Coloque os elementos abaixo em ordem DECRESCENTE de primeira energia de ionização, justificando as anomalias encontradas.
Li, Be, B, C, N, O, F, Ne
Explique por que a primeira energia de ionização do Oxigênio (O) é menor que a do Nitrogênio (N), apesar do O estar à direita do N na tabela periódica.
Passo 1
O que o enunciado pede:
Colocar os elementos \mathrm{Li},\\ \mathrm{Be},\\ \mathrm{B},\\ \mathrm{C},\\ \mathrm{N},\\ \mathrm{O},\\ \mathrm{F},\\ \mathrm{Ne} em ordem DECRESCENTE da primeira energia de ionização.
Justificar as anomalias (os casos em que a tendência “normal” não se aplica).
Explicar especificamente por que a primeira energia de ionização de \mathrm{O} é menor que a de \mathrm{N}, mesmo \mathrm{O} estando à direita de \mathrm{N}.
Informações dadas (lista dos elementos do período 2 da tabela periódica): \mathrm{Li},\\ \mathrm{Be},\\ \mathrm{B},\\ \mathrm{C},\\ \mathrm{N},\\ \mathrm{O},\\ \mathrm{F},\\ \mathrm{Ne}.
Passo 2
O que é a primeira energia de ionização e por que ela importa
Definição: a primeira energia de ionização I_1 de um átomo é a energia necessária para remover um elétron do átomo neutro no estado gasoso:
Interpretação física simples: quanto maior I_1, mais fortemente o átomo prende seu elétron mais externo — portanto, é mais difícil arrancá-lo.
Passo 3
Fatores que controlam I_1 (explicação didática)
Carga nuclear efetiva \;Z_{\text{eff}}: é a carga positiva “sentida” pelo elétron externo, aproximada por
Z_{\text{eff}} \approx Z - S,
onde Z é o número atômico e S é uma medida do efeito de blindagem (shielding) dos elétrons internos. Quanto maior Z_{\text{eff}}, mais forte a atração nuclear e maior I_1.
Distância do elétron ao núcleo / nível eletrônico: elétrons em camadas mais externas (maior n) ficam mais longe e são menos ligados → menor I_1.
Subnível / penetração: elétrons em orbitais s penetram mais próximo ao núcleo do que em p do mesmo nível, então um elétron s costuma estar mais ligado que um elétron p do mesmo nível.
Emparelhamento e repulsão entre elétrons: quando um orbital tem dois elétrons emparelhados, a repulsão entre eles aumenta a energia desse elétron, tornando-o mais fácil de remover (reduz I_1).
Resumo qualitativo para um mesmo período (mesmo nível principal n): em geral I_1 aumenta da esquerda para a direita porque Z aumenta e o aumento de blindagem S é fraco (mesma camada), mas há exceções por causa de mudança de subnível e emparelhamento.
Passo 4
Configurações eletrônicas (essas são cruciais para entender as anomalias)
Vou escrever a configuração e destacar o elétron que seria removido para a primeira ionização.
\mathrm{Li}: \;1s^2\,2s^1 — remove-se o elétron 2s.
\mathrm{Be}: \;1s^2\,2s^2 — remove-se um elétron 2s.
\mathrm{B}: \;1s^2\,2s^2\,2p^1 — remove-se um elétron 2p.
\mathrm{C}: \;1s^2\,2s^2\,2p^2 — remove-se um elétron 2p.
\mathrm{N}: \;1s^2\,2s^2\,2p^3 — configuração com os três orbitais 2p sem emparelhamento (meio preenchido).
\mathrm{O}: \;1s^2\,2s^2\,2p^4 — há emparelhamento em um dos orbitais 2p.
Em um mesmo período (aqui do \mathrm{Li} ao \mathrm{Ne}) a tendência geral é: I_1 aumenta da esquerda para a direita devido ao aumento de Z com blindagem quase constante.
Consequência prática: átomos mais à direita (como \mathrm{F} e \mathrm{Ne}) prendem muito mais seus elétrons do que átomos à esquerda (\mathrm{Li}, \mathrm{Be}).
Porém, as mudanças de subnível (remoção de um elétron p vs s) e o emparelhamento de elétrons podem criar desvios (anomalias) nessa monotonia.
Passo 6
Por que \mathrm{Be} tem I_1 maior que \mathrm{B} (anomalia Be → B)
Observação das configurações:
\mathrm{Be}: 1s^2\,2s^2 — elétron removido é de um orbital 2s bem penetrante.
\mathrm{B}: 1s^2\,2s^2\,2p^1 — elétron removido é de um orbital 2p.
Motivo físico: o orbital 2p tem menor penetração (fica, em média, mais afastado e mais “blindado” pelos elétrons internos) e é menos fortemente ligado ao núcleo do que o 2s. Assim, embora Z aumente de \mathrm{Be} para \mathrm{B}, o elétron removido em \mathrm{B} está em um subnível de energia mais alto e mais protegido — por isso é mais fácil arrancá-lo. Resultado: I_1(\mathrm{B}) < I_1(\mathrm{Be}).
Em palavras: passar de um elétron removido 2s para um 2p pode reduzir I_1 apesar do aumento de Z.
Passo 7
Por que \mathrm{O} tem I_1 menor que \mathrm{N} (a anomalia pedida)
Configurações relevantes:
\mathrm{N}: 1s^2\,2s^2\,2p^3 — os três elétrons 2p ocupam separadamente os três orbitais 2p_x,2p_y,2p_z com paralelo spins (configuração meio preenchida).
\mathrm{O}: 1s^2\,2s^2\,2p^4 — um dos orbitais 2p passa a ter dois elétrons emparelhados.
Efeito do emparelhamento:
Quando dois elétrons ocupam o mesmo orbital, há uma repulsão adicional entre eles que aumenta a energia daquele elétron. Essa repulsão torna o elétron emparelhado menos ligado ao núcleo comparado a um elétron desemparelhado em orbital equivalente.
Em \mathrm{N}, a configuração meio preenchida (2p^3) é relativamente estável por maximizar spins paralelos (princípio de Hund) e por maior estabilidade de troca (exchange energy). Em \mathrm{O}, ao ter um elétron extra, há emparelhamento em um orbital 2p, aumentando repulsão e facilitando a remoção de um elétron.
Conclusão: apesar de \mathrm{O} ter maior Z que \mathrm{N}, o efeito do emparelhamento e da repulsão entre elétrons no mesmo orbital reduz a energia necessária para remover um elétron — portanto I_1(\mathrm{O}) < I_1(\mathrm{N}).
Dica prática (para prova): sempre olhe se o elétron a ser retirado resulta de emparelhamento (se sim, pode reduzir I_1) ou se muda de subnível (de s para p, etc.).
Passo 8
Valores numéricos aproximados (para dar intuição; não é obrigatório decorar, mas ajuda)
(Apenas valores típicos de tabela, em \mathrm{kJ/mol}. Usei vírgula decimal conforme pedido.)