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
?
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
é definida como
ou seja, a diferença entre a energia do átomo neutro e do ânion formado. Se
, o processo libera energia (exotérmico); se
, é necessário fornecer energia (endotérmico).
Passo 3
O nitrogênio neutro tem configuração eletrônica
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
seja forte o bastante para compensar. O balanço dá
, logo é necessário fornecer energia.
Passo 4
O oxigênio neutro tem configuração eletrônica
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
com configuração
. O acréscimo encontra um núcleo mais forte
que atrai o elétron adicional com energia maior do que a repulsão interna, resultando em
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).