5^{\circ} Questão (2,0)

Observando a tabela periódica é possivel notar que, numa mesma familia, os elementos com maior número de camadas possuem maior raio atômico. Observa-se também que, num mesmo período, os elementos com menor carga nuclear ( Z ) são aqueles com maior raio atômico. O cobalto ( Z=27 ), niquel ( Z=28 ) e cobre ( Z=29 ) são elementos que estão localizados no 4^{\circ} periodo da tabela periódica. Explique a razão pela qual o raio atômico do cobalto ( 126 pm ) e do niquel ( 124 pm ) são menores que o raio atómico do cobre ( 128 pm).

Passo 1

O enunciado pede que se explique por que os raios atômicos do cobalto e do níquel são menores que o do cobre, embora todos estejam no mesmo período. Informações dadas (retiradas do enunciado):
  • Cobalto: Z=27, raio atômico =126\\ \text{pm}.
  • Níquel: Z=28, raio atômico =124\\ \text{pm}.
  • Cobre: Z=29, raio atômico =128\\ \text{pm}.
    A pergunta é qualitativa: explicar a razão física/eletrônica dessa variação de raios entre estes três elementos vizinhos.

Passo 2

Conceitos básicos que vamos usar (explicados de modo simples).
  • Raio atômico: medida do tamanho aproximado do átomo; em metais costuma-se usar raio metálico, que depende da distância entre átomos no cristal metálico.
  • Tendência periódica (regra geral): ao atravessar um período da esquerda para a direita, o número atômico Z aumenta e, como o aumento de carga positiva do núcleo atrai os elétrons, o átomo tende a encolher — isto é, o raio diminui. Porém, há exceções finas por causa da configuração eletrônica e da forma como os elétrons preenchem orbitais.
  • Efeito importante: carga nuclear efetiva \(Z_{\text{ef}}). Ela é a carga nuclear líquida “sentida” por um elétron, dada qualitativamente por
Z_{\text{ef}} = Z - S,
onde Z é o número de prótons e S é a parcela de blindagem (shielding) pelos outros elétrons. Quanto maior Z_{\text{ef}}, mais forte a atração núcleo-elétron e menor tende a ser o raio.

Passo 3

Como se comporta a blindagem em elementos de transição (ideia chave).
  • Ao atravessar o quarto período entrando na série dos metais de transição, os elétrons adicionais entram majoritariamente nos orbitais 3d.
  • Os elétrons 3d fazem uma blindagem relativamente pobre dos elétrons mais externos (comparado com elétrons s e p), logo quando Z aumenta adicionando elétrons 3d, S não cresce tanto quanto Z. Resultado: Z_{\text{ef}} cresce e os raios tendem a diminuir (efeito de contração d).
  • Portanto, entre elementos vizinhos como Co e Ni a tendência normal é de contração do raio quando Z aumenta.

Passo 4

Escrevendo as configurações eletrônicas relevantes (isto ajuda a ver onde entra o elétron extra).
  • Cobalto ( Z=27): configuração aproximada \([Ar]\\\ 3d^{7}\\\ 4s^{2}).
  • Níquel ( Z=28): configuração aproximada \([Ar]\\\ 3d^{8}\\\ 4s^{2}).
  • Cobre ( Z=29): configuração aproximada \([Ar]\\\ 3d^{10}\\\ 4s^{1}).
    Observação: a ordem exata de energia 4s vs 3d pode variar em diferentes condições, mas essas configurações mostram que os elétrons adicionados do Co→Ni→Cu ocupam majoritariamente orbitais 3d e que em Cu há um empurrão até completar 3d^{10} com apenas um elétron em 4s.

Passo 5

Aplicando os conceitos a Co → Ni (por que o raio diminui).
  • Ao passar de Co ( 3d^{7}4s^{2}) para Ni ( 3d^{8}4s^{2}), adiciona-se um próton no núcleo ( Z aumenta de 27 para 28) e um elétron que vai para o conjunto 3d.
  • Como os elétrons 3d blindam pouco, o aumento de S é pequeno frente ao aumento de Z. Logo Z_{\text{ef}} aumenta.
  • A maior carga efetiva puxa os elétrons mais para perto do núcleo, reduzindo o tamanho do átomo. Por isso o raio passa de 126\\ \text{pm} (Co) para 124\\ \text{pm} (Ni).

Passo 6

Por que a tendência é quebrada em Ni → Cu (por que o Cu fica um pouco maior).
  • Em Cu ocorre uma mudança importante: completa-se o subnível 3d para 3d^{10} e a ocupação de 4s fica reduzida para 4s^{1}.
  • Dois efeitos que explicam o aumento do raio para Cu:
    1. Elétron adicional entrando em 3d até completar 3d^{10} aumenta as repulsões elétron–elétron dentro da camada d muito compacta; essa repulsão interna tende a “empurrar” um pouco as nuvens eletrônicas para fora, atenuando a contração esperada pelo aumento de Z.
    2. Efeito sobre a ligação metálica: em Ni há mais elétrons 4s participando efetivamente na ligação metálica ( 4s^{2}), contribuindo para ligações mais fortes e distâncias interatômicas menores. Em Cu, com 4s^{1} e 3d^{10} muito preenchido, os elétrons 3d tornam-se mais localizados e menos eficazes na formação de ligações metálicas fortes; isso resulta numa ligeira diminuição da força de ligação metálica e, portanto, num raio metálico um pouco maior.
  • Em palavras simples: completar o 3d reduz a contribuição dos elétrons para o “cola” metálico e aumenta repulsões internas, que juntos superam a pequena maior atração nuclear adicional quando se vai de Ni para Cu — o resultado é um raio ligeiramente maior para Cu.

Passo 7

Resumo e intuição final (para lembrar na prova).
  • Regra geral: aumentar Z num mesmo período tende a diminuir o raio por aumento de Z_{\text{ef}}.
  • Nos metais de transição, como os elétrons extras entram em 3d (blindagem pobre), essa contração acontece, mas há pequenas irregularidades quando se completa o subnível d.
  • A irregularidade Co/Ni/Cu é exatamente isso: Co → Ni mostra a contração esperada; Ni → Cu apresenta uma exceção por causa do preenchimento do 3d até 3d^{10}, aumento de repulsões d–d e alteração na forma como os elétrons participam da ligação metálica, fazendo com que o raio do Cu seja um pouco maior que o do Ni.

Resposta

O raio do cobalto ( 126\\ \text{pm}) e do níquel ( 124\\ \text{pm}) é menor que o do cobre ( 128\\ \text{pm}) porque, ao atravessar o período o aumento de Z normalmente aumenta a carga nuclear efetiva Z_{\text{ef}} e reduz o raio; isso explica Co → Ni. Contudo, em Cu completa‑se o subnível 3d ( 3d^{10}) e a configuração passa a ser [Ar]\\\ 3d^{10}4s^{1}: o preenchimento d aumenta repulsões elétron–elétron internas e torna os elétrons 3d mais localizados (reduzindo sua participação na ligação metálica), o que atenua a contração esperada e resulta num raio metálico ligeiramente maior para Cu.

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