenados pelo número crescente de prótons. O físico inglês Henry Moseley provou isso em 1913 com medições de raios X, e desde então a ordenação deixou de seguir a massa atômica e passou a seguir o número atômico.

Os nêutrons

Nêutrons são as partículas sem carga do núcleo. Rutherford previu a existência delas em 1920 e seu aluno James Chadwick a confirmou em 1932, bombardeando berílio com partículas alfa.

Eles não mudam o elemento, mas mudam a massa e a estabilidade. As versões do mesmo elemento com números diferentes de nêutrons chamam-se isótopos. Quando a proporção nêutrons/prótons sai de uma faixa estreita, o núcleo fica instável e começa a decair. Há uma exceção famosa à regra de que núcleos contêm nêutrons: o hidrogênio comum, cujo núcleo é um único próton.

Os elétrons

Elétrons têm carga negativa e são extremamente leves. J. J. Thomson os descobriu em 1897 com tubos de raios catódicos — a primeira prova de que o átomo podia ser quebrado.

A disposição deles não tem nada a ver com o sisteminha solar dos livros antigos. Pela mecânica quântica, não é possível conhecer ao mesmo tempo e com exatidão a posição e o momento de um elétron; o que se conhece é a probabilidade de encontrá-lo em determinada região. Esses mapas de probabilidade são os orbitais, e juntos formam a nuvem eletrônica. A forma como os elétrons mais externos se organizam nela decide toda a química do átomo: com o que ele se liga e se o material conduz ou isola.

Número atômico, número de massa e número de nêutrons

Três números identificam um átomo por completo:

• Número atômico (Z) = número de prótons. Define o elemento.
• Número de massa (A) = prótons + nêutrons, ou seja, todos os núcleons.
• Número de nêutrons (N) = A − Z.

Escreve-se ^AX_Z ou, no uso corrente, «carbono-14». O 14 é o número de massa; como o carbono tem número atômico 6, seus nêutrons são 14 − 6 = 8.

Exemplo resolvido. Para o sódio-23, Z = 11 e A = 23, logo N = 23 − 11 = 12. Se o átomo estiver neutro, tem também 11 elétrons. Se perder um e virar Na⁺, os prótons continuam 11, os elétrons caem para 10 e o número de massa não muda — o elétron é leve demais para isso.

Como os elétrons se distribuem

Os elétrons não se acomodam ao acaso: preenchem níveis de energia (camadas) em ordem. O máximo de cada camada segue a regra 2n²:

• 1ª camada: 2 elétrons
• 2ª camada: 8 elétrons
• 3ª camada: 18 elétrons
• 4ª camada: 32 elétrons

Os elétrons da camada mais externa são os elétrons de valência, e quase toda a química gira em torno deles. Os átomos se comportam de modo a completar essa camada com oito elétrons (dois, no caso da primeira): é a regra do octeto.

O sódio tem um único elétron externo e prefere doá-lo. O cloro tem sete e prefere receber um. Quando se encontram, o sódio entrega o elétron ao cloro e surge o sal de cozinha. Gases nobres como o neônio já têm a camada externa completa, e por isso não reagem com nada.

Exemplos de átomos

Os exemplos mais procurados, com o isótopo mais comum de cada um:

O átomo mais simples e mais abundante do universo é o hidrogênio: um próton, um elétron, nenhum nêutron. Em massa, o universo é cerca de 74 % hidrogênio e 24 % hélio; todos os demais elementos dividem os 2 % restantes. O hélio é o segundo mais abundante do cosmo, mas escasso na Terra, porque é leve o bastante para escapar da atmosfera.

Uma noção de escala

Um copo d’água contém algo como 10²⁵ átomos. Um corpo humano adulto é feito de cerca de 7 × 10²⁷ deles. No pontinho deixado por um lápis há bilhões de átomos de carbono. Para lidar com números assim, a química usa o mol: 1 mol = 6,022 × 10²³ partículas, a constante de Avogadro.

Átomo, molécula, elemento e composto

Separar essas quatro palavras responde metade do que se busca ao procurar «exemplos de átomos»:

• Átomo: uma única partícula. Exemplo: um átomo de oxigênio (O).
• Molécula: dois ou mais átomos ligados. Exemplo: o oxigênio que respiramos é na verdade O₂.
• Elemento: substância pura formada por um só tipo de átomo. Exemplo: ouro, cobre, ferro.
• Composto: elementos diferentes combinados em proporções fixas. Exemplo: água (H₂O), sal (NaCl).

Portanto a água não é um átomo: é uma molécula formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. O ar também não é: é uma mistura de moléculas de nitrogênio e oxigênio.

Tipos de átomos: isótopos, isótonos, isóbaros e íons

Quando se fala em «tipos de átomos», normalmente são estas quatro classificações, todas definidas pelos mesmos três números (Z, N, A):

• Isótopos
  Mesmos prótons, nêutrons diferentes. Mesmo elemento, química praticamente idêntica, massa diferente. Exemplo: carbono-12, carbono-13 e carbono-14.
• Isótonos
  Mesmos nêutrons, prótons diferentes. Elementos diferentes. Exemplo: carbono-13 e nitrogênio-14, ambos com 7 nêutrons.
• Isóbaros
  Mesmo número de massa, prótons diferentes. Também elementos diferentes. Exemplo: argônio-40 e cálcio-40.
• Íons
  O número de elétrons deixa de coincidir com o de prótons. O átomo que perde elétrons fica positivo (cátion, Na⁺); o que ganha fica negativo (ânion, Cl⁻).

Isótopos trabalham muito mais no dia a dia do que a fama sugere. O carbono-14 tem meia-vida de 5.730 anos e é a base da datação por radiocarbono. Exames de imagem usam traçadores radioativos. Já as usinas nucleares precisam do urânio-235, que representa apenas 0,7 % do urânio natural — elevar essa proporção é o que se chama enriquecimento.

Átomos instáveis e radioatividade

Nem todo núcleo dura para sempre. Quando a proporção nêutrons/prótons fica fora da faixa estável, o núcleo acaba emitindo uma partícula ou energia e se transforma em outro. Isso é o decaimento radioativo, em três formas principais: alfa (expulsa um núcleo de hélio), beta (um nêutron vira próton e emite um elétron) e gama (radiação de energia pura).

A velocidade é medida pela meia-vida: o tempo para metade dos átomos de uma amostra decair. A escala é enorme: 5.730 anos para o carbono-14, 4,47 bilhões de anos para o urânio-238 e milionésimos de segundo para alguns elementos artificiais.

Quebrar um núcleo pesado é fissão; juntar núcleos leves é fusão. As usinas funcionam por fissão; o Sol aquece o sistema solar fundindo, a cada segundo, centenas de milhões de toneladas de hidrogênio em hélio. Nos dois casos a energia vem do mesmo fato: os produtos pesam um pouco menos que os reagentes, e a massa que falta aparece como energia, segundo E = mc².

Como os átomos se ligam

Nada ao nosso redor é feito de átomos soltos. Há três formas básicas de ligação.

• Ligação iônica: um elétron passa de um átomo para outro e os íons de cargas opostas se atraem. O sal de cozinha é o exemplo clássico — daí o ponto de fusão alto e a condução de eletricidade quando dissolvido.
• Ligação covalente: os átomos compartilham elétrons. Água, gás carbônico e todas as moléculas orgânicas são construídos assim.
• Ligação metálica: os átomos de metal soltam seus elétrons de valência em um «mar» comum. É daí que vêm a condução, a maleabilidade e o brilho dos metais.

Modelos atômicos: como a ideia chegou até aqui

O átomo não foi descoberto por uma única pessoa: é uma cadeia de correções que atravessa dois mil anos.

• c. 440 a.C. · Demócrito
  Defendeu que dividir sem parar leva a algo indivisível e chamou isso de atomos. Puro raciocínio, sem experimento. A visão aristotélica dos quatro elementos prevaleceu e a ideia ficou parada por cerca de 2.000 anos.
• 1803 · John Dalton
  A primeira teoria atômica científica, baseada em medições químicas: cada elemento tem átomos de massa característica e os compostos se formam em proporções fixas. A falha: imaginava o átomo como uma bolinha maciça e indivisível.
• 1897 · J. J. Thomson
  Descobriu o elétron no tubo de raios catódicos, mostrando que o átomo tem partes. Em 1904 propôs o modelo do «pudim de passas»: elétrons cravados numa massa positiva. A falha: não havia núcleo.
• 1909-1911 · Ernest Rutherford
  No experimento da folha de ouro, uma fração mínima das partículas alfa voltou para trás: prova de um núcleo denso e positivo, e de que o átomo é quase todo vazio. A falha: pela física clássica, um elétron em órbita deveria irradiar energia e cair no núcleo.
• 1913 · Niels Bohr
  Propôs que os elétrons só ocupam certos níveis de energia e absorvem ou emitem energia ao saltar entre eles. Explicou pela primeira vez o espectro de linhas do hidrogênio. A falha: não funcionava para átomos mais complexos.
• 1926 · Erwin Schrödinger
  Sua equação de onda deu o modelo quântico (nuvem eletrônica): o elétron não tem órbita definida, e sim uma distribuição de probabilidade. Com o princípio da incerteza de Heisenberg (1927), é o modelo usado até hoje.
• 1932 · James Chadwick
  Detectou o nêutron experimentalmente, explicando tanto a massa que faltava no núcleo quanto a existência dos isótopos.
• 1964-1969 · Modelo de quarks
  Murray Gell-Mann e George Zweig previram os quarks; experimentos de espalhamento no SLAC confirmaram estruturas pontuais dentro do próton. Um próton são dois quarks up e um down; um nêutron, um up e dois down.

Dá para ver um átomo?

A luz visível tem comprimento de onda de 400 a 700 nanômetros, milhares de vezes maior que um átomo; vê-lo em um microscópio óptico é fisicamente impossível. Existem outros caminhos:

• 1955 — o microscópio iônico de campo de Erwin Müller produziu as primeiras imagens de átomos individuais.
• 1981 — Gerd Binnig e Heinrich Rohrer criaram o microscópio de tunelamento (STM), capaz de mapear átomos de uma superfície um a um. Renderam-lhes o Nobel de Física de 1986.
• 1989 — pesquisadores da IBM moveram 35 átomos de xenônio para escrever o logotipo da empresa, mostrando que átomos não só podem ser vistos, como também empurrados.

Nenhuma dessas imagens é fotografia no sentido usual: são mapas da corrente ou da força entre uma superfície e uma ponta finíssima.

De onde vieram os átomos

Os primeiros átomos se formaram cerca de 380.000 anos depois do Big Bang. Até então o universo era quente demais para que os núcleos segurassem elétrons; quando esfriou o suficiente, os núcleos os capturaram e surgiram os primeiros átomos neutros — quase só hidrogênio e hélio.

Os elementos mais pesados foram fabricados dentro das estrelas, que fundem hidrogênio em hélio e depois, passo a passo, até carbono, oxigênio e ferro. A maior parte do que é mais pesado que o ferro se formou em explosões de supernova e em colisões de estrelas de nêutrons, e foi espalhada pelo espaço. O cálcio dos seus ossos, o ferro do seu sangue e o ouro do seu anel vieram de estrelas que morreram há bilhões de anos.

Quatro ideias erradas

1. «O átomo não pode ser dividido.» O nome diz isso, mas não é verdade: desde 1897 sabemos que ele pode ser quebrado. O correto é dizer que não se divide por meios químicos.
2. «Os elétrons giram ao redor do núcleo como planetas.» Esse é o modelo de Bohr, de 1913, há muito superado. O elétron não tem órbita, tem probabilidade de estar em algum lugar.
3. «O átomo é a menor coisa do universo.» Prótons e nêutrons são feitos de quarks; pelo que sabemos, quarks e elétrons é que são as partículas realmente fundamentais.
4. «Corpos sólidos são maciços.» Em volume, são quase totalmente vazios. A solidez vem da repulsão entre nuvens eletrônicas.

Perguntas frequentes

O que é um átomo, de forma simples? É a menor unidade que ainda carrega as propriedades químicas de um elemento: um núcleo de prótons e nêutrons cercado por elétrons.

Do que é feito um átomo? De três partículas: prótons com carga positiva, nêutrons sem carga e elétrons com carga negativa. Prótons e nêutrons formam o núcleo; os elétrons ocupam a nuvem ao redor.

Quem descobriu o átomo? Demócrito propôs a ideia por volta de 440 a.C. e John Dalton a transformou em teoria científica em 1803. A estrutura interna veio depois, com Thomson (1897), Rutherford (1911) e Chadwick (1932).

Quais são os tipos de átomos? Mesmos prótons e nêutrons diferentes são isótopos; mesmo número de nêutrons, isótonos; mesmo número de massa, isóbaros. Se o número de elétrons não coincide com o de prótons, trata-se de um íon.

O que o número atômico indica? O número de prótons no núcleo, que é a identidade do elemento. Em um átomo neutro, ele também é igual ao número de elétrons.

Como se calcula o número de massa? Somando prótons e nêutrons. No sentido inverso, os nêutrons saem da subtração do número atômico pelo número de massa.

Qual é o menor átomo? O hidrogênio. Seu núcleo é um único próton e o isótopo mais comum não tem nêutron algum.

O átomo é vazio por dentro? Em volume, sim. Mais de 99,9 % da massa está em um núcleo que ocupa uma fração ínfima do volume do átomo.

A água é um átomo? Não. A água é uma molécula formada por dois átomos de hidrogênio ligados a um de oxigênio por ligações covalentes.

Dá para ver um átomo no microscópio? No óptico não, porque o comprimento de onda da luz é milhares de vezes maior. Com o microscópio de tunelamento é possível mapear onde os átomos estão.

Quantos elementos existem? A tabela periódica define 118; 94 aparecem na natureza e os demais só foram produzidos em laboratório.

Por que quase toda a massa fica no núcleo? Porque prótons e nêutrons são cerca de 1.836 vezes mais pesados que um elétron: todos os elétrons juntos não chegam a um milésimo da massa do átomo.

Fontes

1. Britannica — Átomo: estrutura, história e propriedades
2. Jefferson Lab — Comparação das massas das partículas subatômicas
3. Laboratório Nacional de Los Alamos — Tabela periódica e configuração eletrônica
4. Chemistry LibreTexts — Teoria atômica e estrutura do átomo
5. CERN — O Modelo Padrão e as partículas elementares
6. Nobel Prize — Nobel de Física de 1986: o microscópio de tunelamento