Escreva a configuração eletrônica do oxigênio mostrando os orbitais ‘em caixinhas’. Ilustre o que acontece quando um átomo de oxigênio ganha dois elétrons. Por que é extremamente difícil adicionar um terceiro elétron ao átomo? Por que no nitrogênio esse terceiro elétron pode ser adicionado facilmente com uma energia favorável?
Passo 1
O que o exercício pede (quais perguntas):
- Escrever a configuração eletrônica do oxigênio mostrando os orbitais “em caixinhas”.
- Ilustrar o que acontece quando um átomo de oxigênio ganha dois elétrons.
- Explicar por que é extremamente difícil adicionar um terceiro elétron ao átomo de oxigênio.
- Explicar por que, por outro lado, no nitrogênio esse terceiro elétron (isto é, alcançar a carga
) pode ser adicionado com energia favorável (por que N costuma formar enquanto O costuma formar ).
Informações relevantes (dados que vou usar):
- Número atômico do oxigênio:
. - Número atômico do nitrogênio:
. - Regras que vou usar (vou explicar depois): princípio de Aufbau, princípio de exclusão de Pauli, regra de Hund, capacidades das orbitais (cada orbital atômico suporta até dois elétrons com spins opostos; subníveis
têm três orbitais).
Passo 2
Breve revisão das regras necessárias (explicada com calma e sem pular etapas):
- Capacidade de orbitais:
- Um orbital atômico (por exemplo
, ) comporta no máximo dois elétrons; quando há dois, eles têm spins opostos (representamos por ). - Subnível
tem 1 orbital; subnível tem 3 orbitais ( ) e pode comportar até 6 elétrons.
- Um orbital atômico (por exemplo
- Princípio de Aufbau (ordem de preenchimento):
- Preenchemos orbitais de menor energia para maior energia:
→ → …
- Preenchemos orbitais de menor energia para maior energia:
- Princípio de exclusão de Pauli:
- Não pode haver dois elétrons com as mesmas quatro quânticas; na prática, cada orbital tem no máximo dois elétrons com spins opostos.
- Regra de Hund:
- Ao preencher orbitais degenerados (os três
), primeiro colocamos um elétron em cada orbital com spins paralelos ( ), só depois emparelhamos ( ). Isso minimiza repulsões e dá menor energia.
- Ao preencher orbitais degenerados (os três
- Energia e estabilidade:
- Um subnível cheio (por ex.
) é energeticamente muito estável (configuração do gás nobre). - Adicionar elétrons a um íon já negativo é mais difícil por repulsão entre cargas negativas; às vezes, energia extra (como energia reticular em sólidos) compensa isso.
- Um subnível cheio (por ex.
Passo 3
Configuração eletrônica do oxigênio (representação e explicação passo a passo):
- Primeiro conto os elétrons: oxigênio neutro tem
elétrons. - Preenchendo segundo Aufbau:
-
recebe elétrons → . -
recebe elétrons → . - Sobram
elétrons para → .
-
- Portanto a configuração eletrônica é:
- Agora o desenho “em caixinhas” (vou mostrar os orbitais
, e os três ). Cada caixinha representa um orbital; setas representam spins. -
: -
: -
(três caixinhas ): uma forma correta de distribuir seguindo Hund é:
Explicação do desenho: coloquei dois elétrons pareados em uma das caixinhas e os outros dois ocupando as outras duas caixinhas com spins paralelos — isso resulta em dois elétrons desemparelhados (spin não pareado) no átomo de oxigênio neutro, que é o observado experimentalmente. -
Passo 4
O que acontece quando o oxigênio ganha dois elétrons — passo a passo e ilustração:
- Quando um átomo de oxigênio captura dois elétrons a mais, a contagem passa de
para elétrons no total. - Preenchimento resultante:
. Ou seja, o subnível fica completo (cheio). - Desenho em caixinhas do
: -
-
-
- Em forma compacta:
-
- Por que isso é estável? Porque o subnível
cheio corresponde à configuração do gás nobre (neônio) — elétrons emparelhados em todos os orbitais significam menor energia eletrostática e grande estabilidade.
Passo 5
Por que é extremamente difícil adicionar um terceiro elétron ao oxigênio (ou seja, formar
) — explicação detalhada:
- Depois que
tem , todas as caixinhas estão cheias; não existe lugar no mesmo nível de energia ( ) para mais elétrons. - Onde iria o terceiro elétron? Para o próximo orbital disponível em energia, que é o orbital
(ou orbitais dependendo da energia), com número quântico principal maior . Esses orbitais estão significativamente mais altos em energia que os . - Além disso,
já tem carga negativa: qualquer elétron adicional sofre forte repulsão eletrostática das cargas negativas existentes. Essa repulsão aumenta a energia necessária para inserir um elétron extra. - Conclusão qualitativa: colocar um terceiro elétron exigiria energia para superar tanto a diferença de energia entre níveis (
→ ) quanto a forte repulsão em um íon já negativo — portanto o processo é energeticamente desfavorável (muito alto custo energético). Em resumo: sem uma fonte externa de energia que compense (como energia reticular enorme em um sólido, extremamente rara), não é estável. - Observação prática para provas: sempre que um subnível estiver já preenchido, o próximo elétron deve subir de nível (custa muito) e ainda enfrenta repulsão de uma carga negativa — ambos fatores tornam a adição muito difícil.
Passo 6
Configuração do nitrogênio e por que ele pode aceitar três elétrons para formar
— passo a passo:
- Nitrogênio neutro tem
elétrons. Preenchimento: -
deixam elétrons para → .
-
- Caixinhas do nitrogênio neutro:
(três elétrons desemparelhados, um em cada orbital , por Hund). - Se adicionarmos três elétrons a
, teremos — exatamente a configuração do neônio, um subnível completo. - Por que isso é energeticamente favorável?
- Atingimos a configuração de gás nobre (octeto), que é muito estável.
- Embora cada elétron adicional sofra alguma repulsão, o ganho global de estabilidade ao completar a camada de valência (energia de ligação / energia do sistema diminui) compensa essa repulsão.
- Em compostos iônicos (por exemplo em nitretos), a energia reticular do cristal (energia liberada quando íons se juntam em rede) costuma ser grande o suficiente para compensar qualquer custo local de adicionar elétrons, favorecendo
.
- Importante notar (sutileza experimental):
- Em fase gasosa, afinidades eletrônicas sucessivas podem não mostrar que todos os passos são exotérmicos — muitas etapas são desfavoráveis isoladamente. Na prática química (sólidos iônicos), o conjunto energia de ionização/afinidade + energia reticular e solvatacional define se o íon existe. Para provas de química geral é suficiente entender que completar o octeto traz grande estabilidade e que
aparece frequentemente em sólidos por causa da energia reticular.
- Em fase gasosa, afinidades eletrônicas sucessivas podem não mostrar que todos os passos são exotérmicos — muitas etapas são desfavoráveis isoladamente. Na prática química (sólidos iônicos), o conjunto energia de ionização/afinidade + energia reticular e solvatacional define se o íon existe. Para provas de química geral é suficiente entender que completar o octeto traz grande estabilidade e que
Passo 7
Comparação direta e regras práticas para responder em prova:
- Oxigênio:
- Neutro:
. - Ganha dois elétrons →
( ), muito estável. - Ganhar um terceiro elétron exigiria entrar no nível
e sofrer forte repulsão (muito desfavorável).
- Neutro:
- Nitrogênio:
- Neutro:
(meia-dúzia de orbitais com um elétron em cada). - Ganhar três elétrons completa o
e alcança configuração de gás nobre ( ), muito estável — por isso, em compostos iônicos, nitrogênio tende a formar enquanto oxigênio tende a formar .
- Neutro:
- Dica prática para prova: desenhe as caixinhas do subnível
, conte quantos elétrons faltam para chegar a . Para faltam ; para faltam . Isso explica de forma direta quais ânions são mais naturais.
Resposta
Quando o oxigênio ganha dois elétrons:
É extremamente difícil adicionar um terceiro elétron ao oxigênio porque todos os orbitais
No nitrogênio, adicionar três elétrons completa o subnível