Compare os elementos \mathrm{Na}, \mathrm{Mg}, \mathrm{Al} e P quanto a: (a) raio atômico, (b) primeira energia de ionização, e (c) eletronegatividade. Explique as tendências observadas em termos de carga nuclear efetiva.

Passo 1

O que o enunciado pede e quais dados temos (sem resolver ainda).
  • Comparar os elementos \mathrm{Na}, \mathrm{Mg}, \mathrm{Al} e \mathrm{P} quanto a três propriedades:
    (a) raio atômico; (b) primeira energia de ionização; (c) eletronegatividade.
  • Informações relevantes que vamos usar (valores fundamentais que vêm da tabela periódica):
    • Números atômicos: \mathrm{Na}:\,Z=11, \mathrm{Mg}:\,Z=12, \mathrm{Al}:\,Z=13, \mathrm{P}:\,Z=15.
    • Configurações eletrônicas externas (camada de valência):
      • \mathrm{Na}:\,[\mathrm{Ne}]\,3s^{1}.
      • \mathrm{Mg}:\,[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}.
      • \mathrm{Al}:\,[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}3p^{1}.
      • \mathrm{P}:\,[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}3p^{3}.
  • O enunciado pede tanto a comparação (ordens) quanto a explicação das tendências em termos de carga nuclear efetiva.

Passo 2

Conceito de carga nuclear efetiva ( Z_{\mathrm{eff}}) e como estimá-la (aula rápida e prática).
  • O que é Z_{\mathrm{eff}}: é a carga nuclear “sentida” por um elétron, já descontado o efeito de blindagem (shielding) causado pelos outros elétrons. Em fórmulas: Z_{\mathrm{eff}} = Z - S,onde Z é o número atômico (carga nuclear inteira) e S é o somatório da blindagem causada pelos demais elétrons.
  • Regra prática (Slater) para elétrons de valência em nível n=3 (resumida para a nossa aplicação):
    • Elétrons das camadas internas ( 1s,2s,2p) contribuem com 1{,}00 cada para S.
    • Elétrons na mesma camada ( 3s,3p) contribuem com 0{,}35 cada (exceto que, se estivéssemos tratando níveis bem internos, haveria outras regras; aqui isso basta).
  • Vamos estimar Z_{\mathrm{eff}} para um elétron de valência (3s ou 3p) em cada átomo usando Slater (isso nos dá números que ajudam a entender tendências qualitativas).
Cálculos (passo a passo):
  • Para \mathrm{Na} (um elétron de valência 3s):
    • Elétrons internos: 10 (isto é, [\mathrm{Ne}]).
    • Outros elétrons na mesma camada: 0.
    • Logo S = 10{,}00 + 0 \times 0{,}35 = 10{,}00.
    • Assim Z_{\mathrm{eff}}(\mathrm{Na}) = 11 - 10{,}00 = 1{,}00.
  • Para \mathrm{Mg} (um dos elétrons 3s, o outro 3s contribui):
    • Elétrons internos: 10.
    • Outros elétrons na mesma camada: 1 (o outro 3s), contribuição 0{,}35.
    • S = 10{,}00 + 0{,}35 = 10{,}35.
    • Logo Z_{\mathrm{eff}}(\mathrm{Mg}) = 12 - 10{,}35 = 1{,}65.
  • Para \mathrm{Al} (considerando um elétron 3p):
    • Elétrons internos: 10.
    • Outros elétrons na mesma camada: 2 (os dois 3s), contribuição 2\times0{,}35=0{,}70.
    • S = 10{,}00 + 0{,}70 = 10{,}70.
    • Logo Z_{\mathrm{eff}}(\mathrm{Al}) = 13 - 10{,}70 = 2{,}30.
  • Para \mathrm{P} (um elétron 3p em [ \mathrm{Ne} ]\,3s^{2}3p^{3}):
    • Elétrons internos: 10.
    • Outros elétrons na mesma camada: 4 (os dois 3s mais os outros 3p), contribuição 4\times0{,}35=1{,}40.
    • S = 10{,}00 + 1{,}40 = 11{,}40.
    • Logo Z_{\mathrm{eff}}(\mathrm{P}) = 15 - 11{,}40 = 3{,}60.
Interpretação imediata: Z_{\mathrm{eff}} aumenta da esquerda para a direita no período: \mathrm{Na}:1{,}00 \to \mathrm{Mg}:1{,}65 \to \mathrm{Al}:2{,}30 \to \mathrm{P}:3{,}60. Isso quer dizer que, à medida que o número atômico cresce e o aumento de blindagem não compensa totalmente, os elétrons de valência sentem uma atração nuclear maior.

Passo 3

Relação entre Z_{\mathrm{eff}} e raio atômico; previsão e explicação passo a passo.
  • Conceito: quanto maior Z_{\mathrm{eff}}, mais forte é a atração entre núcleo e elétrons de valência, puxando a nuvem eletrônica para mais perto — isto reduz o raio atômico.
  • Aplicando aos nossos valores:
    • Como Z_{\mathrm{eff}} cresce na sequência \mathrm{Na} \mathrm{Mg} \mathrm{Al} \mathrm{P}, esperamos que os raios atômicos diminuissem nessa mesma ordem.
  • Resultado qualitativo (ordem do maior para o menor raio): \mathrm{Na} > \mathrm{Mg} > \mathrm{Al} > \mathrm{P}.
  • Intuição adicional: todos têm elétrons de valência no mesmo nível n=3, então a blindagem das camadas internas é a mesma (aproximadamente), e o aumento de Z (número atômico) domina trazendo os elétrons mais para perto conforme avançamos no período.

Passo 4

Primeira energia de ionização ( I_{1}): conceito, tendências gerais e exceções específicas aqui.
  • O que é I_{1}: energia requerida para remover o elétron mais frouxo de um átomo no estado gasoso neutro: \mathrm{X} (g) \to \mathrm{X}^{+}(g) + e^{-}.
  • Tendência geral: I_{1} aumenta ao longo de um período (esquerda → direita) por causa do aumento de Z_{\mathrm{eff}} e pela diminuição do raio — elétrons mais fortemente ligados exigem mais energia para serem removidos.
  • Porém, orbital de onde o elétron é removido e estabilidade de configurações têm papel: elétrons em orbitais p são, em média, menos penetrantes que s e portanto mais fáceis de remover; configurações meio preenchidas trazem estabilidade extra.
  • Para os quatro elementos, valores experimentais (aproximados, para referência) em \mathrm{kJ/mol}:
    • \mathrm{Na}: I_{1}\approx 496
    • \mathrm{Mg}: I_{1}\approx 738
    • \mathrm{Al}: I_{1}\approx 578
    • \mathrm{P}: I_{1}\approx 1012
      (estes números apenas para evidenciar a ordem; as unidades e precisão não são o foco)
  • Observação e explicação das ordens:
    • \mathrm{Na} tem menor I_{1} porque tem Z_{\mathrm{eff}} pequeno e só um elétron 3s de valência, pouco ligado.
    • \mathrm{Mg} tem I_{1} alto porque remove-se um elétron de 3s que é relativamente bem penetrante e ligado, e \mathrm{Mg} tem Z_{\mathrm{eff}} maior que \mathrm{Al} efetivamente para o elétron removido em \mathrm{Mg}.
    • \mathrm{Al} tem I_{1} menor que \mathrm{Mg} apesar de ter Z maior — razão: em \mathrm{Al} o elétron removido é um elétron 3p, que sofre menor penetração (logo menor ligação) que um 3s; por isso \mathrm{Al} é mais fácil de ionizar que \mathrm{Mg} (esta é uma exceção clássica na tendência periódica).
    • \mathrm{P} tem I_{1} bem alto devido ao maior Z_{\mathrm{eff}} e à estabilidade adicional da configuração 3p^{3} (metade cheia do subnível p), que torna a remoção mais difícil.
  • Portanto a ordem do menor para o maior I_{1} observada experimentalmente é: \mathrm{Na} < \mathrm{Al} < \mathrm{Mg} < \mathrm{P}.E essa ordem é explicada combinando Z_{\mathrm{eff}} crescente com efeitos de penetração orbital ( 3s versus 3p) e estabilidade de subníveis (meio preenchido em \mathrm{P}).

Passo 5

Eletronegatividade: definição, tendência e aplicação aos quatro elementos.
  • Definição breve e prática: eletronegatividade é a capacidade de um átomo em uma ligação química de atrair os elétrons compartilhados. Pauling é a escala mais usada; qualitativamente, eletronegatividade aumenta com Z_{\mathrm{eff}} e diminui com o aumento do raio.
  • Valores de referência (escala de Pauling, aproximados):
    • \mathrm{Na}:\\ \chi\approx 0{,}93.
    • \mathrm{Mg}:\\ \chi\approx 1{,}31.
    • \mathrm{Al}:\\ \chi\approx 1{,}61.
    • \mathrm{P}:\\ \chi\approx 2{,}19.
  • Interpretação com Z_{\mathrm{eff}}: como Z_{\mathrm{eff}} aumenta de \mathrm{Na} até \mathrm{P} e o raio diminui, a tendência é que a eletronegatividade aumente nessa sequência.
  • Portanto a ordem da menor para a maior eletronegatividade é: \mathrm{Na} < \mathrm{Mg} < \mathrm{Al} < \mathrm{P}.

Passo 6

Resumo final e como usar isso na prova (dicas rápidas).
  • Resumo prático das tendências e por que elas acontecem (uma frase cada):
    • Raio atômico: diminui da esquerda para direita porque Z_{\mathrm{eff}} aumenta, puxando a nuvem eletrônica para mais perto.
    • Primeira energia de ionização: tende a aumentar com Z_{\mathrm{eff}}, mas atenção a exceções por causa de qual orbital perde o elétron ( 3s versus 3p) e estabilidade de subníveis (ex.: \mathrm{Al} tem I_{1} menor que \mathrm{Mg} porque remove-se um elétron 3p pouco penetrante; \mathrm{P} tem I_{1} alto por ser 3p^{3}).
    • Eletronegatividade: aumenta com Z_{\mathrm{eff}} e com a diminuição do raio; segue a mesma ordem qualitativa do Z_{\mathrm{eff}}.
  • Dica para prova: quando pedirem ordem entre elementos do mesmo período, calcule/considere rapidamente:
    1. Z e configuração eletrônica.
    2. Se o elétron de interesse pertence a s ou p (isso pode inverter a tendência para I_{1}).
    3. Use Slater mentalmente para justificar Z_{\mathrm{eff}} qualitativamente (mesma blindagem interna, aumento de Z → maior Z_{\mathrm{eff}}).

Resposta

(a) Raio atômico (maior → menor): \mathrm{Na} > \mathrm{Mg} > \mathrm{Al} > \mathrm{P}
(b) Primeira energia de ionização (menor → maior): \mathrm{Na} < \mathrm{Al} < \mathrm{Mg} < \mathrm{P}
(c) Eletronegatividade (menor → maior): \mathrm{Na} < \mathrm{Mg} < \mathrm{Al} < \mathrm{P}

Exercícios relacionados