A configuração dos elétrons de valência dos elementos do grupo 13 é ns2np1. Esta configuração sugere que todos os elementos adotam o estado de oxidação
nos seus compostos. Entretanto, os elementos mais pesados do grupo também formam compostos com o metal no estado de oxidação
. Explique.
Passo 1
O enunciado diz que os elementos do grupo 13 têm configuração de elétrons de valência
. A partir disso parece natural que eles devam formar compostos com estado de oxidação
(removendo os três elétrons de valência). Porém, observa-se que os elementos mais pesados do grupo também formam compostos com o metal no estado de oxidação
. O que pede o exercício: explique por que, apesar de
sugerir
, aparece o estado
para os elementos mais pesados. Informações relevantes dadas: a configuração de valência
e a evidência experimental de estados
e
(principalmente em elementos mais pesados do grupo).
Passo 2
O que significa, em termos de elétrons, os estados de oxidação
e
para um elemento com valência
?
- Um átomo neutro tem os três elétrons de valência:
. - Se o átomo perde um elétron (oxidação
), perde o elétron do orbital e fica com configuração aparente ; escrevemos isso como . - Se perde três elétrons (oxidação
), perde o elétron e os dois elétrons , ficando sem esses elétrons de valência: .
Portanto, ambos os estados são possíveis mecanicamente:corresponde a manter o par (o “par” de elétrons ) e corresponde a removê‑lo também.
Passo 3
Introdução ao conceito energético: por que um estado de oxidação é mais estável que outro?
- Para formar
é necessário fornecer energia para remover três elétrons (três energias de ionização). Quanto maior a energia necessária, menos favorável é formar . - Essa energia de remoção é compensada — na formação de um composto — pela energia liberada na formação de ligações (energia de ligação, energia reticular em sólidos iônicos, estabilização covalente etc.). Se a energia liberada pelas ligações compensa a energia de ionização, o estado mais alto de oxidação é viável; se não compensa, o estado mais baixo é preferido.
Logo, precisamos comparar: energia necessária para remover os elétrons versus energia ganhada ao formar o composto.
Passo 4
Por que os elétrons
ficam “relutantes” em participar da ligação nos elementos pesados? (Explicação detalhada e física)
- Efeito de blindagem imperfeita: ao descer no grupo aparecem subníveis internos
e depois . Esses elétrons internos blindam mal o núcleo, o que aumenta a carga nuclear efetiva percebida pelos elétrons e, como consequência, aproxima e estabiliza os elétrons (reduz sua energia relativa). - Contração relativística: em átomos pesados os elétrons internos movem‑se a velocidades relativísticas; isso faz com que os orbitais
sofram contração e estabilização adicional (ficam mais ligados ao núcleo). Esse efeito é importante para elementos pesados como o tálio. - Resultado combinado: os elétrons
ficam mais estabilizados (de menor energia) e, portanto, mais difíceis de remover (ionizar). Esse fenômeno é chamado de efeito do “par inerte” (inert‑pair effect): o par tende a permanecer não ligado, isto é, “inerte”.
Em linguagem prática: à medida que desço no grupo 13, a remoção dos dois elétronstorna‑se progressivamente mais difícil, tornando o estado (onde o par permanece) mais favorecido.
Passo 5
Ligando a teoria à estabilidade dos estados reais e a exemplos concretos
- Para os elementos leves (por exemplo boro e alumínio) a energia de ionização para tirar os dois elétrons
não é tão alta e a formação de ligações fortes compensa isso; portanto é dominante. - Para os elementos mais pesados (principalmente tálio, e em menor grau índio e gálio) o par
está estabilizado pelo efeito inerte, então perder apenas o elétron (formando ) é energeticamente mais favorável do que perder também os dois . Assim, compostos com são muito comuns — por exemplo , (o estado em tálio existe, mas é um agente oxidante forte e tende a se reduzir para ). - Observação termodinâmica simples: quando a energia de ionização extra para alcançar
não é compensada pela energia de ligação adicional, o estado fica mais estável. Para elementos leves essa compensação ocorre; para os pesados costuma não ocorrer.
Passo 6
Consequência prática e padrão periódico
- O efeito do “par inerte” cresce ao descer no grupo 13. Assim o padrão típico é:
B e Al predominam em ; Ga e In podem apresentar estados em certos compostos; Tl apresenta fortemente o estado . - Em provas: quando vir
e o enunciado pedir por que aparece nos pesados, responda mencionando o par que fica não ligado (inert pair), justificando com aumento da energia de remoção dos elétrons por blindagem imperfeita e efeitos relativísticos, e completando com a ideia de balanço entre energia de ionização e energia de ligação.
Resposta
Porque, embora a configuração de valência seja
, nos elementos mais pesados o par
fica fortemente estabilizado (efeito do “par inerte”) devido à blindagem imperfeita pelos elétrons internos e a contração relativística dos orbitais
; isso torna a remoção dos elétrons
energeticamente custosa, de modo que é mais favorável perder só o elétron
(formando
) do que perder também os dois elétrons
(formando
). Assim a estabilidade relativa de
aumenta ao descer o grupo (especialmente para
).