Qual é a exceção à regra de Pauling no caso do cobre ( \mathrm{Z}=29 )?

Passo 1

O que o enunciado pede: identificar qual é a exceção à “regra de Pauling” para o átomo de cobre, que tem número atômico Z=29.
Informações dadas (explícitas ou óbvias):
  • O elemento é o cobre, com Z=29 (ou seja, 29 elétrons no átomo neutro).
  • A pergunta é sobre uma exceção à regra de Pauling (ou seja, sobre a configuração eletrônica que foge da previsão simples).

Passo 2

O que é a “regra de Pauling” que será usada como referência aqui (explicação didática):
  • Na prática, quando se fala em “regra de Pauling” nesse contexto está-se referindo ao critério de preenchimento de orbitais conhecido como princípio de Aufbau / regra de Madelung, que diz para preencher os orbitais em ordem crescente do valor de n+\ell; em caso de empate, preenche-se primeiro o orbital com menor n.
  • Aqui explico com calma:
    • n é o número quântico principal (indica o nível: n=1,2,3,\dots).
    • \ell é o número quântico azimutal (para s, p, d, f temos \ell=0,1,2,3, respectivamente).
    • A regra de Madelung/Aufbau ordena orbitais pelo valor de n+\ell. Por exemplo:
      • Para 4s: n+\ell = 4+0 = 4.
      • Para 3d: n+\ell = 3+2 = 5.
    • Como 4s tem n+\ell=4 e 3d tem n+\ell=5, a regra prevê que 4s seja preenchido antes de 3d.

Passo 3

Aplicando a previsão à construção da configuração do cobre:
  • O cobre tem 29 elétrons. O gás nobre anterior é o argônio, com 18 elétrons, então o núcleo eletrônico “externo” tem 29-18=11 elétrons a distribuir entre os orbitais 4s e 3d (após preencher os orbitais até [{\rm Ar}]).
  • Pela regra de Madelung/Aufbau (a previsão “simples” frequentemente chamada de regra de Pauling), preencheríamos primeiro 4s com até 2 elétrons e depois completaríamos 3d. Assim a configuração prevista seria [\mathrm{Ar}]\,4s^2\,3d^9.

Passo 4

Qual é a exceção observada experimentalmente (resposta direta explicativa):
  • Na prática experimental (espectroscopia, química), o cobre neutro tem a configuração eletrônica [\mathrm{Ar}]\,4s^1\,3d^{10},ou seja, um elétron “vai” do orbital 4s para completar o subnível 3d, resultando em 3d^{10} cheio e 4s^1 em vez de 4s^2\,3d^9.
  • Essa diferença é justamente a exceção pedida: o átomo de cobre prefere a configuração com d‑completamente preenchido e apenas um elétron em 4s.

Passo 5

Por que isso acontece? Explicação didática e passo a passo (sem pular etapas):
  • Importante: a regra de Aufbau dá uma ordem útil, mas não é uma lei rígida — as energias relativas dos orbitais 4s e 3d são muito próximas e dependem de detalhes.
  • Fatores que tornam 4s^1\,3d^{10} mais estável que 4s^2\,3d^9:
    1. Estabilidade de subníveis completamente preenchidos: um subnível 3d^{10} completamente preenchido tem energia total menor (está especialmente estável) por causa de efeitos de correlação eletrônica e diminuição da energia de interação interna quando o subnível fica completo.
    2. Energia efetiva e atração nuclear: ao aumentar o número de prótons (cadeia dos metais de transição), os elétrons 3d sentem uma atração nuclear maior (menor blindagem relativa) e passam a ter energia mais baixa que 4s; então é energeticamente favorável mover um elétron de 4s para 3d.
    3. Troca e emparelhamento: o ganho de energia associado à troca eletrônica e à configuração com todos os orbitais d pareados pode superar o custo de emparelhamento ou de movimento do elétron.
  • Em resumo: a diferença de energia entre as configurações é pequena, e a configuração com 3d^{10} cheio é mais estável; por isso o cobre adota [{\rm Ar}]\,4s^1\,3d^{10}.

Passo 6

Consequências e verificação prática (como usar isso numa prova):
  • Um ponto prático que costuma cair em provas: ao formar íons, os elétrons 4s são removidos antes dos 3d, o que confirma que, no átomo e ainda mais em íons, o orbital 3d fica de fato com menor energia efetiva. Por exemplo:
    • Cu^{2+} tem configuração [\mathrm{Ar}]\,3d^9 (os elétrons 4s já foram removidos).
  • Outro exemplo de exceção do mesmo tipo é o cromo: previsão 4s^2\,3d^4, observado 4s^1\,3d^5 (meio‑cheio d^5 é mais estável). É útil lembrar pelo par clássico de exceções: Cr e Cu.
  • Para a prova: quando pedirem configuração eletrônica de metais de transição, verifique se há vantagem energética em completar ou meio-completar o subnível d; os casos mais comuns de exceção são Cr ( d^5) e Cu ( d^{10}).

Passo 7

Resumo final curto e direto para conferir rapidamente na prova:
  • Previsão pela regra (Aufbau/Madelung): [{\rm Ar}]\,4s^2\,3d^9.
  • Exceção observada (resposta): [{\rm Ar}]\,4s^1\,3d^{10}.

Resposta

[{\rm Ar}]\,4s^1\,3d^{10}

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