Por que é necessário fornecer energia para acomodar um elétron na camada de valência do átomo de nitrogênio (N) mas é liberada energia quando um elétron é acomodado na camada de valência do oxigênio (\mathrm{O}) ?

Passo 1

O enunciado pergunta por que ao adicionar um elétron na camada de valência do átomo de nitrogênio é preciso fornecer energia (processo endotérmico), enquanto que no oxigênio a adição de um elétron libera energia (processo exotérmico). O conteúdo tratado é afinidade eletrônica, que mede a variação de energia ao acrescentar um elétron a um átomo isolado no estado gasoso.

Passo 2

Afinidade eletrônica EA é definida como
EA = E(\text{átomo}) - E(\text{átomo}^{-})\,,áá
ou seja, a diferença entre a energia do átomo neutro e do ânion formado. Se EA>0, o processo libera energia (exotérmico); se EA<0, é necessário fornecer energia (endotérmico).

Passo 3

O nitrogênio neutro tem configuração eletrônica
\mathrm{N}:1s^2\,2s^2\,2p^3,
onde os três elétrons 2p ocupam orbitais distintos com spin paralelo (meia-casca semi-preenchida). Essa meia-casca tem estabilidade extra devido à maximização da energia de troca (menor repulsão e maior simetria). Ao inserir um quarto elétron em 2p, rompe-se essa configuração simétrica e surgem repulsões adicionais entre elétrons de mesmo orbital, sem que o núcleo de carga Z=7 seja forte o bastante para compensar. O balanço dá EA<0, logo é necessário fornecer energia.

Passo 4

O oxigênio neutro tem configuração eletrônica
\mathrm{O}:1s^2\,2s^2\,2p^4.
Aqui já existe um orbital 2p dupla­-ocupado e dois semi­-ocupados. Ao adicionar um elétron ele vai para um orbital 2p semi­-ocupado, formando um ânion \mathrm{O}^- com configuração 2p^5. O acréscimo encontra um núcleo mais forte Z=8 que atrai o elétron adicional com energia maior do que a repulsão interna, resultando em EA>0 e, portanto, liberação de energia.

Resposta

A necessidade ou liberação de energia ao adicionar elétron decorre da combinação de estabilidade extra da meia-casca semipreenchida no nitrogênio (que torna a reação endotérmica) e do aumento do efeito atrativo do núcleo no oxigênio (que supera a repulsão eletrônica e torna a reação exotérmica).

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