Descreva a distribuição e ocupação dos orbitais nos átomos polieletrônicos segundo o diagrama de Aufbau, citando as exceções relevantes.
Passo 1
Você pediu uma descrição de como os elétrons se distribuem e ocupam os orbitais em átomos polieletrônicos segundo o diagrama de Aufbau e que eu cite as exceções relevantes.
Informações dadas (implícitas no pedido): queremos (1) as regras gerais que orientam a ocupação de orbitais, (2) a ordem usual de preenchimento (diagrama de Aufbau / regra ) e (3) as exceções experimentais mais importantes (especialmente em metais de transição). Não há nenhum dado numérico específico fornecido sobre um átomo particular — a resposta deve ser geral e com exemplos.
Informações dadas (implícitas no pedido): queremos (1) as regras gerais que orientam a ocupação de orbitais, (2) a ordem usual de preenchimento (diagrama de Aufbau / regra
Passo 2
Apresentando as regras básicas que controlam a ocupação eletrônica (cada uma explicada devagar e com exemplos):
- Princípio de exclusão de Pauli. Ele diz que um orbital atômico pode conter no máximo dois elétrons, e quando tem dois eles devem ter spins opostos.
- Em notação: cada orbital é identificado (por exemplo) por
e cada orbital aceita até dois elétrons com spins e . - Exemplo concreto: o orbital
fechado é (dois elétrons de spins opostos).
- Em notação: cada orbital é identificado (por exemplo) por
- Regra de Hund (máxima multiplicidade). Ao ocupar orbitais degenerados (mesma energia, por exemplo os três orbitais
), preencha primeiro com elétrons desemparelhados e com spins paralelos antes de começar a emparelhar. - Isso minimiza repulsão eletrostática e maximiza a energia de troca (estabilização).
- Exemplo: para
(como no nitrogênio), distribui-se um elétron em cada um dos três orbitais com spins paralelos: .
- Regra de Aufbau / regra de Madelung. Os orbitais enchem na ordem de energia crescente dada aproximadamente pelo valor de
, onde é o número quântico principal e o número quântico azimutal ( para , para , para , para ). Se dois orbitais tiverem o mesmo , preenche primeiro o de menor . - Como aplicar: calcule
para cada orbital e ordene por valor crescente; em empate, menor primeiro. - Exemplo: para
temos então ; para temos então . Logo costuma preencher antes de .
- Como aplicar: calcule
Passo 3
A ordem prática de preenchimento (diagrama de Aufbau usual, escrita na sequência de energia crescente) — vou listar os orbitais comumente usados até a sétima camada:
- Observação pedagógica: essa lista vem da aplicação da regra
e do desempate por menor . Na prática, para átomos leves essa ordem funciona bem; para átomos mais pesados há efeitos adicionais (relativísticos, interação entre elétrons) que alteram levemente as energias. - Exemplo de preenchimento passo a passo: para o oxigênio (
) aplicamos a ordem: (2 e-) → (mais 2 e-) → restam elétrons que vão em . Aplicando Hund, se escreve como dois orbitais com elétrons emparelhados e um orbital com elétron único: configuração final .
Passo 4
Como usar isso na prova (passo a passo prático):
- Determine o número atômico
(número de elétrons num átomo neutro). Escreva os orbitais na ordem do item anterior. - Vá “colocando” elétrons, lembrando Pauli (máx. 2 por orbital) e Hund (preencha orbitais degenerados com elétrons desemparelhados antes de emparelhar).
- Se chegar a um metal de transição ou um elemento pesado, fique atento: a ordem prediz o estado inicial, mas configurações observadas podem diferir (veja passo sobre exceções).
- Exemplo: ferro neutro
pela sequência padrão: . Aqui uso o gás nobre para abreviar os primeiros 18 elétrons; o restante preenche conforme a ordem indicada.
Passo 5
Exceções importantes — quais são e porquê (explicação didática e exemplos):
- Padrão de exceção: meio-subshell (
) e subshell cheio ( ) tendem a ser especialmente estáveis. Por isso, às vezes um elétron do orbital “migre” para completar ou meio-completar o subnível . A razão física simples: ganho de energia de troca (estabilização por spins paralelos) e menor energia total quando o fica meio cheio ou cheio; também a diferença de energia entre e é pequena. - Exemplos clássicos (configuração esperada pelo Aufbau → configuração experimental observada):
- Cromo (
): esperado → observado . - Cobre (
): esperado → observado . - Molibdênio (
): observado (análogo ao Cr). - Prata (
): observado (análogo ao Cu). - Ouro (
): observado tipicamente . Aqui também entram efeitos relativísticos que estabilizam orbitais . - Paládio (
): esperado → observado (subnível completamente preenchido e vazio). - Outros casos na região dos metais de transição: nióbio (
), rutênio ( ), ródio ( ), platina ( ) têm variações que dependem de pequena diferença de energia entre e ; por exemplo costuma apresentar em vez de .
- Cromo (
- Por que essas exceções ocorrem (explicação simples):
- Energia muito parelha entre
e em metais de transição faz com que transferência de elétrons entre eles cause ganho de energia por emparelhamento/ troca no . - Em elementos pesados, efeitos relativísticos (contração de orbitais
, expansão/estabilização de ) mudam as energias relativas. - Conclusão prática: o Aufbau dá uma excelente primeira aproximação; as configurações observadas são determinadas experimentalmente por espectroscopia e podem mostrar essas exceções.
- Energia muito parelha entre
Passo 6
Comportamento ao ionizar (dica muito útil em provas):
- Ao formar cátions, os elétrons
são geralmente removidos antes dos elétrons , mesmo se na configuração do átomo neutro aparece preenchido. - Exemplo: para
neutro escrevemos . Para a configuração eletrônica é (os dois elétrons são removidos primeiro).
- Exemplo: para
- Raciocínio prático: em íons, a energia do subnível
costuma ficar mais baixa que a do subnível correspondente, portanto sai antes.
Passo 7
Resumo prático para a prova — checklist rápido (o que decorar e o que calcular):
- Decore/tenha em mente: Princípio de Pauli, Regra de Hund e regra
(Madelung). Use a sequência do Passo 3 para montar configurações. - Decore as exceções mais clássicas:
, , , , , , e tenha em mente que elementos de transição frequentemente apresentam variações. - Lembre: ao representar configurações de íons, remova elétrons
antes dos . - Se a questão pedir justificação física (nível superior): mencione estabilização por troca, pequena diferença energetica
vs , e efeitos relativísticos para elementos pesados.
Resposta
Princípios:
Princípio de Pauli (máx. 2 elétrons por orbital, spins opostos)
;\
Regra de Hund (preencher orbitais degenerados com elétrons desemparelhados e spins paralelos antes de emparelhar)
;\
Regra de Aufbau / Madelung (ordenar orbitais por
; em empate, menor
primeiro)
.\nOrdem prática (usada para encher elétrons):
.\nExceções importantes (observadas experimentalmente):
;\
;\
;\
;\
;\
; (além de variações em
etc.).\nCausa das exceções: pequena diferença energética entre
e
, ganho de energia por troca ao obter subníveis
meio-cheios ou cheios, e efeitos relativísticos em elementos pesados.\nIons: ao ionizar, os elétrons
são geralmente removidos antes dos
(ex.:
).