Explique detalhadamente o que se pede em cada uma das seguintes assertivas:
a) O fato do raio atômico dos elementos da segunda e da terceira série de transição serem muito parecidos.
Teórica - fundamentar a sua resposta em termos da contração lantanídica.
b) A menor energia de ionização do boro em relação ao berílio.
Teórica
c) A maior energia de ionização do nitrogênio em relação ao oxigênio. Teórica
d) A menor entalpia de ganho de elétrons (mais negativa - ou maior afinidade eletrônica) do cloro em relação ao flúor.
Teórica
e) A menor afinidade eletrônica do nitrogênio em relação ao carbono.
Teórica
a) O fato do raio atômico dos elementos da segunda e da terceira série de transição serem muito parecidos.
b) A menor energia de ionização do boro em relação ao berílio.
c) A maior energia de ionização do nitrogênio em relação ao oxigênio. Teórica
d) A menor entalpia de ganho de elétrons (mais negativa - ou maior afinidade eletrônica) do cloro em relação ao flúor.
e) A menor afinidade eletrônica do nitrogênio em relação ao carbono.
Passo 1
Vou deixar bem explícito o que o exercício pede e quais são as informações que precisamos trabalhar. São cinco questões (a–e). Cada uma pede uma explicação teórica de um fenômeno periódico, portanto precisamos identificar o enunciado de cada item e as informações relevantes:
a) Pede explicação para o fato de os raios atômicos dos elementos da segunda e da terceira série de transição serem muito parecidos. Informação dada: relacionar isso à contração lantanídica.
b) Pede por que a energia de ionização do boro é menor do que a do berílio. Informação dada: comparar
e
.
c) Pede por que a energia de ionização do nitrogênio é maior do que a do oxigênio. Informação dada: comparar
e
.
d) Pede por que a entalpia de ganho de elétron (afinidade eletrônica, mais negativa = maior afinidade) do cloro é menor (isto é, mais negativa, ou seja, libera mais energia) que a do flúor. Informação dada: comparar
e
.
e) Pede por que a afinidade eletrônica do nitrogênio é menor que a do carbono. Informação dada: comparar
e
.
Nada mais foi fornecido — a tarefa é explicar cada caso teoricamente, com fundamento em conceitos de eletronegatividade/afinidade, energias de ionização, configuração eletrônica, blindagem e contração lantanídica. Não começo a resolver ainda; só listei o que é pedido.
Passo 2
Conceito útil comum: carga nuclear efetiva e blindagem. Antes de explicar cada caso, precisamos entender a ideia de carga nuclear efetiva, que aparece em todas as razões pedidas.
Definição e fórmula simples:
onde
é o número atômico (número de prótons) e
é a blindagem (screening) causada pelos outros elétrons. Explicação em linguagem simples: o núcleo atrai os elétrons com força proporcional a
, mas os elétrons internos “bloqueiam” parte dessa atração para os elétrons externos; o que sobra é a carga efetiva
sentida por um elétron externo. Quanto maior
, mais fortemente o elétron é ligado (menor raio, maior energia de ionização, maior afinidade, com nuances).
Comentário sobre blindagem por subníveis: elétrons em orbitais mais penetrantes (por exemplo
) blindam melhor do que elétrons menos penetrantes (por exemplo
,
,
). Elétrons
blindam muito mal outros elétrons devido à forma e distribuição espacial => isso é crucial para a contração lantanídica (vou explicar em detalhe no item (a)).
Passo 3
Conceito útil para (a): contração lantanídica — o que é e por que ocorre.
Explicação didática:
- A série dos lantanídeos corresponde ao preenchimento dos orbitais
(elementos com de 57 a 71 aproximadamente). - Os elétrons
têm distribuição espacial que não penetra muito perto do núcleo nem blindam bem elétrons mais externos. - Ao adicionar prótons progressivamente através da série dos lantanídeos o número
aumenta, mas a blindagem adicional pelos é fraca. Resultado: a carga nuclear efetiva sentida pelos elétrons externos aumenta mais do que se esperaria só por aumento de prótons. - Esse aumento de
contrai os níveis eletrônicos externos (os orbitais ficam um pouco menores): isto é a contração lantanídica.
Consequência prática relevante aqui: - Os elementos da terceira série de transição (a série 5d, que vem depois dos
) sofrem essa “puxada” adicional para dentro causada pelos já preenchidos. Assim, os 5d ficam contraídos. - Como resultado, os raios atômicos dos metais da segunda série de transição (4d) e da terceira (5d) ficam muito parecidos — embora os 5d tenham maior
, a contração reduz o tamanho, aproximando-o do 4d.
Observação adicional (útil em prova): também existem efeitos relativísticos que tornam os elétrons mais internos em elementos pesados mais ligados (contribuem para a contração dos orbitais 5d), mas o efeito principal citado pelo enunciado é a contração lantanídica por causa do fraco poder de blindagem dos
.
Passo 4
Conceito útil para (b) e (c): energia de ionização — definição e fatores que a influenciam.
Definição:
- A primeira energia de ionização
é a energia necessária para remover o elétron mais fracamente ligado de um átomo isolado no estado gasoso:
Fatores que aumentam
:
- Maior carga nuclear efetiva
, - Menor distância média do elétron ao núcleo (elétron em orbital mais interno ou mais penetrante),
- Menor repulsão entre elétrons (menor energia de emparelhamento a vencer).
Fatores que diminuem: - Elétron removido estando em orbital de maior energia (menos ligado), maior blindagem por elétrons internos, emparelhamento que torna remoção mais fácil por repulsão eletrônica.
Importante: subníveis
têm maior penetração que
, logo um elétron
em geral é mais fortemente ligado do que um elétron
no mesmo nível principal.
Passo 5
Aplicando para (b): por que a energia de ionização do boro é menor que a do berílio.
Configurações eletrônicas (usar em prova sempre que for comparar):
Raciocínio passo a passo e didático:
- Em
o elétron diferencial (o “mais externo”) está em . Em o elétron diferencial está em . - O orbital
penetra mais próximo do núcleo que o . Isso significa que o elétron sente uma maior do que um com o mesmo . - Portanto, remover um elétron de
(tirar um ) exige mais energia do que remover o elétron de (tirar o ). - Conclusão:
. Em palavras amigáveis: o elétron extra do boro está em um nível mais “solto” (2p) que é menos ligado ao núcleo do que o elétron mais externo do berílio (2s).
Dica prática para prova: sempre olhe a configuração; se o elétron removido está em subnível de menor penetração (
comparado a
do mesmo nível), a energia de ionização tende a ser menor.
Passo 6
Conceito útil para (c) e (e): estabilidade de meia-ocupação, regra de Hund e energia de emparelhamento.
Explicação:
- Regra de Hund: ao ocupar orbitais de mesma energia (orbitais degenerados, por ex. os três
), os elétrons preferem ocupar orbitais separados com spins paralelos antes de se emparelhar. - Meia-ocupação (
, por exemplo) tem estabilidade extra porque não há pares de elétrons no mesmo orbital menor repulsão dentro do orbital. - Emparelhar um elétron numa órbita já ocupada custa energia (energia de emparelhamento) devido à repulsão entre elétrons de mesmo orbital.
- Quando você remove um elétron de um átomo com configuração
(metade cheia), você perde essa estabilidade e, por isso, a energia de ionização tende a ser relativamente alta.
Passo 7
Aplicando para (c): por que a energia de ionização do nitrogênio é maior que a do oxigênio.
Configurações:
Raciocínio didático:
-
tem configuração — isto é meia-ocupação dos três orbitais (um elétron em cada orbital). Essa configuração é relativamente estável por evitar emparelhamento e pela regra de Hund. -
tem — aqui já há um par de elétrons em um dos orbitais , o que causa repulsão extra dentro daquele orbital (energia de emparelhamento). - Ao remover um elétron de
, muitas vezes você remove um elétron emparelhado, beneficiando-se da redução da repulsão — isso facilita a ionização em comparação com , onde todos os são singly-ocupados. - Resultado:
. Em linguagem simples: tirar um elétron de alivia a repulsão entre elétrons pareados, portanto é mais fácil (menor energia) que tirar um elétron de , que é meio cheio e estável.
Dica prática: quando vir a sequência
ou
com ordens aparentemente invertidas, pense em subníveis e emparelhamento — isso resolve muitos “exceções” aparentes na tabela periódica.
Passo 8
Conceito útil para (d) e (e): afinidade eletrônica (enthalpia de ganho de elétron) — definição e fatores.
Definição:
- Afinidade eletrônica (
) é a variação de entalpia associada à adição de um elétron a um átomo gasoso:
Grau de exotermicidade: valores mais negativos significam que mais energia é liberada — o átomo gosta mais de ganhar o elétron.
Fatores que influenciam
:
- Maior
tende a aumentar a afinidade (mais atração sobre o elétron entrante). - Menor raio médio tende a aumentar a afinidade (elétron chega mais perto do núcleo).
- Porém, existe contraefeito importante: se o átomo é muito pequeno (por ex.
), o elétron adicionado entra num orbital compacto já ocupado por elétrons com forte repulsão local — essa repulsão reduz a energia liberada. Assim, para elementos muito pequenos a afinidade pode ser menos negativa que o esperado. - Configurações estáveis (meia-ocupação, casamentos) também afetam
(por exemplo, é pouco receptivo devido à estável).
Passo 9
Aplicando para (d): por que o cloro tem afinidade eletrônica mais negativa (ganho de elétron mais exotérmico) do que o flúor.
Raciocínio didático:
- Ambos
e querem ganhar um elétron para atingir configuração de gás nobre ( , ). - Intuição simples:
tem maior relativo ao seu tamanho do que , então poderíamos esperar mais negativa. Porém, existe um efeito que complica: é muito pequeno. - Em
o elétron extra é adicionado a uma nuvem muito compacta, onde já existem dois elétrons por orbital e a repulsão elétron–elétron é relativamente alta. Isso reduz a energia liberada ao adicionar o elétron. - Em
, o orbital é maior e menos compacto; o elétron extra sofre menos repulsão ao entrar e é bem estabilizado pela carga nuclear (já maior), resultando em maior liberação de energia. - Conclusão:
é mais negativo (mais exotérmico) que — ou seja, tem maior afinidade eletrônica que por causa da combinação entre tamanho do orbital e repulsões internas.
Comentário útil para prova: é comum ver nos dados que
possui afinidade eletrônica mais negativa que
por exatamente essa razão de repulsão em orbital muito pequeno.
Passo 10
Aplicando para (e): por que o nitrogênio tem afinidade eletrônica menor que o carbono.
Configurações:
Raciocínio didático:
-
tem . Ao receber um elétron ele atinge a configuração , que é meia-ocupação dos três orbitais e tem estabilidade extra (regra de Hund). - Portanto, adicionar um elétron a
traz ganho de estabilidade por formar a configuração meia-ocupada ; o processo libera energia relativamente mais alta (afinidade mais negativa). -
já tem a configuração — ela é relativamente estável. Adicionar um elétron significaria emparelhar um elétron em um orbital , causando repulsão e custo associado. Assim, a energia liberada ao adicionar o elétron a é muito pequena (ou até ligeiramente endotérmica em alguns dados). - Conclusão:
(no sentido de ser menos negativa; reage menos favoravelmente a ganhar um elétron que ) por causa da estabilidade da meia-ocupação em .
Dica de memorização: elementos que se aproximam de configuração estável (meia-ocupação ou gás nobre) mostram saltos na afinidade; pense sempre em “o que acontece com a configuração ao ganhar o elétron” — se fica mais estável,
tende a ser mais negativa; se fica menos estável (tem que emparelhar),
tende a ser menos negativa.
Resposta
a) Porque, ao preencher os
nos lantanídeos, esses elétrons blindam mal os elétrons externos; isso aumenta a carga nuclear efetiva sobre os elétrons das séries seguintes (contração lantanídica), contraindo os orbitais 5d e fazendo os raios da 2ª (4d) e 3ª (5d) séries de transição ficarem muito parecidos.
b) Porque em o elétron removido é um
(mais penetrante e mais ligado) enquanto em
é um
(menos penetrante, energeticamente mais alto); logo
.
c) Porque tem
(meia-ocupação, estabilidade extra) e
tem
(par de elétrons com repulsão); remover um elétron de
alivia repulsão, portanto é mais fácil; assim
.
d) Porque é muito pequeno: o elétron adicionado sofre forte repulsão em um orbital
compacto, reduzindo a energia liberada; em
o
maior admite o elétron com menos repulsão e mais estabilização, logo
é mais negativo (maior afinidade) que
.
e) Porque já tem
(meia-ocupação estável), então adicionar um elétron exige emparelhamento e sofre repulsão;
(
) ao ganhar um elétron atinge a estável
, liberando mais energia — portanto
.
b) Porque em
c) Porque
d) Porque
e) Porque