Determine se cada uma das seguintes configurações eletrônicas de quadrículas representam o estado fundamental (estado de menor energia) ou um estado excitado (estado mais energia) do respectivo átomo. Justifique suas respostas.
b) N
b) N
Passo 1
O enunciado pede para decidir se a configuração eletrônica mostrada corresponde ao estado fundamental (menor energia) ou a um estado excitado do átomo de nitrogênio. Eu peguei os dados da imagem enviada e eles são:
- Na orbital
: dois elétrons, emparelhados (setas em sentidos opostos). - Na orbital
: dois elétrons, emparelhados (setas em sentidos opostos). - Na subcamada
: três orbitais com um elétron cada, todos com spins paralelos (todas as setas para o mesmo sentido).
As perguntas são:
- Essa configuração é o estado fundamental do nitrogênio ou é um estado excitado?
- Justificar a resposta.
Passo 2
Regras fundamentais que vamos usar (explicadas de forma bem clara):
- Princípio de Aufbau (ordem de preenchimento): os elétrons ocupam os orbitais de menor energia primeiro. Para os níveis mais baixos isso dá a ordem
(entre outras), então antes de colocar elétrons em devemos preencher e . - Princípio de exclusão de Pauli: um mesmo orbital só pode conter no máximo dois elétrons e, se tiver dois, eles devem ter spins opostos. Em desenho de quadrículas isso aparece como uma seta para cima
e outra para baixo no mesmo quadrado. - Regra de Hund (multiplicidade máxima): ao preencher orbitais degenerados (como os três
), os elétrons ocupam orbitais diferentes com spins paralelos antes de começarem a parear em algum desses orbitais. Isso minimiza a energia do átomo por efeito de troca (menor repulsão efetiva entre elétrons e ganho de energia de troca).
Exemplos curtos para fixar:
- Se eu tenho três elétrons para distribuir nos três orbitais
, a configuração com um elétron em cada orbital e todos com spin paralelo ( ) é a mais estável segundo Hund. - Colocar dois elétrons no mesmo orbital
(pareando) enquanto outro orbital fica vazio seria energeticamente menos favorável para o caso de três elétrons.
Passo 3
Aplicando as regras ao nitrogênio:
- O nitrogênio tem número atômico
, logo elétrons para distribuir. - Preenchimento esperado seguindo Aufbau e Pauli:
Isto significa:
com dois elétrons emparelhados,
com dois elétrons emparelhados e
com três elétrons. Pela regra de Hund, esses três elétrons em
ficam em orbitais separados com spins paralelos: exatamente a distribuição mostrada na imagem (
nos três
).
Passo 4
Verificação de coerência e argumentos energéticos:
- A configuração mostrada respeita Pauli (cada orbital tem no máximo dois elétrons e os emparelhamentos exibidos têm spins opostos).
- Respeita a ordem de preenchimento (1s e 2s preenchidos antes de 2p).
- Respeita a regra de Hund (os três elétrons
estão desemparelhados, em orbitais diferentes, com spins paralelos), que é justamente o arranjo de menor energia para . - Por isso essa configuração minimiza a energia interna (não há emparelhamento extra em
que custaria energia de emparelhamento), então é o estado fundamental.
Observação adicional útil para prova: um estado excitado típico seria, por exemplo, promover um elétron de
para
resultando em
(ou emparelhar dois elétrons em um orbital
deixando outro
vazio). Esses arranjos violam a regra de Hund ou aumentam energia por emparelhamento e, portanto, são excitados.
Resposta
Estado fundamental