1- Considere um átomo neutro de enxofre (S), que possui número atômico 16. De acordo com a distribuição eletrônica em subníveis de energia e a Regra de Hund, \
(a) Qual é a configuração eletrônica correta do enxofre em seu estado fundamental? \
(b) Explique, de acordo com a Regra de Hund, qual deve ser a carga mais estável para o átomo de enxofre isolado. \
(a) Qual é a configuração eletrônica correta do enxofre em seu estado fundamental? \
(b) Explique, de acordo com a Regra de Hund, qual deve ser a carga mais estável para o átomo de enxofre isolado. \
Passo 1
O enunciado dá que o átomo de enxofre tem número atômico
(ou seja,
elétrons no átomo neutro) e pede duas coisas:
- (a) qual é a configuração eletrônica correta do enxofre no estado fundamental;
- (b) explicar, usando a Regra de Hund, qual carga (ou estado iônico) é a mais estável para o átomo de enxofre isolado.
Informações relevantes dadas:
- número atômico
→ elétrons para distribuir; - deve aplicar a distribuição eletrônica em subníveis e a Regra de Hund para justificar a resposta.
Passo 2
Rápida revisão das regras que vou usar (cada ponto explicado de forma simples):
- Princípio de Aufbau (preenchimento): os elétrons ocupam primeiro os subníveis de menor energia. A ordem de energia útil aqui é
- Princípio de Pauli: cada orbital comporta no máximo
elétrons, e esses dois elétrons devem ter spins opostos (um “para cima” e outro “para baixo”). - Regra de Hund (explicação detalhada): quando existem vários orbitais degenerados (mesma energia), como os três orbitais
do mesmo nível, os elétrons ocupam primeiro cada orbital com um único elétron com spins paralelos (todos com o mesmo sentido, por exemplo ) antes de começar a emparelhar elétrons nesses orbitais. A ideia física é minimizar repulsões entre elétrons e maximizar o momento magnético total (maximizar o spin total), o que geralmente dá menor energia ao átomo.
Vou aplicar essas regras passo a passo para distribuir os
elétrons.
Passo 3
Distribuição dos
elétrons seguindo Aufbau e Pauli (contagem explícita):
- Preenchemos o subnível
com elétrons:
- Preenchemos
com elétrons:
- Preenchemos
; o subnível comporta até elétrons, então colocamos :
- Preenchemos
com elétrons:
- Os
elétrons restantes vão no , que comporta até . Assim:
Somando:
elétrons, ok.
Passo 4
Escrever a configuração final e a forma abreviada (notação com gás nobre):
- Configuração completa:
- Notação abreviada usando o gás nobre anterior (
):
Passo 5
Aplicando a Regra de Hund especificamente ao subnível
(a parte que interessa para o estado magnético e para entender como os elétrons estão distribuídos):
- O subnível
tem orbitais degenerados ( ), cada um pode ter até elétrons. - Pela Regra de Hund, colocamos primeiro um elétron com spin
em cada orbital: isso consome elétrons:
- O quarto elétron deve entrar em um desses orbitais já ocupados, emparelhando-se com um dos que já estavam lá (por causa do limite de
elétrons/orbital). Então a distribuição final do é, por exemplo,
- Consequência prática: há
elétrons desemparelhados (dois orbitais com um elétron cada) e um orbital com elétrons emparelhados. O spin total é a soma dos spins dos elétrons desemparelhados; cada elétron desemparelhado tem spin (se assumirmos todos para maximizar o spin), então
e a multiplicidade é
(estado triplo). Isso explica por que o enxofre neutro tem dois elétrons desemparelhados no orbital
.
Passo 6
Agora a parte (b): qual carga é mais estável para o átomo de enxofre isolado, explicada com argumentos ligados à configuração eletrônica e à Regra de Hund (passo a passo e de forma qualitativa):
- Objetivo químico geral: átomos tendem a adotar arranjos eletrônicos de menor energia. Dois caminhos comuns para se aproximarem de uma configuração eletrônica estável são:
- ganhar elétrons até completar a camada de valência (fechar o subnível
ou alcançar a configuração de gás nobre); - perder elétrons até remover a camada de valência, também obtendo uma configuração mais estável (muito usada em metais).
- ganhar elétrons até completar a camada de valência (fechar o subnível
- Para o enxofre neutro temos valência em
. Completar o subnível requer elétrons a mais para chegar a . Esse arranjo completo corresponde à configuração do argônio:
que é muito estável (configuração de gás nobre).
- Ganhar esses
elétrons transforma o átomo em . Esse íon tem subnível preenchido, não tem elétrons desemparelhados na camada de valência e atinge uma configuração de baixa energia e alta estabilidade eletrônica. - Perder elétrons para formar cátions exigiria remover elétrons de
e ; para atingir uma configuração fechada por perda seria necessário, por exemplo, perder elétrons para chegar a , o que implica energias de ionização extremamente elevadas (muito desfavorável). Portanto perder muitos elétrons não é competitivo energeticamente. - A Regra de Hund entra na explicação de por que o
tem dois elétrons desemparelhados e por que emparelhar dois elétrons adicionais (ao ganhar elétrons) leva a uma situação muito mais estável: ao preencher elimina-se a necessidade de ocupar orbitais degenerados com elétrons desemparelhados, reduzindo a energia total do sistema ao alcançar uma camada completa. - Conclusão qualitativa (química comum): a carga mais estável que o enxofre tende a assumir em compostos e como tendência eletrônica é
(isto é, o íon ), porque completar o subnível e atingir a configuração do gás nobre é energeticamente favorecido em comparação a formar cátions com muitas perdas de elétrons.
Passo 7
Observação prática e final (para não confundir):
- Em fase gasosa isolada, a formação de ânions muito carregados pode ser desfavorável termodinamicamente por causa de repulsões e da energia necessária para acomodar elétrons extras sem ambiente estabilizante; porém, em sólidos, solventes ou na formação de compostos iônicos, o íon
é muito comum e estável. Para a maioria das questões de química básica e de provas, a resposta esperada para “qual carga mais estável” é .
Resposta
(a)
(b) A carga mais estável é (íon
), pois ao ganhar dois elétrons o átomo atinge a configuração de gás nobre
, energeticamente muito favorável.
(b) A carga mais estável é