Qual elemento em cada um dos seguintes conjuntos possui a menor energia de ionização? Por que?
Potássio, cálcio e gálio

Passo 1

O que o problema pede: identificar qual dos elementos Potássio, Cálcio e Gálio possui a menor energia de ionização e explicar por quê.
Informações relevantes dadas (e que eu uso para resolver):
  • Elementos: \mathrm{K} (potássio), \mathrm{Ca} (cálcio) e \mathrm{Ga} (gálio).
  • Números atômicos (importantes para a explicação): \mathrm{K}: Z=19, \mathrm{Ca}: Z=20, \mathrm{Ga}: Z=31.
  • Configurações eletrônicas (vou usá-las explicitamente):
    • \mathrm{K}: [\mathrm{Ar}]\,4s^1
    • \mathrm{Ca}: [\mathrm{Ar}]\,4s^2
    • \mathrm{Ga}: [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^24p^1

Passo 2

O que é energia de ionização e quais fatores a influenciam (aula rápida e prática).
  • Definição: a energia de ionização é a energia mínima necessária para remover um elétron de um átomo isolado no estado gasoso, geralmente o primeiro elétron removido chama-se primeira energia de ionização.
  • Fatores que controlam a primeira energia de ionização:
    1. Carga nuclear efetiva (Z_{\text{eff}}): elétrons mais fortemente atraídos por um núcleo com maior Z_{\text{eff}} exigem mais energia para serem removidos. Uma aproximação útil é Z_{\text{eff}} \approx Z - S,onde Z é o número atômico e S é a blindagem dos elétrons internos.
    2. Distância média do elétron ao núcleo (raio atômico): quanto mais distante o elétron de valência, menos energia é necessária para removê-lo.
    3. Blindagem e repulsões eletrônicas: elétrons internos (e pobres de penetração) diminuem Z_{\text{eff}}; pares de elétrons em um mesmo orbital têm repulsão que pode facilitar saída de um elétron.
  • Tendências periódicas úteis (lembrete prático que se aplica sem precisar de tabela):
    • Em um mesmo período (mesma camada principal), a energia de ionização tende a aumentar da esquerda para a direita (porque Z aumenta e S não aumenta tanto).
    • Em um mesmo grupo (descendo), a energia de ionização tende a diminuir (camadas adicionais aumentam a distância e a blindagem).

Passo 3

Aplicando as tendências aos três elementos: observações imediatas.
  • Todos os três elementos estão no mesmo período (período 4). Portanto, a tendência geral é que, à medida que se anda da esquerda para a direita nesse período, a energia de ionização aumenta.
  • Entre elementos do mesmo período, aquele mais à esquerda tende a ter o elétron de valência mais fracamente ligado (maior raio efetivo, menor Z_{\text{eff}} percebido pelo elétron de valência).

Passo 4

Olha as configurações para ver qual elétron é removido — isso explica a força de ligação.
  • \mathrm{K}: [\mathrm{Ar}]\,4s^1. O elétron removido é o único elétron 4s: está relativamente afastado do núcleo e é pouco ligado.
  • \mathrm{Ca}: [\mathrm{Ar}]\,4s^2. Tem dois elétrons 4s; ao remover um elétron de \mathrm{Ca} o átomo ainda mantém uma configuração mais estável que \mathrm{K} tinha menos protegida, e o núcleo de \mathrm{Ca} tem prótons a mais ( Z maior), aumentando Z_{\text{eff}} sobre os elétrons de valência.
  • \mathrm{Ga}: [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^24p^1. O elétron removido geralmente é o 4p (o elétron de valência mais externo). Em geral, ao mover da esquerda para a direita, o aumento de Z torna os elétrons mais difíceis de tirar — portanto elementos mais à direita tendem a ter maior energia de ionização que os da esquerda no mesmo período.

Passo 5

Concretizando a comparação entre os três:
  • Comparando \mathrm{K} com \mathrm{Ca}: \mathrm{Ca} tem mais prótons ( Z=20 vs Z=19) e elétrons de valência mais fortemente atraídos; logo é mais difícil tirar um elétron de \mathrm{Ca} do que de \mathrm{K}. Além disso, o elétron de \mathrm{K} é o único 4s, mais afastado e fracamente ligado — isso tende a reduzir muito a energia de ionização de \mathrm{K}.
  • Comparando \mathrm{K} com \mathrm{Ga}: \mathrm{Ga} está muito mais à direita ( Z=31 ) e sua valência é um elétron 4p; a carga nuclear efetiva sentida por esse elétron é bem maior do que a sentida pelo elétron solitário 4s do \mathrm{K}. Assim, remover o elétron de \mathrm{Ga} exige bem mais energia que remover o de \mathrm{K}.
  • Portanto, pela tendência do período e pela análise das configurações, o elétron de valência do \mathrm{K} é o mais fracamente ligado dos três.

Passo 6

Verificação numérica rápida (opcional, só para confirmar a intuição — valores experimentais da primeira energia de ionização, em \mathrm{kJ/mol}):
  • \mathrm{IE}_1(\mathrm{K}) \approx 419\\ \mathrm{kJ/mol}
  • \mathrm{IE}_1(\mathrm{Ca}) \approx 590\\ \mathrm{kJ/mol}
  • \mathrm{IE}_1(\mathrm{Ga}) \approx 579\\ \mathrm{kJ/mol}
Esses números confirmam a dedução: \mathrm{K} tem a menor energia de ionização entre os três. (Não precisa decorar esses valores na prova se souber usar as tendências e as configurações — isso resolve a questão rapidamente.)

Passo 7

Resumo didático curto (para você decorar a técnica):
  • Regra rápida: no mesmo período, o elemento mais à esquerda costuma ter a menor energia de ionização.
  • Veja a configuração: elétron solitário em 4s (como em \mathrm{K}) é sempre um sinal claro de baixa energia de ionização.
  • Se tiver dúvida entre dois próximos, compare Z e o orbital do elétron a ser removido (maior Z_{\text{eff}} e orbitais mais internos → maior energia de ionização).

Resposta

Potássio

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