Determine a distribuição eletrônica do ferro (
) no estado fundamental e seus cátions
. 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
(número atômico ) no estado fundamental e também dos seus cátions e . - Explicar como a perda de elétrons (ionização) altera a distribuição final.
Informações importantes fornecidas/implícitas:
- Número atômico do ferro:
(portanto 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:
(ou seja, na construção do átomo neutro, o é preenchido antes do .) - Regra de Hund: ao preencher orbitais degenerados (por exemplo os cinco orbitais
), 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:
comporta elétrons, comporta , comporta . - Ordem de ionização prática: embora o
seja preenchido antes do no átomo neutro, ao ionizar geralmente os elétrons são removidos primeiro do orbital . A razão física (resumo) é que, depois que os orbitais começam a ser ocupados, a energia efetiva do torna-se menor que a do — portanto, os elétrons do 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
(
) passo a passo:
- Primeiro preenchemos o núcleo eletrônico até o gás nobre anterior, argônio, que tem
elétrons. A configuração de core é: Isso corresponde a elétrons. - Restam
elétrons para colocar nas camadas externas. - Seguindo aufbau, o próximo subshell a receber elétrons é o
(capacidade ). Colocamos elétrons em : sobra . - Os
elétrons restantes vão para o subshell (capacidade ), ficando . - Portanto, a configuração eletrônica do ferro neutro no estado fundamental é:
Passo 4
Verificação por contagem de elétrons (para ficar bem seguro):
- Core
= elétrons. -
= elétrons. -
= elétrons. - Soma:
, que é o do ferro. Tudo confere.
Passo 5
Por que, na ionização, os elétrons do
saem primeiro mesmo tendo sido preenchidos antes do
?
- Intuição física simples e útil: quando os orbitais
começam a ser ocupados, a distribuição de carga e os efeitos de blindagem (shielding) fazem com que a energia efetiva dos elétrons passe a ser menor (mais estável) que a do . Assim, ao tirar elétrons (ionizar), os elétrons do orbital que ficou com energia mais elevada (o ) são removidos primeiro. - Outra forma de entender: o elétron de
“sente” menos atração efetiva do núcleo uma vez que há muitos elétrons 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
, depois os do .
Passo 6
Formação de
:
- Partimos de
. - Ao formar
removem-se elétrons. Seguindo a regra prática de ionização, removem-se primeiro os dois elétrons do . - Após remover
ficamos com: - Verificação de contagem:
(core) ( ) elétrons, que corresponde a carga (26 − 2 = 24). Portanto tem configuração .
Passo 7
Formação de
:
- Partimos de
(átomo neutro) e removemos elétrons no total. - Os primeiros
vêm do (como antes). O terceiro elétron removido vem então de um orbital (agora o mais energético restante). - Assim,
tem configuração: - Verificação:
elétrons, que corresponde a carga (26 − 3 = 23). Tudo coerente.
Passo 8
Consequências e observações sobre estabilidade e propriedades magnéticas (didático e útil para prova):
- O estado
(d^5) é especial porque é meio preenchido no conjunto dos cinco orbitais . Segundo a regra de Hund, isso dá máxima multiplicidade (todos os cinco orbitais 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
: configuração . Os dois elétrons são emparelhados; no haverá, seguindo Hund, 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 = . -
: → também elétrons desemparelhados. -
: → elétrons desemparelhados (tudo simples).
- Átomo neutro
- Momento magnético aproximado (fórmula “spin-only”):
, onde é o número de elétrons desemparelhados e é o magneton de Bohr. Exemplo rápido:
(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
, depois de . - 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.