(1.5) Justifique por que a energia de ionização do oxigênio é menor que a do neônio, mas maior que a do aluminio. Em sua resposta, leve em conta a configuração eletrônica, o tamanho atômico e a carga nuclear efetiva.
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Justificar por que a energia de ionização do oxigênio é menor que a do neônio, mas maior que a do alumínio.
Informações/elementos relevantes dados (que vou usar):
- Elementos envolvidos e seus números atômicos:
( ), ( ), ( ). - Devem ser consideradas a configuração eletrônica, o tamanho atômico e a carga nuclear efetiva.
Passo 2
O que é energia de ionização e quais fatores a controlam (aula rapidinha, sem pânico).
- Definição: a primeira energia de ionização
é a energia necessária para retirar do átomo no estado fundamental um elétron mais externo (valência). - Fatores principais que aumentam ou diminuem
: - Carga nuclear efetiva
: quanto maior , maior a atração sobre o elétron de valência e maior . - Distância do elétron ao núcleo (número quântico principal
/ tamanho atômico): elétrons em níveis com maior estão mais longe, são menos ligados, então tende a diminuir com o aumento de . - Blindagem/efeito de apantelhamento (shielding): elétrons internos reduzem a carga efetiva sentida pelos de valência.
- Estrutura de shells/subníveis (fechamento de camada confere estabilidade; emparelhamento em orbital pode aumentar repulsão elétron–elétron).
- Carga nuclear efetiva
- Uma expressão aproximada (modelo hidrogenoide qualitativo) que mostra as dependências:
onde
é o nível principal do elétron removido e
é a carga nuclear efetiva sentida por esse elétron. Não é uma fórmula exata para átomos multieletrônicos, mas ajuda a entender tendências.
Passo 3
Configurações eletrônicas e observações qualitativas das três espécies (sem ainda concluir):
- Oxigênio:
- Elétrons de valência estão em
(subnível ); há emparelhamento parcial em (dois elétrons estão emparelhados em algum orbital ), o que causa repulsão extra entre elétrons.
- Elétrons de valência estão em
- Neônio:
- Camada
totalmente preenchida (configuração de gás nobre, muito estável). Os elétrons de valência também estão em , mas a camada completa confere estabilidade extra.
- Camada
- Alumínio:
- Elétrons de valência em
(mais afastados do núcleo que os do oxigênio/néon).
- Elétrons de valência em
Observações qualitativas iniciais (sem números ainda):
- Neônio e oxigênio têm elétrons de valência no mesmo nível
, porém o néon tem mais prótons ( vs ) e uma camada completa — isso tende a aumentar e diminuir o raio, portanto aumenta . - Alumínio tem elétron de valência em
(mais afastado) e muitos elétrons internos que blindam o núcleo, o que tende a reduzir percebido pelo elétron de valência e reduzir . - O emparelhamento em
no oxigênio aumenta a repulsão e tende a diminuir em comparação com um átomo com orbital sem emparelhamento (isso explica por exemplo por que , curiosidade relacionada).
Passo 4
Estimativa concreta da carga nuclear efetiva
pelos elétrons de valência usando as Regras de Slater (um método simples e numérico que ajuda a comparar)
- Lembrete rápido sobre Slater: para um elétron em orbital
ou - cada outro elétron no mesmo nível principal contribui com
ao apantelhamento; - cada elétron no nível
contribui com ; - cada elétron em níveis
ou inferiores contribui com .
- cada outro elétron no mesmo nível principal contribui com
- Oxigênio (removendo um elétron
): -
- Outros elétrons no mesmo nível
: há = elétrons além daquele que removemos → contribuição . - Elétrons em
: → contribuição (para Slater usualmente usa para quando , mas no caso o é ; a regra prática gera a mesma conta com por elétron em — vou seguir a forma padrão que leva como por elétron para ). Usarei a versão padrão: - contribuição de
:
- contribuição de
- Apantelhamento total
- Logo
-
- Neônio (removendo um elétron
): -
- Outros elétrons no mesmo nível
: elétrons além daquele removido → contribuição - Elétrons em
: - Apantelhamento total
- Logo
- Observação: usando uma contagem alternativa mais conservadora para elétrons no mesmo nível (às vezes conta-se 5, como fiz para O), dá
ainda maior que para O; de qualquer forma o ponto é que é consideravelmente maior que .
-
- Alumínio (removendo um elétron
, elétron de valência): -
- Outros elétrons no mesmo nível
: além do elétron removido → há elétrons no mesmo nível → contribuição - Elétrons em
(nível ): elétrons → contribuição - Elétrons em
: → contribuição - Apantelhamento total
- Logo
-
Interpretação dos números obtidos (aqui a matemática vira argumento físico direto):
- Temos valores aproximados:
- Pelo modelo aproximado
: - Para
e , ambos têm , então a comparação fica dominada por : como , segue . - Para
e , embora seja maior, o elétron removido de está em e sente menor; como e , segue .
- Para
Passo 5
Comentário final sobre o papel do emparelhamento e da estabilidade de camada:
- O neônio tem configuração de gás nobre (
), o que confere estabilidade extra: elétrons profundamente ligados, portanto é muito alto. - O oxigênio tem elétrons emparelhados em alguns orbitais
, o que aumenta um pouco a repulsão elétron–elétron e faz com que seja menor do que um valor que teria só por — mas não é suficiente para torná-la menor que a de , porque tem elétron de valência mais afastado (nível ) e forte apantelhamento dos elétrons internos. - Resumindo a intuição: néon prende seus elétrons de valência com mais força que oxigênio (mesmo nível, mais prótons e camada completa); oxigênio prende mais forte que alumínio porque seus elétrons de valência estão em uma camada mais interna e sentem maior carga efetiva.
Resposta
A energia de ionização do oxigênio é menor que a do neônio e maior que a do alumínio.