Nesta série de experimentos iremos mostrar como foi a montagem da mostra interativa de experimentos “Química, Quântica e Sociedade”, criada para comemorar o Ano Internacional das Ciências e Tecnologias Quânticas. 2025 foi escolhido pela ONU como o ano para se celebrar os avanços científicos e tecnológicos decorrentes do estudo da mecânica quântica. A mostra foi financiada pelo CNPq.
O conceito de orbital é algo difícil de se visualizar e compreender. Neste artigo mostramos como construímos modelos que ajudam na construção deste conceito e na visualização dos orbitais do átomo de hidrogênio.
Prepare os modelos
Vamos apresentar os modelos que usamos nesta mesa em diversas partes, mostrando como desenvolvemos e apresentamos cada modelo.
Parte 1: orbital unidimensional
Iniciamos a nossa discussão sobre orbitais com um exemplo/analogia mais simples. Imaginamos uma partícula em uma caixa. Esta partícula pode se mover dentro da caixa em uma dimensão, podendo ocupar qualquer posição entre as paredes da caixa. A ideia é pensarmos nas possíveis posições que a esfera pode ocupar dentro da caixa. Se somarmos todas as possíveis posições em que a esfera pode estar na caixa, chegaremos ao orbital, a região de maior probabilidade de se encontrarmos a esfera na caixa. Este orbital é então mostrado para os alunos e tem o formato de um tubo com o comprimento da caixa e o diâmetro da esfera.
Nós criamos os modelos para a partícula (uma esfera com um furo) e para a caixa. Podemos ver os modelos abaixo.
Após imprimir os modelos, nós precisamos ainda de um bastão de acrílico de cerca de 5 mm de diâmetro. Cortamos o bastão no comprimento da caixa. Passamos o bastão pelo furo lateral da caixa e pela esfera, apoiando a sua ponta no outro lado da caixa. O modelo está pronto para o uso.
As imagens abaixo mostram o modelo pronto para o uso.
Parte 2: modelo bidimensional
Na sequência do modelo unidimensional, criamos um segundo modelo, que apresenta a ideia de orbital, agora com um sistema bidimensional. Neste sistema, imaginamos uma esfera girando ao redor de um ponto em um plano. Novamente perguntamos como seria a forma que nos daria a soma de todos os possíveis lugares em que essa esfera poderia estar enquanto gira no plano.
Nas imagens abaixo mostramos o modelo pronto para uso. No modelo à esquerda, podemos girar a esfera e pedir para os alunos imaginarem como seria o orbital dessa partícula nesta situação. O modelo à direita mostra o sólido de revolução obtido ao se girar a esfera ao redor de um ponto (um toro).
Parte 3: modelos de orbitais do hidrogênio
O elétron em um átomo não está na situação unidimensional da caixa ou girando em uma órbita bidimensional, como no modelo de Bohr. Quando passamos a olhar para o elétron como algo que tem características de onda, deixamos de pensar em trajetórias e pensamos em uma área de maior probabilidade de se encontrar o elétron ao redor do núcleo para aquele nível de energia – o orbital.
Existem diferentes modelos de orbitais atômicos do hidrogênio já disponíveis para a impressão 3D. Queremos um modelo que seja relativamente simples de imprimir, que possa ser colocado em um suporte e com um tamanho que seja fácil de ser observado em uma sala de aula.
Encontramos este conjunto de modelos 3D de orbitais prontos para impressão e gratuitos no site abaixo:
https://makerworld.com/en/models/942424-atomic-orbital-set
Imprimimos estes modelos em PLA de diferentes cores, dependendo do tipo de orbital. Voce pode imprimir apenas um modelo para o orbital do tipo p, por exemplo, e mostrar como ele pode ser orientado nos eixos x, y ou z. Ou voce pode imprimir o mesmo modelo 3 vezes e mostrá-los lado a lado, cada um no seu suporte.
Cuidados com o uso de modelos e analogias
É importante tomar cuidado ao se apresentar estes modelos, uma vez que eles tem a intenção de facilitar a compreensão de conceitos complexos e não conseguem abarcar todas as ideias ao mesmo tempo. Sempre que usamos modelos e analogias, temos de ter clareza de quais são as suas limitações e como eles podem ser interpretados pelos alunos.
A intenção dos modelos de uma partícula em uma caixa ou girando ao redor de um ponto é mostrar o que seria a soma das probabilidades de localização de uma partícula em situações progressivamente mais complicadas, de modo a chegarmos no conceito de orbital tridimensional de modo mais pausado, ajudando a se criar uma linha de raciocínio. Mas mostramos apenas um lado nessa representação, mostrando o elétron como uma esfera, ou seja, uma partícula.
Existe um risco desses modelos reforçarem a visão do elétron como apenas uma partícula, com uma localização e trajetória clara, o que vai exatamente contra o que queremos ensinar no modelo quântico. Assim, é importante relembrar os alunos que se tivéssemos um elétron em uma caixa, não seria possível determinar sua posição e sua velocidade ao mesmo tempo. É importante então, discutir essas limitações com os alunos e extrair o que os modelos têm de positivo, alertando para o que eles não conseguem representar.
Outra questão que vale a pena chamar a atenção dos alunos é que os modelos mostram uma superfície dura para os orbitais, mas uma representação melhor seria se pensar em uma nuvem. A cada distância do núcleo temos uma densidade de probabilidade diferente. Ou seja, a nuvem seria mais densa em algumas áreas do que outras. Podemos usar uma superfície dura para representar um volume dentro do qual temos uma certa probabilidade de encontrar o elétron, por exemplo 90%. Então esses modelos representam um volume dentro do qual existe uma grande chance de se encontrar o elétron euma probabilidade muito baixa dele estar fora dessa região.
Finalmentes
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Veja os nossos próximos artigos na série sobre as montagens que podem ser usadas para se falar de Quântica com experimentos.
