Para cada um dos seguintes átomos escreva a configuração eletrônica do estado fundamental e indique que elétrons são de valência e de cerne:
Gd
Gd
Passo 1
O que o exercício pede: escrever a configuração eletrônica do estado fundamental do átomo de Gd e indicar quais elétrons são de valência e quais são de cerne.
Informações fornecidas/necessárias (que estou usando sem perguntar nada):
- Símbolo do elemento: Gd.
- Número atômico:
(ou seja, o átomo neutro tem elétrons).
Passo 2
Conceitos e regras que vou usar (explicados de forma didática):
- Princípio de Aufbau: os elétrons ocupam orbitais em ordem crescente de energia. Isso significa que, ao montar a configuração, colocamos elétrons nos orbitais mais baixos de energia primeiro.
- Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
- Regra de Hund: quando há orbitais degenerados (mesma energia, como os sete orbitais
), os elétrons ocupam orbitais diferentes com spins paralelos antes de emparelhar. - Ordem aproximada de preenchimento (útil para elementos mais pesados, em particular os lantanídeos): os orbitais
geralmente são preenchidos antes de , e fica muito próximo de energia de , o que pode originar exceções. A sequência relevante após o gás nobre é que tipicamente aparecem os elétrons em , depois em e possivelmente em .
Explicação rápida do que é “elétron de cerne” e “elétron de valência”:
- Elétrons de cerne: normalmente os elétrons que correspondem ao núcleo eletrônico cheio de um gás nobre interno (ou camadas internas completamente preenchidas) e que, em geral, não participam nas ligações químicas. São os elétrons “protegidos” e de baixa energia.
- Elétrons de valência: elétrons das camadas externas (ou subníveis parcialmente preenchidos) que podem participar de ligações químicas e de processos físicos/químicos. Para elementos de transição e lantanídeos, a definição tem nuances: além dos elétrons no maior nível principal
, os elétrons em subníveis parcialmente preenchidos (como e ) também podem ser considerados valência dependendo do contexto. Vou explicitar a convenção que adoto abaixo.
Passo 3
Montagem passo a passo da configuração eletrônica de
:
-
Parto do gás nobre anterior. O gás nobre com
elétrons é xenônio, cuja notação de núcleo é . Escrever isso economiza trabalho, porque representa os elétrons das camadas cheias até . -
A partir de
(já contabilizados elétrons), faltam elétrons a colocar nos subníveis de energia seguintes. -
O subnível
é energeticamente mais baixo que os subníveis e para esses elementos, então primeiro ocupamos :
- Depois de colocar
temos elétrons.
- Em seguida começa o preenchimento do bloco
. Para Gd observa-se experimentalmente e por argumentos de estabilidade de semipreenchimento que chega-se a (metade cheio) com grande estabilidade. Colocando adicionamos elétrons:
- Total então
elétrons.
-
Ainda falta 1 elétron (para completar
). Devido às energias próximas de e e à estabilidade do semipreenchimento , o elétron restante ocupa o orbital , resultando em . -
Assim obtemos a configuração final do estado fundamental:
Observação física-resumida do porquê de
em vez de
: o semipreenchimento (
) maximiza a energia de troca (regra de Hund) e é particularmente estável; as diferenças de energia entre os orbitais
e
são pequenas, permitindo que um elétron ocupe
para manter o
semipreenchido.
Passo 4
Indicação dos elétrons de valência e de cerne (explicando a convenção usada):
-
Convenção clara e direta (vista em física/metalurgia e em muitos contextos eletrônicos): considerar como elétrons de cerne o núcleo nobre
que contém elétrons, e como elétrons fora do cerne todos os elétrons em , e . Assim: - Elétrons de cerne:
→ elétrons (essas são as camadas internas preenchidas até ). - Elétrons de valência (todos os elétrons fora do cerne):
→ total de elétrons de valência.
- Elétrons de cerne:
-
Observação de nuance química (útil saber para provas/questões de química): em química de coordenação ou reatividade química prática dos lantanídeos costuma-se considerar principalmente os elétrons
e como os mais prontamente envolvidos em ligações, enquanto os elétrons são mais internamente localizados e participam menos na química de superfície. Nesse ponto de vista: - Núcleo (cerne):
e muitas vezes também os (somando elétrons) — embora tecnicamente os não façam parte do “gás nobre” interior, são relativamente internos. - Elétrons de valência mais “químicos”:
→ elétrons.
- Núcleo (cerne):
Vou entregar a resposta principal com a convenção direta (cerne =
, valência = tudo fora do cerne), e também mencionar a convenção química como observação (resumida acima).
Passo 5
Contagem final e checagem rápida:
- Soma:
(do ) ( ) ( ) ( ) , que confere com . - A configuração apresentada é a aceita experimentalmente para o estado fundamental de Gd:
.
Resposta
Elétrons de cerne: