Qual dos átomos deve ter uma primeira energia de ionização mais baixa: o oxigênio ( \mathrm{Z}=8 ) ou o enxofre (Z=16) ?

Passo 1

O enunciado pergunta qual átomo tem a primeira energia de ionização mais baixa: o oxigênio (Z=8) ou o enxofre (Z=16). Informações relevantes fornecidas:
  • Número atômico do oxigênio: Z=8.
  • Número atômico do enxofre: Z=16.
  • Ambos os elementos pertencem à mesma família química (mesmo grupo) e têm quatro elétrons no subnível p da camada de valência (isso pode ser usado para comparar seus elétrons de valência).

Passo 2

O que é a primeira energia de ionização?
  • A primeira energia de ionização, que vou chamar de I_1, é a energia necessária para remover um elétron de um átomo isolado no estado gasoso, formando um íon positivo: \text{X (g)} \to \text{X}^+ \text{(g)} + e^-.
Quais fatores influenciam I_1?
  • Distância média do elétron ao núcleo (número quântico principal n): elétrons mais afastados são mais fáceis de remover.
  • Carga nuclear efetiva (Z_{\text{ef}}): quanto maior Z_{\text{ef}}, mais fortemente o elétron é atraído.
  • Blindagem (shielding) pelos elétrons internos: elétrons internos reduzem a atração sentida pelo elétron de valência.
  • Repulsão entre elétrons (em particular pareamento em orbitais), que pode diminuir I_1 se o elétron removido estiver emparelhado.

Passo 3

Vamos escrever as configurações eletrônicas (são informações úteis para aplicar os conceitos acima):
  • Oxigênio: \text{O}: 1s^2\,2s^2\,2p^4.
  • Enxofre: \text{S}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4.
Observação: em ambos os casos o elétron removido na primeira ionização vem de um orbital p com quatro elétrons no mesmo subnível ( p^4), mas em oxigênio esses p estão em n=2 e, em enxofre, em n=3.

Passo 4

Para quantificar o efeito da blindagem e da carga nuclear efetiva, aplico as Regras de Slater (resumo e passos):
  • Para um elétron em orbital ns ou np:
    • Cada outro elétron no mesmo nível n contribui com 0{,}35 para a blindagem (exceto no caso de 1s, que tem regras especiais).
    • Cada elétron no nível n-1 contribui com 0{,}85.
    • Cada elétron em níveis n-2 ou menores contribui com 1{,}00.
      Cálculo para um elétron 2p do oxigênio:
  • Elétrons no mesmo nível n=2: além do elétron considerado há 2 em 2s e 3 outros em 2p, total 5 elétrons \times 0{,}35 = 1{,}75.
  • Elétrons em níveis mais internos ( 1s): 2 elétrons \times 1{,}00 = 2{,}00.
  • Blindagem total \approx 1{,}75+2{,}00 = 3{,}75.
  • Assim Z_{\text{ef}}(\text{O, val}) \approx Z - \text{blindagem} = 8 - 3{,}75 = 4{,}25.
Cálculo para um elétron 3p do enxofre:
  • Elétrons no mesmo nível n=3: 2 em 3s e 3 outros em 3p 5\times 0{,}35 = 1{,}75.
  • Elétrons no nível n=2: 2s^2 2p^6 8\times 0{,}85 = 6{,}80.
  • Elétrons em 1s: 2\times 1{,}00 = 2{,}00.
  • Blindagem total \approx 1{,}75+6{,}80+2{,}00 = 10{,}55.
  • Assim Z_{\text{ef}}(\text{S, val}) \approx 16 - 10{,}55 = 5{,}45.
Nota curta sobre interpretação: Z_{\text{ef}} do enxofre ficou numericamente maior do que a do oxigênio, porque enxofre tem mais prótons e, apesar da blindagem maior, ainda “sobram” mais cargas positivas efetivas. Mas isso não basta para saber qual elétron é mais fortemente ligado: é preciso considerar também a camada (valor de n) porque elétrons em níveis com n maior estão mais afastados e menos ligados.

Passo 5

Uma forma simples e qualitativa de combinar Z_{\text{ef}} e n é usar a aproximação hidrogenoide em que a energia de ligação escala aproximadamente com \dfrac{Z_{\text{ef}}^2}{n^2} (isso não é exato para átomos multi-elétron, mas dá uma boa intuição relativa). Vamos comparar os dois valores aproximados:
Para o oxigênio (elétron de valência em n=2):
\frac{Z_{\text{ef}}^2}{n^2} \approx \frac{(4{,}25)^2}{2^2} = \frac{18{,}0625}{4} \approx 4{,}52.
Para o enxofre (elétron de valência em n=3):
\frac{Z_{\text{ef}}^2}{n^2} \approx \frac{(5{,}45)^2}{3^2} = \frac{29{,}7025}{9} \approx 3{,}30.
Comparando os números, 4{,}52 > 3{,}30, ou seja, o elétron de valência do oxigênio está, aproximadamente, mais fortemente ligado ao núcleo do que o elétron de valência do enxofre. Assim a energia necessária para remover o elétron (a primeira energia de ionização I_1) tende a ser maior para o oxigênio do que para o enxofre — o que implica que o átomo que tem I_1 mais baixa é o enxofre.

Passo 6

Confirmação experimental (valores tabulados) para dar confiança à intuição:
  • I_1(\text{O}) \approx 1314\\ \text{kJ mol}^{-1} (cerca de 1313{,}9\\ \text{kJ mol}^{-1}).
  • I_1(\text{S}) \approx 1000\\ \text{kJ mol}^{-1} (cerca de 999{,}6\\ \text{kJ mol}^{-1}).
    Esses valores confirmam a conclusão anterior: a primeira energia de ionização do enxofre é menor que a do oxigênio.

Resposta

Enxofre (Z=16)

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