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

Passo 1

O enunciado pede três coisas para o átomo de cobre (vou assumir que é o cobre neutro, átomo simples):
  1. (i) a configuração eletrônica completa;
  2. (ii) a configuração eletrônica condensada (cerne do gás nobre);
  3. (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: Z=29. Isso significa que um átomo neutro de cobre tem 29 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
1s,\;2s,\;2p,\;3s,\;3p,\;4s,\;3d,\;4p,\;5s,\;\ldots
Isto é um guia para ir colocando elétrons até somar Z.
  • Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital (por exemplo, 1s, ou cada caixa em um diagrama) comporta no máximo dois elétrons com spins opostos. Em notação, isso aparece como expoentes máximos: s comporta até 2 elétrons, p até 6, d até 10.
  • Regra de Hund: em subníveis degenerados (por exemplo, as três orbitais 2p ou as cinco orbitais 3d), 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 4s^2 3d^9. O cobre é um caso clássico: a configuração observada experimentalmente é aquela que resulta em um subnível d preenchido ( d^{10}) e um 4s com apenas um elétron, ou seja [Ar]\,4s^1 3d^{10}. Vou explicar o porquê quando chegarmos lá.

Passo 3

Vamos preencher os 29 elétrons um a um seguindo a ordem de energia e contando cumulativamente (faço cada orbital, quantos elétrons ele pode ter e o total acumulado):
  • 1s^2: coloca 2 elétrons. Total acumulado: 2.
  • 2s^2: coloca 2 elétrons. Total acumulado: 2+2=4.
  • 2p^6: coloca 6 elétrons. Total acumulado: 4+6=10.
  • 3s^2: coloca 2 elétrons. Total acumulado: 10+2=12.
  • 3p^6: coloca 6 elétrons. Total acumulado: 12+6=18.
  • 4s^2 no esquema simples colocaria 2 elétrons aqui primeiro, somando 18+2=20. Mas há um detalhe importante com os níveis 4s e 3d: a diferença de energia entre 4s e 3d é pequena, e ao completar a distribuição total para o cobre, a configuração energeticamente mais estável é alcançada com um subnível 3d completamente cheio ( 3d^{10}). Para atingir 3d^{10} mantendo o total 29 e aproveitando a estabilidade extra de um d cheio, a configuração final observada é 4s^1 3d^{10}, não 4s^2 3d^9. Vou mostrar a contagem que leva a esse resultado:
    • Se tivéssemos colocado 4s^2 imediatamente, tínhamos total 20. Então preencheríamos 3d com os elétrons restantes: 29-20=9 elétrons → 3d^9. 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 4s “desça” para completar o 3d, resultando em 4s^1 3d^{10}. Ou seja, a contagem final dos elétrons no 3d fica 10 e no 4s fica 1, ainda somando 11 elétrons nos níveis n=3 e n=4 combinados, como deve ser.
  • Portanto a configuração completa, listando os orbitais até preencher 29 elétrons, fica:
1s^2\;2s^2\;2p^6\;3s^2\;3p^6\;4s^1\;3d^{10}.
Explicando um pouco mais por que essa inversão acontece (sem jargões pesados): preencher completamente o subnível d 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 4s. 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 18 elétrons e configuração
1s^2\;2s^2\;2p^6\;3s^2\;3p^6 \equiv [\mathrm{Ar}].
Substituindo esse núcleo pela notação do gás nobre, a configuração condensada do cobre fica:
[\mathrm{Ar}]\;4s^1\;3d^{10}.
Observação: é comum também escrever a ordem dos termos como [\mathrm{Ar}]\;3d^{10}\;4s^1; ambas representam o mesmo arranjo de elétrons, mas a forma [\mathrm{Ar}]\;4s^1\;3d^{10} destaca que há um elétron no 4s.

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 n. Para o cobre neutro, n=4 é a camada externa, que contém 4s e 4p (o 4p está vazio neste caso).
  • Muitos exercícios pedem mostrar apenas os elétrons da camada de valência; nesse caso vamos representar os orbitais 4s e 4p e colocar as setas apenas onde houver elétrons. No cobre neutro temos um elétron no 4s e nenhum no 4p.
  • Representação em “caixas” (cada caixa = um orbital). Usando símbolos TeX para clareza:
4s: \boxed{\uparrow}
4p: \square\\ \square\\ \square (três caixas vazias, sem elétrons)
Comentário rápido de amigo: alguns livros e aplicações químicas tratam também os elétrons 3d 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 n=4, 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 Z.
  • Lembre-se das exceções mais comuns em transição: elementos como Cr ( 4s^1 3d^5) e Cu ( 4s^1 3d^{10}) favorecem meia-preenchimento ou preenchimento total do subnível d.
  • Para a notação condensada, substitua o bloco até o gás nobre anterior por [\mathrm{Gás\\ nobre}]á.
  • Para diagramas de quadrículas de valência, desenhe apenas as caixas do maior n e coloque as setas somente onde houver elétrons.

Resposta

(i) 1s^2\;2s^2\;2p^6\;3s^2\;3p^6\;4s^1\;3d^{10}
(ii) [\mathrm{Ar}]\;4s^1\;3d^{10}
(iii) 4s:\\ \boxed{\uparrow} ; 4p:\\ \square\\ \square\\ \square

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