Compare os elementos flúor e cloro em relação às seguintes propriedades. Explique as diferenças entre os dois elementos.
Raio atômico.

Passo 1

O que o enunciado pede: comparar os elementos flúor e cloro em relação ao raio atômico e explicar por que eles diferem.
Informações relevantes que vamos usar (dados da tabela periódica e da configuração eletrônica):
  • Flúor: símbolo \mathrm{F}, número atômico \,Z=9, período 2.
  • Cloro: símbolo \mathrm{Cl}, número atômico \,Z=17, período 3.
  • Ambos pertencem ao mesmo grupo (halogênios, grupo 17), ou seja, têm a mesma quantidade de elétrons de valência ( ns^2 np^5).
  • A pergunta é apenas sobre raio atômico (não foi pedido nada sobre íons, eletronegatividade etc.).

Passo 2

O que é “raio atômico” e por que ele importa
  • Definição prática: o raio atômico é uma medida da distância média entre o núcleo e a “casca” onde ficam os elétrons mais externos. Não existe uma única fórmula exata porque elétrons formam nuvens; por isso existem várias definições (covalente, iônica, de van der Waals). Aqui vamos falar do conceito geral: quão “grande” é o átomo.
  • Intuição física: dois fatores principais determinam o tamanho do átomo:
    1. O nível principal ocupado pelos elétrons mais externos, dado pelo número quântico principal n. Quanto maior n, mais “longe” em média estão os elétrons do núcleo.
    2. A atração efetiva do núcleo sobre esses elétrons, chamada carga nuclear efetiva \,Z_{\text{eff}}. Quanto maior \,Z_{\text{eff}}, mais fortemente os elétrons são puxados para perto do núcleo e menor o raio.

Passo 3

Tendências periódicas que vamos usar (resumo simples e útil para prova)
  • Ao descer numa coluna (mesmo grupo): o raio atômico aumenta porque os elétrons externos ocupam níveis com n maior (uma nova camada é adicionada).
  • Ao mover-se para a direita numa linha (mesmo período): o raio atômico tende a diminuir porque Z aumenta enquanto o nível n dos elétrons externos permanece o mesmo; a maior carga nuclear efetiva puxa os elétrons mais para dentro.
No nosso caso específico: flúor está no período 2 e cloro no período 3. Isso sugere, pela primeira tendência, que o cloro deve ter raio maior que o flúor por ter um nível n mais externo.

Passo 4

Explicação quantitativa intuitiva usando carga nuclear efetiva \,Z_{\text{eff}}
  • Fórmula conceitual (não é uma lei exata, mas ajuda muito na intuição):
Z_{\text{eff}} = Z - S,
onde Z é o número atômico (número de prótons) e S é a constante de blindagem (shielding) causada pelos outros elétrons.
  • Quanto maior \,Z_{\text{eff}}, maior a atração do núcleo sobre um elétron externo e, tudo o mais igual, menor o raio.
Vamos estimar \,Z_{\text{eff}} para um elétron de valência de \mathrm{F} e de \mathrm{Cl} usando regras simples (Slater) para ver a tendência (isso mostra por que não basta só olhar para Z).

Passo 5

Cálculo aproximado de \,Z_{\text{eff}} por Slater (passo a passo, didático)
Para um elétron do tipo ns ou np, as regras úteis (resumidas) são:
  • Outros elétrons no mesmo nível n contribuem com 0,35 cada um para S (exceto 1s onde a contribuição entre os dois 1s é 0,30 mas aqui usaremos a regra padrão).
  • Elétrons no nível n-1 contribuem com 0,85 cada um.
  • Elétrons em níveis mais internos ( \le n-2) contribuem com 1,00 cada um.
Agora aplicamos:
Flúor ( \mathrm{F}, configuração \,1s^2\,2s^2\,2p^5):
  • Para um elétron de valência (ex.: um dos 2p): Z=9.
  • Elétrons no mesmo nível n=2, excluindo o elétron em questão: 2s^2 + 2p^4 = 6 elétrons \Rightarrow contribuição 0,35\times6 = 2,1.
  • Elétrons no nível n-1=1: 1s^2 (2 elétrons) \Rightarrow contribuição 0,85\times2 = 1,7.
  • Soma de blindagem: S = 2,1 + 1,7 = 3,8.
  • Logo
Z_{\text{eff}}(\mathrm{F}) \approx 9 - 3,8 = 5,2.
Cloro ( \mathrm{Cl}, configuração \,[\mathrm{Ne}]\,3s^2\,3p^5):
  • Para um elétron de valência 3p: Z=17.
  • Elétrons no mesmo nível n=3, excluindo o elétron em questão: 3s^2 + 3p^4 = 6 elétrons \Rightarrow contribuição 0,35\times6 = 2,1.
  • Elétrons no nível n-1=2: 2s^2\,2p^6 = 8 elétrons \Rightarrow contribuição 0,85\times8 = 6,8.
  • Elétrons em níveis mais internos ( n-2=1): 1s^2 = 2 elétrons \Rightarrow contribuição 1,0\times2 = 2,0.
  • Soma de blindagem: S = 2,1 + 6,8 + 2,0 = 10,9.
  • Logo
Z_{\text{eff}}(\mathrm{Cl}) \approx 17 - 10,9 = 6,1.
Interpretação: \,Z_{\text{eff}}(\mathrm{Cl}) estimado (aprox. 6,1) é um pouco maior que \,Z_{\text{eff}}(\mathrm{F}) (aprox. 5,2). Isso significa que, se comparássemos elétrons no mesmo nível n, o cloro poderia atrair seus elétrons externos com força igual ou maior. Porém…

Passo 6

Por que, apesar de \,Z_{\text{eff}} maior, o cloro tem raio maior que o flúor
  • O fator decisivo é o nível principal n. Em flúor os elétrons de valência estão em n=2; em cloro estão em n=3. O aumento de n leva a orbitais com maior extensão espacial (média da distância ao núcleo maior). Mesmo que \,Z_{\text{eff}} em \mathrm{Cl} seja ligeiramente maior, isso não compensa o salto para um nível mais externo.
  • Em termos práticos: o aumento do tamanho do orbital quando se passa de n=2 para n=3 é grande; portanto átomos do período 3 são claramente maiores que os do período 2 na mesma coluna.

Passo 7

Valores aproximados e conclusão numérica (úteis para checar na prova)
  • Raio covalente aproximado (valores tabulados, usados frequentemente como referência):
    • \mathrm{F}: \approx 64\\ \text{pm} (picômetros).
    • \mathrm{Cl}: \approx 99\\ \text{pm}.
  • Observação: existem diferentes definições de raio (covalente, iônico, van der Waals); os números acima são típicos para raio covalente e já mostram que \mathrm{Cl} é muito maior que \mathrm{F}.
Resumo em palavras simples e motivadoras: o cloro tem raio atômico maior que o flúor porque seus elétrons de valência ocupam o nível n=3 (mais distante do núcleo) enquanto os do flúor ocupam n=2. A blindagem e a carga nuclear efetiva explicam detalhes finos (por exemplo, por que \,Z_{\text{eff}} aumenta ao descer o grupo), mas a diferença de camada eletrônica domina e faz o cloro ser claramente maior.

Resposta

O cloro tem raio atômico maior que o flúor.
Valores aproximados: \mathrm{F}: \approx 64\\ \text{pm}; \mathrm{Cl}: \approx 99\\ \text{pm}.

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