- A organização dos elétrons em um átomo segue princípios fundamentais da mecânica quântica, como o princípio da exclusão de Pauli, a regra de Hund e o princípio da energia mínima. A distribuição eletrônica permite compreender a posição dos elementos na Tabela Periódica e prever propriedades químicas importantes, como reatividade e eletronegatividade. Elementos com maior tendência a ganhar elétrons, por exemplo, apresentam elevada eletronegatividade, característica associada à sua configuração eletrônica de valência.
Considere o elemento oxigênio (
), essencial em diversos processos químicos e biológicos.
a) Determine a distribuição eletrônica completa no estado fundamental.
b) Identifique a camada de valência e o número de elétrons nela presentes.
c) Indique os quatro números quânticos (
, ms ) para o último elétron adicionado.
d) Localize o elemento na Tabela Periódica (período e família).
e) Explique, com base na configuração eletrônica, por que o oxigênio apresenta elevada eletronegatividade.
a) Determine a distribuição eletrônica completa no estado fundamental.
b) Identifique a camada de valência e o número de elétrons nela presentes.
c) Indique os quatro números quânticos (
d) Localize o elemento na Tabela Periódica (período e família).
e) Explique, com base na configuração eletrônica, por que o oxigênio apresenta elevada eletronegatividade.
Passo 1
O enunciado nos dá o elemento oxigênio com
(ou seja, tem 8 elétrons no átomo neutro) e pede cinco coisas:
a) a distribuição eletrônica completa no estado fundamental;
b) qual é a camada de valência e quantos elétrons ela contém;
c) os quatro números quânticos do último elétron adicionado;
d) a localização do elemento na Tabela Periódica (período e família/grupo);
e) uma explicação, baseada na configuração eletrônica, de por que o oxigênio tem elevada eletronegatividade.
a) a distribuição eletrônica completa no estado fundamental;
b) qual é a camada de valência e quantos elétrons ela contém;
c) os quatro números quânticos
d) a localização do elemento na Tabela Periódica (período e família/grupo);
e) uma explicação, baseada na configuração eletrônica, de por que o oxigênio tem elevada eletronegatividade.
Vou trabalhar passo a passo, explicando cada princípio usado (Aufbau, Pauli, Hund, definição de números quânticos, conceito de camada de valência e eletronegatividade) de forma didática para você poder repetir isso na prova.
Passo 2
Revisão dos princípios que usamos para montar a configuração eletrônica (aqui eu explico cada princípio com calma):
- Princípio de Aufbau (energia mínima): os elétrons ocupam os orbitais disponíveis começando pelos de menor energia e subindo. A ordem relevante para os primeiros 8 elétrons é:
(mais baixo), depois , depois . - Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital só pode conter no máximo dois elétrons, e esses dois têm spins opostos. Em termos de números quânticos, dois elétrons no mesmo orbital terão os mesmos
e apenas difere em (um , outro ). - Regra de Hund (para orbitais degenerados, por exemplo os três orbitais
): antes de emparelhar elétrons em um mesmo orbital, coloca-se um elétron em cada orbital com spins paralelos (normalmente representados como ) para minimizar repulsões eletrônicas e obter menor energia.
Esses três princípios, aplicados em sequência, dão a configuração do estado fundamental.
Passo 3
Preenchendo os elétrons do oxigênio um a um segundo a segunda (aplicando Aufbau + Pauli + Hund):
- Os dois primeiros elétrons ocupam o orbital
: isso é escrito como . Aqui cada elétron tem , , e spins opostos. - Os próximos dois ocupam o orbital
: escrito . Esses têm , , . - Restam
elétrons a colocar no nível , subnível . Os orbitais são três (valores ). Pela regra de Hund: primeiro coloca-se um elétron em cada um dos três orbitais com spins paralelos (geralmente ). Isso ocupa 3 elétrons. O quarto elétron do subnível deve então emparelhar em um desses orbitais já ocupados (tendo spin oposto, ).
Assim a configuração completa do oxigênio no estado fundamental é:
Explicando a notação:
significa que no nível principal
, subnível
(
), há 2 elétrons;
significa que no nível
, subnível
(
), há 4 elétrons.
Passo 4
Identificando a camada de valência e contando os elétrons nela:
- A camada de valência é a camada com maior número quântico principal
que contém elétrons. Aqui o maior que aparece na configuração é . - Os elétrons da valência estão em
e . Somando: elétrons na camada de valência.
Portanto a camada de valência é
e contém
elétrons.
Passo 5
Agora os quatro números quânticos
do último elétron adicionado — primeiro explico o que cada número significa:
-
(número quântico principal): indica a camada/nível de energia principal; maior significa maior energia média e tamanho do orbital. -
(número quântico azimutal/angular): ; para subníveis temos , respectivamente. define a forma do orbital. -
(número quântico magnético): ; indica a orientação espacial do orbital (por exemplo, para , ). -
(spin): pode ser ou ; indica a orientação do spin do elétron.
Aplicando isso ao último elétron do oxigênio:
- O último elétron colocado foi o quarto no subnível
, portanto tem e . - Pela regra de Hund, os três primeiros elétrons
ocupam com spins iguais (usualmente ). O quarto elétron emparelha em um desses orbitais, então terá spin contrário: . O valor exato de do elétron emparelhado pode ser qualquer um dos três (porque os três orbitais são equivalentes), portanto é comum escolher um deles para dar um conjunto específico de números quânticos. Uma escolha padrão e perfeitamente correta é tomar .
Logo um conjunto válido de números quânticos para o último elétron adicionado é
Observação importante: escolher
foi uma convenção;
ou
também seriam equivalentes em energia e, portanto, aceitáveis.
Passo 6
Localização do oxigênio na Tabela Periódica (explicando a ligação com a configuração):
- O oxigênio tem camada de valência
e elétrons de valência. Em elementos representativos (bloco p da tabela), o número de elétrons de valência (para os elementos do bloco s e p) corresponde ao grupo (família) na forma: grupo (nº elétrons no subnível p) ou, de forma mais direta e moderna, o oxigênio pertence ao grupo da Tabela Periódica (IUPAC), também conhecido como família dos calcogênios. - O período é dado pelo maior
ocupado: → período .
Portanto: período
; família (grupo)
— calcogênios.
Passo 7
Por que o oxigênio é altamente eletronegativo — explicação baseada na configuração eletrônica (passo a passo, em linguagem simples):
- Eletronegatividade é a tendência de um átomo em uma molécula de atrair elétrons para si. Dois fatores principais influenciam isso: carga nuclear efetiva e tamanho/raio atômico.
- A configuração
mostra que o oxigênio tem elétrons na camada de valência e precisa de elétrons para completar o octeto ( ), que é uma configuração muito estável. Esse “desejo” de ganhar apenas dois elétrons relativamente poucos torna o átomo mais propenso a atrair elétrons. - Além disso, estando à direita e perto do topo da Tabela Periódica (período
, grupo ), o oxigênio tem uma carga nuclear efetiva relativamente alta sobre os elétrons de valência e um raio pequeno — isto é, os elétrons externos sentem muita atração do núcleo porque estão próximos. Essa combinação (necessidade de completar o octeto + alto e pequeno raio) faz com que o oxigênio atraia fortemente elétrons compartilhados em ligações químicas. - Por isso, dentro do mesmo período o oxigênio tem eletronegatividade alta (só perde para o flúor), e sua configuração eletrônica explica tanto a sua forte tendência a ganhar elétrons quanto sua alta afinidade eletrônica e eletronegatividade.
Resposta
a)
b) Camada de valência: ; número de elétrons na valência:
c)
d) Período ; família (grupo)
— calcogênios
e) Porque a configuração deixa o oxigênio com
elétrons de valência (falta de 2 elétrons para completar o octeto), combinado com alto
e pequeno raio; essa combinação aumenta a tendência do átomo a atrair elétrons, resultando em elevada eletronegatividade.
b) Camada de valência:
c)
d) Período
e) Porque a configuração