Questão
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 (
) são aqueles com maior raio atômico. O cobalto (
), niquel (
) e cobre (
) são elementos que estão localizados no
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:
, raio atômico . - Níquel:
, raio atômico . - Cobre:
, raio atômico .
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
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 ). Ela é a carga nuclear líquida “sentida” por um elétron, dada qualitativamente por
onde
é o número de prótons e
é a parcela de blindagem (shielding) pelos outros elétrons. Quanto maior
, 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
. - Os elétrons
fazem uma blindagem relativamente pobre dos elétrons mais externos (comparado com elétrons e ), logo quando aumenta adicionando elétrons , não cresce tanto quanto . Resultado: 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
aumenta.
Passo 4
Escrevendo as configurações eletrônicas relevantes (isto ajuda a ver onde entra o elétron extra).
- Cobalto (
): configuração aproximada ). - Níquel (
): configuração aproximada ). - Cobre (
): configuração aproximada ).
Observação: a ordem exata de energiavs pode variar em diferentes condições, mas essas configurações mostram que os elétrons adicionados do Co→Ni→Cu ocupam majoritariamente orbitais e que em Cu há um empurrão até completar com apenas um elétron em .
Passo 5
Aplicando os conceitos a Co → Ni (por que o raio diminui).
- Ao passar de Co (
) para Ni ( ), adiciona-se um próton no núcleo ( aumenta de 27 para 28) e um elétron que vai para o conjunto . - Como os elétrons
blindam pouco, o aumento de é pequeno frente ao aumento de . Logo aumenta. - A maior carga efetiva puxa os elétrons mais para perto do núcleo, reduzindo o tamanho do átomo. Por isso o raio passa de
(Co) para (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
para e a ocupação de fica reduzida para . - Dois efeitos que explicam o aumento do raio para Cu:
- Elétron adicional entrando em
até completar 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 . - Efeito sobre a ligação metálica: em Ni há mais elétrons
participando efetivamente na ligação metálica ( ), contribuindo para ligações mais fortes e distâncias interatômicas menores. Em Cu, com e muito preenchido, os elétrons 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.
- Elétron adicional entrando em
- Em palavras simples: completar o
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
num mesmo período tende a diminuir o raio por aumento de . - Nos metais de transição, como os elétrons extras entram em
(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
até , 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 (
) e do níquel (
) é menor que o do cobre (
) porque, ao atravessar o período o aumento de
normalmente aumenta a carga nuclear efetiva
e reduz o raio; isso explica Co → Ni. Contudo, em Cu completa‑se o subnível
(
) e a configuração passa a ser
: o preenchimento d aumenta repulsões elétron–elétron internas e torna os elétrons
mais localizados (reduzindo sua participação na ligação metálica), o que atenua a contração esperada e resulta num raio metálico ligeiramente maior para Cu.