A contração lantanídica explica por que os elementos do
período, como
72), têm raios atômicos semelhantes aos elementos do
período, como
. Explique esse fenômeno com base na estrutura eletrônica dos elementos da série dos lantanídeos.
16 - Compare os seguintes tipos de raios e explique por que suas magnitudes diferem:
a) Raio iônico de
e de
b) Raio covalente do
c) Raio metálico do Na
Organize os íons e átomos em ordem crescente de tamanho e justifique com base na carga nuclear efetiva e número de elétrons.
a) Raio iônico de
b) Raio covalente do
c) Raio metálico do Na
Passo 1
O enunciado pede duas coisas claras:
- Explicar por que existe a contração lantanídica e como ela faz com que elementos do
período (por exemplo , ) tenham raios atômicos semelhantes a elementos do período (por exemplo , ). O enunciado pede que a explicação se baseie na estrutura eletrônica da série dos lantanídeos. - Comparar tipos de raios e ordenar certos íons/átomos por tamanho. Especificamente:
a) comparar os raios iônicos dee ;
b) explicar o raio covalente de;
c) explicar o raio metálico do Na;
por fim, organizar os íons/átomos dados em ordem crescente de tamanho e justificar usando carga nuclear efetiva e número de elétrons.
Informações relevantes dadas ou implícitas: os elementos e íons mencionados têm configurações eletrônicas típicas (por ex. lantanídeos com elétrons
), e devemos usar conceitos de blindagem (shielding), carga nuclear efetiva
e o vínculo entre número de elétrons e atração nuclear para justificar os tamanhos relativos.
Passo 2
Entendendo a estrutura eletrônica da série dos lantanídeos (a base para a contração): primeiro dados essenciais sobre como os elétrons se preenchem.
- Os elementos da família dos lantanídeos preenchem majoritariamente orbitais
depois de . A ordem de preenchimento relevante é, grosso modo, , depois e (algumas exceções sutis, mas não importantes aqui). - Um exemplo útil em forma de configuração:
(Z = 72) tem uma configuração que inclui um conjunto completo ou quase completo de elétrons por trás dos elétrons exteriores: (forma prática para raciocínio). Já (Z = 40) é .
Explicação didática: pense nos elétronscomo uma “cortina” que não bloqueia bem a atração do núcleo para elétrons mais externos — eles são muito localizados e pouco eficientes em fazer shielding.
Passo 3
Definindo carga nuclear efetiva
e shielding de forma simples e prática:
- Fórmula conceitual:
onde é a carga nuclear (número de prótons) e é a constante de blindagem (soma do efeito de todos os elétrons internos que “bloqueiam” a atração). - Interpretação: quanto maior
, mais fortemente os elétrons externos são puxados para o núcleo → menor raio atômico. - Importante: diferentes orbitais blindam com eficiências diferentes. Elétrons em orbital
e blindam bastante; elétrons blindam menos; elétrons blindam ainda menos. Resultado prático: ao acrescentar elétrons ao atravessar a série dos lantanídeos, não aumenta tanto quanto aumentaria se estivéssemos preenchendo orbitais ou . Assim aumenta com o número atômico mais do que se fossem orbitais bem blindantes.
Passo 4
Como isso gera a contração lantanídica (o mecanismo passo a passo):
- Ao ir do La (Z = 57) a Lu (Z = 71) preenche-se progressivamente os
. Cada próton adicional aumenta em 1. - Os elétrons
adicionados não blindam bem (pequeno incremento em ). Portanto, sentido pelos elétrons externos (por exemplo e ) aumenta ao longo da série. - Maior
=> maior atração dos elétrons externos em direção ao núcleo => orbitais externas encolhem (menor raio). Esse encolhimento que ocorre ao atravessar os lantanídeos é chamado de contração lantanídica. - Consequência prática: quando chegamos ao elemento do
período pós-lantanídeos como (que tem um núcleo muito mais carregado que , mas tem por trás a camada já preenchida), os elétrons externos de são puxados com força parecida aos elétrons externos de . Resultado: raios atômicos de e ficam muito próximos. Em outras palavras, a presença dos (que não blindam bem) impede o aumento de raio que normalmente viria por ter um nível quântico mais externo; isso “compensa” o acréscimo de camada e produz raios semelhantes.
Passo 5
Ilustração comparativa (intuitiva) entre
e
:
-
: núcleo , elétrons externos em e . -
: núcleo , elétrons externos em e , mas com 14 elétrons mais internos.
Mesmo tendo mais camadas,tem pouco blindantes — por isso o aumento de (de 40 para 72) se traduz em aumento efetivo grande de sobre os elétrons externos, puxando-os para dentro. Conclusão: tamanho similar. Isso é a essência da contração lantanídica — não é mágica, é blindagem ineficiente dos .
Passo 6
Agora mudando para a segunda parte: tipos de raios e definições básicas (para não nos perdermos):
- Raio iônico: distância média do núcleo até a “nuvem” eletrônica em um íon. Depende fortemente da carga do íon. Mais carga positiva → elétrons mais fortemente atraídos → raio menor. Mais carga negativa → elétrons adicionais aumentam repulsão entre elétrons → raio maior.
- Raio covalente: metade do comprimento da ligação entre dois átomos iguais ligados covalentemente (por ex. em
, o raio covalente de Cl é metade da distância ). - Raio metálico: em metais, define-se como metade da distância entre núcleos de átomos adjacentes na rede metálica; o vínculo metálico (elétrons deslocalizados) leva geralmente a raios grandes comparados ao raio covalente do mesmo elemento.
Passo 7
Comparação direta entre
e
(parte a):
- Conte os elétrons:
tem elétrons; tem elétrons. Ou seja, ambos têm a mesma configuração eletrônica (a configuração do gás nobre ). - Diferença essencial: núcleos diferentes:
tem ; tem . Pela fórmula conceitual , com o mesmo conjunto eletrônico será parecido para os dois (mesma distribuição eletrônica interna), logo tem maior que . - Conclusão:
puxa seus elétrons mais fortemente para o núcleo e, portanto, tem raio iônico muito menor que . Resumo prático: íons isoeletônicos (mesmos elétrons) com maior são menores.
Passo 8
Explicando o raio covalente de
(parte b) e comparação com íons:
- Em
cada átomo de Cl é neutro ( , 17 elétrons) e forma uma ligação simples com outro Cl. O raio covalente é aproximadamente metade da distância . Esse raio reflete um equilíbrio entre a atração nuclear pelos elétrons de valência e a repulsão entre elétrons. - Como comparação qualitativa: um átomo neutro de Cl tem mais elétrons (17) do que um íon
(10 elétrons) ou (10 elétrons). Entretanto, seu núcleo também tem muito mais prótons, de modo que a atração efetiva mantém o átomo Cl relativamente compacto. Assim o raio covalente de Cl neutro costuma ser menor que o raio iônico de um ânion grande como , mas maior que raios de cátions pequenos como .
Passo 9
Explicando o raio metálico do Na (parte c) e por que é geralmente grande:
- O sódio neutro (
, ) tem apenas um elétron de valência . Na rede metálica os elétrons de valência ficam deslocalizados formando um “mar” eletrônico; isso permite aos núcleos (íons positivos) ficarem relativamente distantes mantendo coesão. - O efeito prático: o raio metálico de
é grande quando comparado a raios covalentes de elementos mais eletronegativos ou a raios de cátions com alto . Assim neutro terá um raio maior que o átomo de Cl neutro e que muitos cátions pequenos.
Passo 10
Organizando e justificando a ordem crescente de tamanhos (resumo e raciocínio final): examinamos os quatro espécies pedidas —
,
(raio covalente, no
),
, e
(raio metálico). Argumentos principais para a ordem:
-
é o menor porque, embora tenha 10 elétrons como , seu núcleo tem puxando fortemente os elétrons (alta ). -
neutro tem mais elétrons (17) e um núcleo forte ( ), mas a distribuição neutra e a formação covalente resultam em raio intermediário; o átomo neutro de Cl é tipicamente menor que o ânion (que ganhou elétrons e inflou a nuvem eletrônica). -
é maior porque ganhou dois elétrons provocando maiores repulsões eletrônicas internas e, com , não consegue puxar tão fortemente os 10 elétrons quanto . -
metálico é o maior na lista por ter um elétron de valência delocalizado e estrutura metálica que acomoda maiores distâncias internúcleos.
Portanto a ordem crescente (do menor para o maior) é:
.
Passo 11
Dicas rápidas para a prova (como raciocinar em 1 minuto):
- Para íons isoeletônicos: compare
— maior → menor raio. - Para comparar neutros vs íons: cátions menores que o átomo neutro correspondente; ânions maiores que o átomo neutro.
- Use mentalmente
: elementos que adicionam elétrons em orbitais pouco blindantes (ex.: ) aumentam e reduzem raios (isso é a contração lantanídica). - Quando em dúvida entre raio covalente e metálico do mesmo elemento, lembre que o raio metálico costuma ser maior que o covalente.
Resposta
Contração lantanídica: o preenchimento progressivo dos orbitais
ao atravessar a série dos lantanídeos aumenta
sem aumentar muito a blindagem
(os elétrons
blindam mal), logo
aumenta e os orbitais externos encolhem — por isso elementos do
período após os lantanídeos (ex.:
) têm raios similares aos homólogos do
período (ex.:
).
Ordem crescente de tamanho: .
Ordem crescente de tamanho: