Faça a distribuição eletrônica para os átomos seguintes, segundo (i) configuração eletrônica completa e (ii) configuração eletrônica condensada (cerne do gás nobre) e (iii) diagrama de quadrículas apenas elétron(s) na camada de valência:
Cu
Cu
Passo 1
O enunciado pede três coisas para o átomo de cobre (vou assumir que é o cobre neutro, átomo simples):
- (i) a configuração eletrônica completa;
- (ii) a configuração eletrônica condensada (cerne do gás nobre);
- (iii) o diagrama de quadrículas mostrando apenas os elétron(es) da camada de valência.
Informações úteis e dados iniciais (pegos da tabela periódica / definição do elemento):
- Número atômico do cobre:
. Isso significa que um átomo neutro de cobre tem elétrons para distribuir em orbitais. - As perguntas são sobre a distribuição eletrônica eletrônica em orbitais atômicos e a representação em diagrama de quadrículas para a(s) camada(s) de valência.
Passo 2
Relembrando as regras e ideias que vamos usar (explicação didática e sem pular etapas):
- Ordem de preenchimento (regra de Aufbau prática): os orbitais são preenchidos em ordem crescente de energia aproximadamente como
Isto é um guia para ir colocando elétrons até somar
.
- Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital (por exemplo,
, ou cada caixa em um diagrama) comporta no máximo dois elétrons com spins opostos. Em notação, isso aparece como expoentes máximos: comporta até elétrons, até , até . - Regra de Hund: em subníveis degenerados (por exemplo, as três orbitais
ou as cinco orbitais ), primeiro coloca-se um elétron com spin paralelo em cada orbital disponível antes de emparelhar elétrons. - Exceções: em elementos de transição alguns preenchimentos seguem uma configuração que minimiza a energia total, resultando em pequenas “exceções” à ordem esperada
. O cobre é um caso clássico: a configuração observada experimentalmente é aquela que resulta em um subnível preenchido ( ) e um com apenas um elétron, ou seja . Vou explicar o porquê quando chegarmos lá.
Passo 3
Vamos preencher os
elétrons um a um seguindo a ordem de energia e contando cumulativamente (faço cada orbital, quantos elétrons ele pode ter e o total acumulado):
-
: coloca 2 elétrons. Total acumulado: . -
: coloca 2 elétrons. Total acumulado: . -
: coloca 6 elétrons. Total acumulado: . -
: coloca 2 elétrons. Total acumulado: . -
: coloca 6 elétrons. Total acumulado: . -
no esquema simples colocaria 2 elétrons aqui primeiro, somando . Mas há um detalhe importante com os níveis e : a diferença de energia entre e é pequena, e ao completar a distribuição total para o cobre, a configuração energeticamente mais estável é alcançada com um subnível completamente cheio ( ). Para atingir mantendo o total e aproveitando a estabilidade extra de um cheio, a configuração final observada é , não . Vou mostrar a contagem que leva a esse resultado: - Se tivéssemos colocado
imediatamente, tínhamos total . Então preencheríamos com os elétrons restantes: elétrons → . Essa é a configuração prevista pelo preenchimento estrito. - Contudo, energeticamente é mais favorável (por termodinâmica quântica e troca/estabilização do subnível d) que um elétron do
“desça” para completar o , resultando em . Ou seja, a contagem final dos elétrons no fica e no fica , ainda somando elétrons nos níveis e combinados, como deve ser.
- Se tivéssemos colocado
- Portanto a configuração completa, listando os orbitais até preencher
elétrons, fica:
Explicando um pouco mais por que essa inversão acontece (sem jargões pesados): preencher completamente o subnível
confere extra estabilidade por razões de emparelhamento e energia total (ganho de energia de troca e redução de repulsão em certas configurações). No cobre, isso compensa ter apenas um elétron em
. Essa é uma das exceções bem conhecidas nas configurações de elementos de transição.
Passo 4
Agora a configuração condensada (cerne do gás nobre). O gás nobre que precede o cobre é o argônio, que tem
elétrons e configuração
Substituindo esse núcleo pela notação do gás nobre, a configuração condensada do cobre fica:
Observação: é comum também escrever a ordem dos termos como
; ambas representam o mesmo arranjo de elétrons, mas a forma
destaca que há um elétron no
.
Passo 5
Diagrama de quadrículas apenas com os elétrons da camada de valência (explicação do que consideramos valência):
- Para elementos principais, a camada de valência é o maior número quântico principal
. Para o cobre neutro, é a camada externa, que contém e (o está vazio neste caso). - Muitos exercícios pedem mostrar apenas os elétrons da camada de valência; nesse caso vamos representar os orbitais
e e colocar as setas apenas onde houver elétrons. No cobre neutro temos um elétron no e nenhum no . - Representação em “caixas” (cada caixa = um orbital). Usando símbolos TeX para clareza:
4s:
4p:
(três caixas vazias, sem elétrons)
Comentário rápido de amigo: alguns livros e aplicações químicas tratam também os elétrons
como “valência” para alguns comportamentos químicos (porque participam nas ligações), mas como a instrução pediu explicitamente “apenas elétron(s) na camada de valência” eu desenhei só o que está no nível
, que é o que normalmente se entende por camada de valência em exercícios básicos.
Passo 6
Resumo didático final — como lembrar disso na prova:
- Conte elétrons seguindo a ordem de energia até atingir
. - Lembre-se das exceções mais comuns em transição: elementos como Cr (
) e Cu ( ) favorecem meia-preenchimento ou preenchimento total do subnível . - Para a notação condensada, substitua o bloco até o gás nobre anterior por
. - Para diagramas de quadrículas de valência, desenhe apenas as caixas do maior
e coloque as setas somente onde houver elétrons.
Resposta
(i)
(ii)
(iii) ;
(ii)
(iii)