Questão: Os valores de todas as energias de ionização sucessivas de dois elementos químicos ( X e Y) são os seguintes:
Elemento X:
E.I.
2
E.I.
E.I.
E.I.
E.I.
E.I.
Elemento Y:
E.I.
E.I.
E.I.
E.I.
E.I.
E.I.
E.I.
Com base nesses dados:
a) Identifique quais são os elementos
.
b) Explique por que a
e a
energias de ionização do elemento Y são menores que as correspondentes do elemento X .
c) Escreva os conjuntos de números quânticos (
) que podem estar associados às funções de onda
dos elétrons retirados na
energia de ionização de Xe Y .
Dados:
2
a) Identifique quais são os elementos
b) Explique por que a
c) Escreva os conjuntos de números quânticos (
Passo 1
O enunciado dá as energias de ionização sucessivas de dois elementos (X e Y). Vou listar claramente o que é pedido e quais dados importantes temos (copiei os números do enunciado):
-
Dados para o elemento X (energias de ionização em
): -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I.
-
-
Dados para o elemento Y (energias de ionização em
): -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I. -
E.I.
-
O enunciado pede:
a) Identificar quais são os elementos e
.
b) Explicar por que a e a
energias de ionização do elemento
são menores que as correspondentes do elemento
.
c) Escrever os conjuntos de números quânticos que podem estar associados às funções de onda
dos elétrons retirados na
energia de ionização de
e de
.
a) Identificar quais são os elementos
b) Explicar por que a
c) Escrever os conjuntos de números quânticos
Passo 2
Princípio usado (explicação didática rápida do raciocínio que será aplicado): quando as energias de ionização sucessivas mostram um salto muito grande entre duas etapas, isso indica que, após eliminar um certo nº de elétrons, removemos um elétron de uma camada interna (um elétron de core) em vez de uma camada de valência. Logo, o número de elétrons removidos antes do salto grande é igual ao número de elétrons de valência (ou seja, quantos elétrons estavam na camada mais externa). Esse fato permite identificar a configuração eletrônica básica e, por tabela periódica/por número atômico, identificar o elemento. Vou aplicar isso comparando os saltos grandes nas listas fornecidas.
Passo 3
Analisando o elemento
:
- Observa-se um salto gigantesco entre a
E.I. ( ) e a E.I. ( ). - Interpretação: os quatro primeiros elétrons removidos pertencem à camada externa (camada
neste caso), e o elétron a ser removido já pertence a uma camada interna muito mais ligada (o orbital ). Portanto tem 4 elétrons na camada externa antes da remoção — ou seja, possui 4 elétrons de valência. - Um átomo com 4 elétrons de valência na segunda camada tem configuração final na valência como
, que corresponde ao elemento com número atômico , isto é, carbono. - Observação adicional para confirmar: a
E.I. de coincide com o valor conhecido da primeira energia de ionização do carbono.
Portanto,
é o carbono (C).
Passo 4
Analisando o elemento
:
- Observa-se um salto muito grande entre a
E.I. ( ) e a E.I. ( ). - Interpretação: os cinco primeiros elétrons removidos pertencem à camada externa (ou seja, após retirar 5 elétrons chegamos a uma configuração com camada externa vazia) e o
elétron seria de uma camada muito mais interna (1s), exigindo energia muito maior. Portanto tem 5 elétrons de valência. - Um átomo com 5 elétrons de valência na segunda camada tem configuração valencial
, que corresponde ao número atômico , isto é, nitrogênio. - Confirmação: a
E.I. é compatível com o valor conhecido da primeira E.I. do nitrogênio.
Portanto,
é o nitrogênio (N).
Passo 5
Explicação detalhada (didática) do porquê a
E.I. de
é menor que a de
:
-
Para entender isso, vamos escrever as configurações eletrônicas (apenas as camadas externas) e acompanhar quais orbitais perdem elétrons nas primeiras ionizações.
-
Carbono (C,
), configuração: . - 1ª remoção: perde um elétron
. - 2ª remoção: perde outro
. - 3ª remoção: agora o elétron a ser removido vem de
(mais interno e mais fortemente ligado que ). - Logo, a
E.I. de C corresponde à remoção de um elétron .
- 1ª remoção: perde um elétron
-
Nitrogênio (N,
), configuração: . - 1ª, 2ª e 3ª remoções: todas retiram elétrons da subcamada
(porque há três elétrons inicialmente). - Assim, a
E.I. de N corresponde à remoção de um elétron .
- 1ª, 2ª e 3ª remoções: todas retiram elétrons da subcamada
-
-
Importante: elétrons em orbitais
estão, em média, mais próximos do núcleo e mais fortemente ligados (maior energia de ligação) que elétrons . Portanto remover um elétron exige mais energia do que remover um . -
Conclusão: a
E.I. de (N) é menor que a de (C) porque em o elétron removido na 3ª etapa vem de um orbital (menos ligado), enquanto em a 3ª remoção já atinge um elétron (mais ligado).
Passo 6
Explicação detalhada (didática) do porquê a
E.I. de
é menor que a de
:
-
Continuando a acompanhar as remoções:
- Para o carbono (C): após 4 remoções fica
; portanto a remoção retira um elétron do orbital (o core). Retirar elétron de exige energia muito grande (forte atração nuclear, pouca blindagem). - Para o nitrogênio (N): após 4 remoções ficamos com
; a remoção retira o último elétron , ou seja, ainda da camada , não do core .
- Para o carbono (C): após 4 remoções fica
-
Comparação: remover um elétron do orbital
(core) requer muito mais energia do que remover um elétron (camada mais externa). Por isso a E.I. de é enorme ( ) enquanto a de é relativamente pequena ( ). -
Conclusão: a enorme diferença se deve a qual camada/orbital está sendo atingida na 5ª ionização — para
é o orbital (core), para é o orbital (camada mais externa/penúltima), logo .
Passo 7
Números quânticos
para o elétron removido na
E.I.:
-
Relembrando os significados dos números quânticos (rápido e didático):
-
número quântico principal: indica a camada/nível de energia ( ). -
número quântico azimutal (ou do momento angular orbital): determina o tipo de orbital ( para , para , etc.), com . -
número quântico magnético: orientações do orbital, com valores inteiros entre e . -
número quântico de spin: pode ser ou .
-
-
Para
(carbono): a E.I. remove um elétron do orbital . Portanto os possíveis conjuntos são: -
ou . - Explicação curta:
porque é ; porque é orbital ; é o único valor para ; pode ser ou .
-
-
Para
(nitrogênio): a E.I. remove um elétron do orbital . Portanto os possíveis conjuntos são: -
ou . - Explicação curta:
porque é ; para ; ; .
-
Resposta
(a)
carbono (C) ;
nitrogênio (N)
(b) A
E.I. de
é menor que a de
porque, ao remover o terceiro elétron, em
(N) está-se retirando um elétron
(menos ligado), enquanto em
(C) a terceira remoção já atinge um elétron
(mais fortemente ligado). A
E.I. de
é menor que a de
porque a 5ª remoção em
retira um elétron
(camada
), ao passo que em
a 5ª remoção tenta retirar um elétron
(core), exigindo energia muito maior.
(c) Possíveis conjuntos de números quânticos:
- Para
(5ª E.I., elétron ): ou - Para
(5ª E.I., elétron ): ou