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

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 1s: dois elétrons, emparelhados (setas em sentidos opostos).
  • Na orbital 2s: dois elétrons, emparelhados (setas em sentidos opostos).
  • Na subcamada 2p: três orbitais 2p 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 1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p (entre outras), então antes de colocar elétrons em 2p devemos preencher 1s e 2s.
  • 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 \uparrow e outra para baixo \downarrow no mesmo quadrado.
  • Regra de Hund (multiplicidade máxima): ao preencher orbitais degenerados (como os três 2p), 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 2p, a configuração com um elétron em cada orbital e todos com spin paralelo ( \uparrow\\ \uparrow\\ \uparrow) é a mais estável segundo Hund.
  • Colocar dois elétrons no mesmo orbital 2p (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 Z=7, logo 7 elétrons para distribuir.
  • Preenchimento esperado seguindo Aufbau e Pauli: 1s^2\,2s^2\,2p^3.
Isto significa: 1s com dois elétrons emparelhados, 2s com dois elétrons emparelhados e 2p com três elétrons. Pela regra de Hund, esses três elétrons em 2p ficam em orbitais separados com spins paralelos: exatamente a distribuição mostrada na imagem ( \uparrow\\ \uparrow\\ \uparrow nos três 2p).

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 2p estão desemparelhados, em orbitais diferentes, com spins paralelos), que é justamente o arranjo de menor energia para 2p^3.
  • Por isso essa configuração minimiza a energia interna (não há emparelhamento extra em 2p 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 2s para 2p resultando em \,2s^1 2p^4 (ou emparelhar dois elétrons em um orbital 2p deixando outro 2p vazio). Esses arranjos violam a regra de Hund ou aumentam energia por emparelhamento e, portanto, são excitados.

Resposta

Estado fundamental

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