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

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 \mathrm{Be} e \mathrm{B}.
c) Pede por que a energia de ionização do nitrogênio é maior do que a do oxigênio. Informação dada: comparar \mathrm{N} e \mathrm{O}.
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 \mathrm{Cl} e \mathrm{F}.
e) Pede por que a afinidade eletrônica do nitrogênio é menor que a do carbono. Informação dada: comparar \mathrm{N} e \mathrm{C}.
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:
Z_{\mathrm{eff}} = Z - S
onde \;Z\; é o número atômico (número de prótons) e S é a blindagem (screening) causada pelos outros elétrons. Explicação em linguagem simples: o núcleo atrai os elétrons com força proporcional a Z, mas os elétrons internos “bloqueiam” parte dessa atração para os elétrons externos; o que sobra é a carga efetiva \;Z_{\mathrm{eff}}\; sentida por um elétron externo. Quanto maior \;Z_{\mathrm{eff}}\;, 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 \mathrm{s}) blindam melhor do que elétrons menos penetrantes (por exemplo \mathrm{p}, \mathrm{d}, \mathrm{f}). Elétrons \mathrm{f} 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 \mathrm{4f} (elementos com \mathrm{Z} de 57 a 71 aproximadamente).
  • Os elétrons \mathrm{4f} 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 Z aumenta, mas a blindagem adicional pelos \mathrm{4f} é fraca. Resultado: a carga nuclear efetiva Z_{\mathrm{eff}} sentida pelos elétrons externos aumenta mais do que se esperaria só por aumento de prótons.
  • Esse aumento de Z_{\mathrm{eff}} 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 \mathrm{4f}) sofrem essa “puxada” adicional para dentro causada pelos \mathrm{4f} 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 Z, 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 \mathrm{4f}.

Passo 4

Conceito útil para (b) e (c): energia de ionização — definição e fatores que a influenciam.
Definição:
  • A primeira energia de ionização I_1 é a energia necessária para remover o elétron mais fracamente ligado de um átomo isolado no estado gasoso:
\mathrm{X}(g)\; \to\; \mathrm{X}^+(g) + e^-\qquad I_1>0
Fatores que aumentam I_1:
  • Maior carga nuclear efetiva Z_{\mathrm{eff}},
  • 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 I_1:
  • 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 \mathrm{s} têm maior penetração que \mathrm{p}, logo um elétron \mathrm{2s} em geral é mais fortemente ligado do que um elétron \mathrm{2p} 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):
\mathrm{Be}:\; 1s^2\,2s^2
\mathrm{B}:\; 1s^2\,2s^2\,2p^1
Raciocínio passo a passo e didático:
  1. Em \mathrm{Be} o elétron diferencial (o “mais externo”) está em \mathrm{2s}. Em \mathrm{B} o elétron diferencial está em \mathrm{2p}.
  2. O orbital \mathrm{2s} penetra mais próximo do núcleo que o \mathrm{2p}. Isso significa que o elétron \mathrm{2s} sente uma Z_{\mathrm{eff}} maior do que um \mathrm{2p} com o mesmo Z.
  3. Portanto, remover um elétron de \mathrm{Be} (tirar um \mathrm{2s}) exige mais energia do que remover o elétron de \mathrm{B} (tirar o \mathrm{2p}).
  4. Conclusão: I_1(\mathrm{B}) < I_1(\mathrm{Be}). 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 ( \mathrm{p} comparado a \mathrm{s} 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 \mathrm{2p}), os elétrons preferem ocupar orbitais separados com spins paralelos antes de se emparelhar.
  • Meia-ocupação ( \mathrm{p}^3, por exemplo) tem estabilidade extra porque não há pares de elétrons no mesmo orbital \Rightarrow 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 \mathrm{p}^3 (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:
\mathrm{N}:\; 1s^2\,2s^2\,2p^3
\mathrm{O}:\; 1s^2\,2s^2\,2p^4
Raciocínio didático:
  1. \mathrm{N} tem configuração \mathrm{2p}^3 — isto é meia-ocupação dos três orbitais \mathrm{2p} (um elétron em cada orbital). Essa configuração é relativamente estável por evitar emparelhamento e pela regra de Hund.
  2. \mathrm{O} tem \mathrm{2p}^4 — aqui já há um par de elétrons em um dos orbitais \mathrm{2p}, o que causa repulsão extra dentro daquele orbital (energia de emparelhamento).
  3. Ao remover um elétron de \mathrm{O}, muitas vezes você remove um elétron emparelhado, beneficiando-se da redução da repulsão — isso facilita a ionização em comparação com \mathrm{N}, onde todos os \mathrm{2p} são singly-ocupados.
  4. Resultado: I_1(\mathrm{N}) > I_1(\mathrm{O}). Em linguagem simples: tirar um elétron de \mathrm{O} alivia a repulsão entre elétrons pareados, portanto é mais fácil (menor energia) que tirar um elétron de \mathrm{N}, que é meio cheio e estável.
Dica prática: quando vir a sequência \mathrm{B},\mathrm{Be} ou \mathrm{O},\mathrm{N} 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 ( EA) é a variação de entalpia associada à adição de um elétron a um átomo gasoso:
\mathrm{X}(g) + e^- \;\to\; \mathrm{X}^-(g)
Grau de exotermicidade: valores mais negativos significam que mais energia é liberada — o átomo gosta mais de ganhar o elétron.
Fatores que influenciam EA:
  • Maior Z_{\mathrm{eff}} 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. \mathrm{F}), 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 EA (por exemplo, \mathrm{N} é pouco receptivo devido à \mathrm{2p}^3 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:
  1. Ambos \mathrm{F} e \mathrm{Cl} querem ganhar um elétron para atingir configuração de gás nobre ( \mathrm{F}:\;2p^5 \to 2p^6, \mathrm{Cl}:\;3p^5 \to 3p^6).
  2. Intuição simples: \mathrm{F} tem maior Z_{\mathrm{eff}} relativo ao seu tamanho do que \mathrm{Cl}, então poderíamos esperar EA(\mathrm{F}) mais negativa. Porém, existe um efeito que complica: \mathrm{F} é muito pequeno.
  3. Em \mathrm{F} o elétron extra é adicionado a uma nuvem \mathrm{2p} 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.
  4. Em \mathrm{Cl}, o orbital \mathrm{3p} 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.
  5. Conclusão: EA(\mathrm{Cl}) é mais negativo (mais exotérmico) que EA(\mathrm{F}) — ou seja, \mathrm{Cl} tem maior afinidade eletrônica que \mathrm{F} por causa da combinação entre tamanho do orbital e repulsões internas.
Comentário útil para prova: é comum ver nos dados que \mathrm{Cl} possui afinidade eletrônica mais negativa que \mathrm{F} 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:
\mathrm{C}:\; 1s^2\,2s^2\,2p^2
\mathrm{N}:\; 1s^2\,2s^2\,2p^3
Raciocínio didático:
  1. \mathrm{C} tem \mathrm{2p}^2. Ao receber um elétron ele atinge a configuração \mathrm{2p}^3, que é meia-ocupação dos três orbitais \mathrm{2p} e tem estabilidade extra (regra de Hund).
  2. Portanto, adicionar um elétron a \mathrm{C} traz ganho de estabilidade por formar a configuração meia-ocupada \mathrm{2p}^3; o processo libera energia relativamente mais alta (afinidade mais negativa).
  3. \mathrm{N} já tem a configuração \mathrm{2p}^3 — ela é relativamente estável. Adicionar um elétron significaria emparelhar um elétron em um orbital \mathrm{2p}, causando repulsão e custo associado. Assim, a energia liberada ao adicionar o elétron a \mathrm{N} é muito pequena (ou até ligeiramente endotérmica em alguns dados).
  4. Conclusão: EA(\mathrm{N}) < EA(\mathrm{C}) (no sentido de ser menos negativa; \mathrm{N} reage menos favoravelmente a ganhar um elétron que \mathrm{C}) por causa da estabilidade da meia-ocupação em \mathrm{N}.
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, EA tende a ser mais negativa; se fica menos estável (tem que emparelhar), EA tende a ser menos negativa.

Resposta

a) Porque, ao preencher os \mathrm{4f} 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 \mathrm{Be} o elétron removido é um \mathrm{2s} (mais penetrante e mais ligado) enquanto em \mathrm{B} é um \mathrm{2p} (menos penetrante, energeticamente mais alto); logo I_1(\mathrm{B})<I_1(\mathrm{Be}).
c) Porque \mathrm{N} tem \mathrm{2p}^3 (meia-ocupação, estabilidade extra) e \mathrm{O} tem \mathrm{2p}^4 (par de elétrons com repulsão); remover um elétron de \mathrm{O} alivia repulsão, portanto é mais fácil; assim I_1(\mathrm{N})>I_1(\mathrm{O}).
d) Porque \mathrm{F} é muito pequeno: o elétron adicionado sofre forte repulsão em um orbital \mathrm{2p} compacto, reduzindo a energia liberada; em \mathrm{Cl} o \mathrm{3p} maior admite o elétron com menos repulsão e mais estabilização, logo EA(\mathrm{Cl}) é mais negativo (maior afinidade) que EA(\mathrm{F}).
e) Porque \mathrm{N} já tem \mathrm{2p}^3 (meia-ocupação estável), então adicionar um elétron exige emparelhamento e sofre repulsão; \mathrm{C} ( \mathrm{2p}^2) ao ganhar um elétron atinge a estável \mathrm{2p}^3, liberando mais energia — portanto EA(\mathrm{N})<EA(\mathrm{C}).

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