Determine a distribuição eletrônica do ferro ( { }_{26} \mathrm{Fe} ) no estado fundamental e seus cátions \mathrm{Fe}^{2+} \mathrm{e} \mathrm{Fe}^{3+}. Explique como a perda de elétrons afeta a distribuição final.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas claras:
  • Determinar a distribuição eletrônica (configuração eletrônica) do ferro neutro \mathrm{Fe} (número atômico Z=26) no estado fundamental e também dos seus cátions \mathrm{Fe}^{2+} e \mathrm{Fe}^{3+}.
  • Explicar como a perda de elétrons (ionização) altera a distribuição final.
Informações importantes fornecidas/implícitas:
  • Número atômico do ferro: Z=26 (portanto 26 elétrons no átomo neutro).
  • Precisamos dar as configurações no estado fundamental (menor energia) e explicar a ordem de remoção de elétrons ao formar os cátions.

Passo 2

Regras e conceitos que vou usar (explicados com calma):
  • Princípio de Aufbau (preenchimento): os elétrons ocupam orbitais de menor energia primeiro. A ordem prática de preenchimento relevante aqui é aproximadamente: 1s \to 2s \to 2p \to 3s \to 3p \to 4s \to 3d \to 4p \cdots(ou seja, na construção do átomo neutro, o 4s é preenchido antes do 3d.)
  • Regra de Hund: ao preencher orbitais degenerados (por exemplo os cinco orbitais 3d), os elétrons preferem ocupar orbitais separados com spins paralelos antes de começar a emparelhar. Isso maximiza o número de elétrons desemparelhados.
  • Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
  • Capacidade de cada subshell: s comporta 2 elétrons, p comporta 6, d comporta 10.
  • Ordem de ionização prática: embora o 4s seja preenchido antes do 3d no átomo neutro, ao ionizar geralmente os elétrons são removidos primeiro do orbital 4s. A razão física (resumo) é que, depois que os orbitais 3d começam a ser ocupados, a energia efetiva do 3d torna-se menor que a do 4s — portanto, os elétrons do 4s ficam mais fracamente ligados e são removidos primeiro.
Vou usar essas regras passo a passo para montar as configurações e explicar a remoção.

Passo 3

Montagem da configuração do átomo neutro \mathrm{Fe} ( Z=26) passo a passo:
  • Primeiro preenchemos o núcleo eletrônico até o gás nobre anterior, argônio, que tem 18 elétrons. A configuração de core é: [\mathrm{Ar}] = 1s^{2}\,2s^{2}\,2p^{6}\,3s^{2}\,3p^{6}.Isso corresponde a 18 elétrons.
  • Restam 26-18=8 elétrons para colocar nas camadas externas.
  • Seguindo aufbau, o próximo subshell a receber elétrons é o 4s (capacidade 2). Colocamos 2 elétrons em 4s: sobra 8-2=6.
  • Os 6 elétrons restantes vão para o subshell 3d (capacidade 10), ficando 3d^{6}.
  • Portanto, a configuração eletrônica do ferro neutro no estado fundamental é: [\mathrm{Ar}]\,4s^{2}\,3d^{6}.

Passo 4

Verificação por contagem de elétrons (para ficar bem seguro):
  • Core [\mathrm{Ar}] = 18 elétrons.
  • 4s^{2} = 2 elétrons.
  • 3d^{6} = 6 elétrons.
  • Soma: 18+2+6=26, que é o Z do ferro. Tudo confere.

Passo 5

Por que, na ionização, os elétrons do 4s saem primeiro mesmo tendo sido preenchidos antes do 3d?
  • Intuição física simples e útil: quando os orbitais 3d começam a ser ocupados, a distribuição de carga e os efeitos de blindagem (shielding) fazem com que a energia efetiva dos elétrons 3d passe a ser menor (mais estável) que a do 4s. Assim, ao tirar elétrons (ionizar), os elétrons do orbital que ficou com energia mais elevada (o 4s) são removidos primeiro.
  • Outra forma de entender: o elétron de 4s “sente” menos atração efetiva do núcleo uma vez que há muitos elétrons 3d ao redor; portanto é o mais fácil de arrancar.
  • Conclusão prática para problemas/exames: preenche-se seguindo aufbau (4s antes de 3d), mas ao formar cátions, remova primeiro os elétrons do 4s, depois os do 3d.

Passo 6

Formação de \mathrm{Fe}^{2+}:
  • Partimos de [\mathrm{Ar}]\,4s^{2}\,3d^{6}.
  • Ao formar \mathrm{Fe}^{2+} removem-se 2 elétrons. Seguindo a regra prática de ionização, removem-se primeiro os dois elétrons do 4s.
  • Após remover 4s^{2} ficamos com: [\mathrm{Ar}]\,3d^{6}.
  • Verificação de contagem: 18 (core) + 6 ( 3d) =24 elétrons, que corresponde a carga +2 (26 − 2 = 24). Portanto \mathrm{Fe}^{2+} tem configuração [\mathrm{Ar}]\,3d^{6}.

Passo 7

Formação de \mathrm{Fe}^{3+}:
  • Partimos de [\mathrm{Ar}]\,4s^{2}\,3d^{6} (átomo neutro) e removemos 3 elétrons no total.
  • Os primeiros 2 vêm do 4s (como antes). O terceiro elétron removido vem então de um orbital 3d (agora o mais energético restante).
  • Assim, \mathrm{Fe}^{3+} tem configuração: [\mathrm{Ar}]\,3d^{5}.
  • Verificação: 18+5=23 elétrons, que corresponde a carga +3 (26 − 3 = 23). Tudo coerente.

Passo 8

Consequências e observações sobre estabilidade e propriedades magnéticas (didático e útil para prova):
  • O estado [\mathrm{Ar}]\,3d^{5} (d^5) é especial porque é meio preenchido no conjunto dos cinco orbitais d. Segundo a regra de Hund, isso dá máxima multiplicidade (todos os cinco orbitais d com um elétron cada) — esse arranjo é relativamente estável energeticamente.
  • Números de elétrons desemparelhados (úteis para prever ímãs e momento magnético, aproximando por “spin-only”):
    • Átomo neutro \mathrm{Fe}: configuração [ \mathrm{Ar}]\,4s^{2}\,3d^{6}. Os dois elétrons 4s são emparelhados; no 3d^{6} haverá, seguindo Hund, 4 elétrons desemparelhados (preenchimento: cinco orbitais recebem 5 elétrons com spins paralelos, o 6.º emparelha um deles → sobra 4 desemparelhados). Então total de elétrons desemparelhados = 4.
    • \mathrm{Fe}^{2+}: [\mathrm{Ar}]\,3d^{6} → também 4 elétrons desemparelhados.
    • \mathrm{Fe}^{3+}: [\mathrm{Ar}]\,3d^{5} 5 elétrons desemparelhados (tudo simples).
  • Momento magnético aproximado (fórmula “spin-only”): \mu_{\text{spin}}=\sqrt{n(n+2)}\\ \mu_{B}, onde n é o número de elétrons desemparelhados e \mu_{B} é o magneton de Bohr. Exemplo rápido: \text{para }n=4:\\ \mu\approx\sqrt{4(4+2)}=\sqrt{24}\approx4{,}90\\ \mu_{B};
\text{para }n=5:\\ \mu\approx\sqrt{5(5+2)}=\sqrt{35}\approx5{,}92\\ \mu_{B}.
(Esses valores são aproximações “spin-only”; em compostos reais o campo do ligante pode emparelhar elétrons e alterar esses números.)

Passo 9

Dica prática para a prova (memorização e aplicação rápida):
  • Ao montar configuração de átomos neutros siga aufbau: lembre-se que 4s se preenche antes de 3d.
  • Ao formar cátions, sempre remova primeiro de 4s, depois de 3d.
  • Lembre-se que d^5 é “especialmente estável” e que isso explica por que Fe^{3+} (d^5) é comum e tem muitos elétrons desemparelhados.

Resposta

[\mathrm{Ar}]\,4s^{2}\,3d^{6}
\mathrm{Fe}^{2+}:\\ [\mathrm{Ar}]\,3d^{6}
\mathrm{Fe}^{3+}:\\ [\mathrm{Ar}]\,3d^{5}

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