1. Os elementos de transição apresentam características particulares devido ao preenchimento incompleto de orbitais do tipo d. Essas características resultam em propriedades como múltiplos estados de oxidação, formação de complexos e comportamento magnético. A análise da distribuição eletrônica desses elementos exige atenção especial, pois pequenas variações energéticas entre orbitais podem influenciar sua configuração eletrônica.
Considere o elemento ferro ( \mathbf{Z = 2 6} ), amplamente utilizado em aplicações industriais e biológicas.
a) Determine a distribuição eletrônica completa no estado fundamental.
b) Identifique o subnível mais energético e o número de elétrons desemparelhados.
c) Forneça um conjunto possível de números quânticos para o último subnível d.
06. A formação das ligações químicas está diretamente relacionada à busca dos átomos por maior estabilidade eletrônica. Em geral, os átomos tendem a adquirir configurações semelhantes às dos gases nobres, o que pode ocorrer por meio da perda, ganho ou compartilhamento de elétrons. Esse comportamento está associado a propriedades como energia de ionização, afinidade eletrônica e eletronegatividade, que variam periodicamente na Tabela Periódica.

Passo 1

Vamos entender exatamente o que o enunciado pede e quais dados temos:
  • Dado: elemento ferro com Z=26 (ou seja, tem 26 elétrons no átomo neutro).
  • Perguntas:
    a) Determinar a distribuição eletrônica completa no estado fundamental.
    b) Identificar o subnível mais energético (entre os ocupados) e o número de elétrons desemparelhados.
    c) Fornecer um conjunto possível de números quânticos para o último elétron do subnível d.

Passo 2

Conceitos e regras que vamos usar (explicação didática):
  • Cada elétron em um átomo é descrito por quatro números quânticos: n (principal), l (azimutal), m_l (magnético) e m_s (spin). Vou explicar cada um quando pedir o item (c).
  • Capacidade dos subníveis: \text{\(s\)}\Rightarrow 2\ \text{elétrons},\qquad \text{\(p\)}\Rightarrow 6\ \text{elétrons},\qquad \text{\(d\)}\Rightarrow 10\ \text{elétrons},\qquad \text{\(f\)}\Rightarrow 14\ \text{elétrons}.éééé
  • Princípio de Aufbau (preenchimento): orbitais são preenchidos na ordem crescente de energia aproximada: 1s,\,2s,\,2p,\,3s,\,3p,\,4s,\,3d,\,4p,\ldotsObservação importante: para muitos elementos de transição o orbital 4s é preenchido antes do 3d, embora, depois do preenchimento e em processos de ionização, o 3d frequentemente fique energeticamente mais alto. Essa é uma sutileza que vou mencionar no Passo 4.
  • Princípio de Pauli: cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
  • Regra de Hund: ao preencher orbitais degenerados (mesma energia, como os cinco orbitais d), coloca-se primeiro um elétron em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar.

Passo 3

Montagem da distribuição eletrônica do ferro ( Z=26) passo a passo:
  1. Preencher em ordem até obter 26 elétrons.
  2. Começando: 1s^2 \quad(\text{2 elétrons, total acumulado }2)é
2s^2 \quad(\text{+2, total }4)
2p^6 \quad(\text{+6, total }10)
3s^2 \quad(\text{+2, total }12)
3p^6 \quad(\text{+6, total }18)
Até aqui temos 18 elétrons, que é exatamente a configuração do gás nobre argônio. Por isso costuma-se usar a notação abreviada [Ar] para esses 18 elétrons.
3. Continuando após [Ar]:
4s^2 \quad(\text{+2, total }20)
Restam 26-20=6 elétrons a distribuir.
4. Próximo subnível: 3d. Colocamos os 6 elétrons restantes em 3d:
3d^6 \quad(\text{+6, total }26)
  1. Assim a configuração completa (expandida) é 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6e a forma abreviada é [Ar]\,4s^2\,3d^6.
Comentário rápido e amigo: às vezes as pessoas se confundem com a ordem 4s vs 3d; para o preenchimento seguimos o esquema onde 4s entra antes de 3d, por isso aparece 4s^2 na configuração do ferro neutro.

Passo 4

Qual é o subnível mais energético ocupado e quantos elétrons desemparelhados?
  • Sobre “mais energético”: embora o 4s seja preenchido antes do 3d, quando ambos estão ocupados em átomos de transição o subnível 3d geralmente tem energia efetiva ligeiramente maior (ou seja, é o subnível de maior energia entre os ocupados). Em linguagem simples: o elétron do 4s “fica mais exterior” ao preencher, mas o 3d fica mais energético quando consideramos o átomo com elétrons já ocupando esses níveis. Portanto, o subnível mais energético (entre os ocupados) que vamos apontar é \,3d\,.
  • Número de elétrons desemparelhados:
    • O subnível 3d tem cinco orbitais possíveis, com m_l=-2,-1,0,1,2.
    • Para 3d^6, pela regra de Hund coloca-se primeiro um elétron em cada um dos cinco orbitais (com spins paralelos), totalizando 5 elétrons desemparelhados, e o 6.º elétron entra emparelhando um desses orbitais, resultando em 4 elétrons desemparelhados no total no conjunto 3d.
    • Os elétrons do 4s^2 estão emparelhados, então não contribuem para desemparelhados.
    • Conclusão: número de elétrons desemparelhados em Fe (átomo neutro) é 4.

Passo 5

Explicando os números quânticos e dando um conjunto possível para o “último elétron do subnível d”:
  • Significado dos números quânticos:
    • n (número quântico principal): indica o nível de energia principal e a distância média do elétron ao núcleo. Para os elétrons d do ferro aqui, n=3.
    • l (número quântico azimutal): determina o tipo de orbital: l=0 para s, l=1 para p, l=2 para d. Então para um elétron d temos l=2.
    • m_l (número quântico magnético): pode assumir valores inteiros de -l até +l. Para l=2, m_l\in\{-2,-1,0,1,2\}. Ele identifica qual das cinco “orientações” do orbital d.
    • m_s (spin): pode ser \pm\frac{1}{2}, indicando spin “para cima” \left(+\tfrac{1}{2}\right) ou “para baixo” \left(-\tfrac{1}{2}\right).
  • Uma escolha possível para o último elétron (por exemplo o 6.º de 3d, que emparelha um orbital previamente ocupado) é: n=3,\quad l=2,\quad m_l=1,\quad m_s=-\tfrac{1}{2}.Explicação curta: escolhi m_l=1 como exemplo de um dos cinco orbitais d; o m_s=-\tfrac{1}{2} indica que esse elétron está com spin oposto ao que já estava naquele orbital (ou seja, é o segundo elétron emparelhando aquele orbital). Outros conjuntos com m_l em \{-2,-1,0,1,2\} e m_s=\pm\tfrac{1}{2} também seriam válidos, contanto que respeitem o princípio de Pauli (não repetir um conjunto já ocupado).

Passo 6

Resumo curto e motivacional: ficou muita coisa, eu sei — mas a chave é decorar a sequência de preenchimento, lembrar Hund/Pauli, e usar a notação [Ar] para não escrever uma lista gigante. Fez sentido? Você consegue praticar esse procedimento para outros elementos também — e eu te incentivo, porque com alguns exemplos você pega o jeito rapidinho!

Resposta

a) 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6 (abreviado: [Ar]\,4s^2\,3d^6)
b) Subnível mais energético ocupado: 3d. Número de elétrons desemparelhados: 4.
c) Um conjunto possível: n=3,\;l=2,\;m_l=1,\;m_s=-\tfrac{1}{2}.

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