Qual dos átomos deve ter uma primeira energia de ionização mais baixa: o oxigênio (
) ou o enxofre
?
Passo 1
O enunciado pergunta qual átomo tem a primeira energia de ionização mais baixa: o oxigênio
ou o enxofre
. Informações relevantes fornecidas:
- Número atômico do oxigênio:
. - Número atômico do enxofre:
. - Ambos os elementos pertencem à mesma família química (mesmo grupo) e têm quatro elétrons no subnível
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
, é a energia necessária para remover um elétron de um átomo isolado no estado gasoso, formando um íon positivo:
Quais fatores influenciam
?
- Distância média do elétron ao núcleo (número quântico principal
): elétrons mais afastados são mais fáceis de remover. - Carga nuclear efetiva
: quanto maior , 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
se o elétron removido estiver emparelhado.
Passo 3
Vamos escrever as configurações eletrônicas (são informações úteis para aplicar os conceitos acima):
- Oxigênio:
. - Enxofre:
.
Observação: em ambos os casos o elétron removido na primeira ionização vem de um orbital
com quatro elétrons no mesmo subnível (
), mas em oxigênio esses
estão em
e, em enxofre, em
.
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
ou : - Cada outro elétron no mesmo nível
contribui com para a blindagem (exceto no caso de , que tem regras especiais). - Cada elétron no nível
contribui com . - Cada elétron em níveis
ou menores contribui com .
Cálculo para um elétrondo oxigênio:
- Cada outro elétron no mesmo nível
- Elétrons no mesmo nível
: além do elétron considerado há em e outros em , total elétrons . - Elétrons em níveis mais internos (
): elétrons . - Blindagem total
. - Assim
Cálculo para um elétron
do enxofre:
- Elétrons no mesmo nível
: em e outros em → . - Elétrons no nível
: → . - Elétrons em
: . - Blindagem total
. - Assim
Nota curta sobre interpretação:
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
) porque elétrons em níveis com
maior estão mais afastados e menos ligados.
Passo 5
Uma forma simples e qualitativa de combinar
e
é usar a aproximação hidrogenoide em que a energia de ligação escala aproximadamente com
(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
):
Para o enxofre (elétron de valência em
):
Comparando os números,
, 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
) tende a ser maior para o oxigênio do que para o enxofre — o que implica que o átomo que tem
mais baixa é o enxofre.
Passo 6
Confirmação experimental (valores tabulados) para dar confiança à intuição:
-
(cerca de ). -
(cerca de ).
Esses valores confirmam a conclusão anterior: a primeira energia de ionização do enxofre é menor que a do oxigênio.
Resposta
Enxofre