Explique suas respostas:
2A. 6 Dê a configuração esperada para o estado fundamental de cada um dos seguintes íons: (a) \mathrm{Zr}^{4+}; (b) \mathrm{Os}^{3+}; (c) \mathrm{Cs}^{+}; (d) \mathrm{P}^{3-}.

Passo 1

O que o enunciado pede e o que está dado:
  • Pedem a configuração eletrônica do estado fundamental (configuração eletrônica de menor energia) para quatro íons:
    • (a) \mathrm{Zr}^{4+}
    • (b) \mathrm{Os}^{3+}
    • (c) \mathrm{Cs}^{+}
    • (d) \mathrm{P}^{3-}
  • Informação implícita que precisamos obter: o número atômico de cada elemento (número de elétrons no átomo neutro) e, a partir daí, quantos elétrons o íon tem (remover elétrons para cátions, adicionar para ânions).

Passo 2

Relembrando as regras e princípios que vou usar (aula rapidinha e prática):
  • Aufbau (ordem de preenchimento): os elétrons ocupam orbitais em ordem crescente de energia. Uma maneira prática de lembrar a sequência é: 1s,\;2s,\;2p,\;3s,\;3p,\;4s,\;3d,\;4p,\;5s,\;4d,\;5p,\;6s,\;4f,\;5d,\;6p,\;\dots(essa lista é suficiente para os elementos que temos aqui).
  • Princípio de Pauli: cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
  • Regra de Hund: dentro de um subnível degenerado (como p, d, f), elétrons ocupam orbitalmente com spins paralelos antes de parear.
  • Notação abreviada (nobre-gás): escreve-se a configuração começando pelo gás nobre de menor energia com mesmo número de elétrons internos, por exemplo [Ne], [Ar], [Kr], [Xe], etc.
  • Ordem de remoção de elétrons em cátions (regra prática para metais de transição e além): ao formar cátions, retiram-se primeiro os elétrons com maior número quântico principal n. Normalmente isso significa que os elétrons s de valência (com maior n) saem antes dos d. Ex.: para um átomo com 5s e 4d, ao formar cátion perde-se 5s antes de 4d.
  • Para ânions, simplesmente adicionam-se elétrons ao próximo orbital disponível seguindo a ordem de preenchimento acima até completar o anion desejado.

Passo 3

(a) \mathrm{Zr}^{4+}
  • Encontre o número atômico: zircônio tem Z=40 (logo o átomo neutro tem 40 elétrons).
  • Configuração do átomo neutro (usando a ordem dada): \mathrm{Zr} é [Kr]\;5s^{2}\;4d^{2}.Aqui eu usei a notação com [Kr] (gás nobre com 36 elétrons) mais os elétrons fora do núcleo.
  • O íon \mathrm{Zr}^{4+} tem 40-4=36 elétrons. Para formar 4+ removem-se 4 elétrons. Pela regra de remoção, tiram-se primeiro os 5s (dois elétrons) e depois os 4d (os dois seguintes).
  • Portanto o número final de elétrons é 36, que coincide com o número de elétrons do gás nobre criptônio. Em termos de configuração isso corresponde ao núcleo eletrônico já cheio do criptônio.

Passo 4

(b) \mathrm{Os}^{3+}
  • Número atômico: ósmio tem Z=76.
  • Configuração do átomo neutro (configuração padrão): \mathrm{Os}:\\ [Xe]\;4f^{14}\;5d^{6}\;6s^{2}.Aqui [Xe] representa os 54 elétrons internos.
  • O íon \mathrm{Os}^{3+} tem 76-3=73 elétrons; é formado removendo 3 elétrons do átomo neutro. Pela regra de remoção: os dois elétrons 6s^{2} saem primeiro e o terceiro elétron sai de 5d.
  • Após remover 6s^{2} e um elétron de 5d, restam os elétrons correspondentes a [Xe]\;4f^{14}\;5d^{5}.
  • Observação didática: para elementos pesados há efeitos relativísticos que podem alterar levemente energias relativas, mas a regra prática de remover s antes de d ao formar cátions se mantém para muitos casos de química inorgânica e é a que usamos em provas.

Passo 5

(c) \mathrm{Cs}^{+}
  • Número atômico: césio tem Z=55.
  • Configuração do átomo neutro: \mathrm{Cs}:\\ [Xe]\;6s^{1}.
  • O íon \mathrm{Cs}^{+} tem 55-1=54 elétrons. Remove-se o elétron 6s^{1} (o elétron de valência).
  • Os elétrons remanescentes somam 54, que é exatamente o número de elétrons do gás nobre xenônio ( [Xe]). Assim o cátion fica com a configuração do xenônio.

Passo 6

(d) \mathrm{P}^{3-}
  • Número atômico: fósforo tem Z=15.
  • Configuração do átomo neutro: \mathrm{P}:\\ [Ne]\;3s^{2}\;3p^{3}.(Aqui [Ne] corresponde aos 10 elétrons internos.)
  • O íon \mathrm{P}^{3-} tem 15+3=18 elétrons (ganham-se 3 elétrons). Os elétrons adicionados entram no subnível 3p, completando-o: 3p^{3} 3p^{6}.
  • Assim o total de elétrons é 18, que coincide com o argônio; a configuração final é a do gás nobre [Ar].

Passo 7

Resumo prático para a prova (dicas rápidas que ajudam a não errar):
  • Sempre comece pelo número atômico Z para saber quantos elétrons tem o neutro.
  • Para cátions: subtraia a carga e remova elétrons do maior n primeiro (remova s antes de d quando ambos estiverem presentes).
  • Para ânions: some elétrons até completar subníveis seguindo a ordem de Aufbau.
  • Use notação abreviada com gás nobre para ficar curto e claro ( [Ne], [Ar], [Kr], [Xe], etc.).
  • Se ficar inseguro com elementos de transição pesados, aplique a regra prática de remoção s antes de d — é o que costuma ser cobrado em provas.

Resposta

(a) \mathrm{Zr}^{4+}:\\ [Kr]
(b) \mathrm{Os}^{3+}:\\ [Xe]\;4f^{14}\;5d^{5}
(c) \mathrm{Cs}^{+}:\\ [Xe]
(d) \mathrm{P}^{3-}:\\ [Ar]

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