a) Pesquisar na literatura sobre a chamada configuração de 18 elétrons externos (ou regra dos 18 elétrons); b) Use a regra dos 18 elétrons para prever a configuração eletrônica e a carga de um íon de zinco.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas claras: (a) pesquisar/explicar o que é a chamada regra dos \,18 elétrons (ou configuração de \,18 elétrons) segundo a literatura; (b) usar essa regra para prever a configuração eletrônica e a carga de um íon de zinco.
Informações dadas/necessárias (que vamos usar): ligantes doam pares de elétrons aos metais de transição; a regra dos \,18 elétrons é uma regra empírica usada para complexos de metais de transição/organometálicos; o zinco é um elemento do grupo \,12 com configuração eletrônica atômica conhecida. A partir daqui eu vou explicar a teoria, ensinar como contar elétrons passo a passo e aplicar ao zinco sem assumir que você saiba nada.

Passo 2

O que é a regra dos \,18 elétrons — resumo da literatura (em linguagem simples e amigável).
  • A regra dos \,18 elétrons é uma regra empírica muito usada em química inorgânica/organometálica que diz que muitos complexos de metais de transição são particularmente estáveis quando o número total de elétrons de valência ao redor do metal é \,18.
  • Por que \,18? Porque a camada de valência composta por orbitais s, p e d comporta no total \,2 + 6 + 10 = 18 elétrons. Preencher essas “subcamadas” (no modelo simplificado) leva a uma configuração com energia relativamente baixa e estabilidade extra.
  • Fontes que discutem e justificam essa regra: livros-texto clássicos de química inorgânica e organometálica (por exemplo, textos como Cotton & Wilkinson, Greenwood & Earnshaw, Elschenbroich) e revisões sobre contagem eletrônica em organometálicos. A regra é explicada tanto por argumentos de teoria do orbital molecular (como fechamento de níveis) quanto por evidências experimentais (comportamento e freqüência de complexos observados).
  • Importante: é uma regra empírica — funciona bem para muitos complexos de metais de transição, sobretudo para metais de primeira série com ligantes fortes (CO, PR3, etc.), mas tem muitas exceções (complexos com ligação metal-metal, metais tardios em baixos estados de oxidação, metais com configuração d10, complexos muito iônicos, ou casos estéreis/geométricos). Em resumo: é um guia muito útil, não uma lei universal.

Passo 3

Fundamento físico (intuitivo) por trás da regra — aula rápida e didática.
  • Pense no metal no centro como tendo orbitais de valência s, p e d. Esses orbitais podem receber elétrons vindos dos ligantes (doação por pares) e também podem conter elétrons do próprio metal (os elétrons d e s do metal).
  • O total “ideal” para fechar esses orbitais é \,2 elétrons no orbital s, \,6 no conjunto p e \,10 no conjunto d. Somando: \,2+6+10=18.
  • Quando esse conjunto de níveis está preenchido ou quase fechado, a interação metal–ligante tende a ser forte e o complexo tende a ser estável (menos sítios reativos disponíveis, orbitais ocupados). Isso explica o sucesso empírico da regra.
  • Aviso prático: essa é uma explicação simplificada; a teoria completa usa orbital molecular e correlações eletrônicas — mas para a prova essa ideia de “fechar s,p,d = 18 elétrons” é exatamente o que a regra propõe.

Passo 4

Como contar elétrons em um complexo: método prático (passo a passo) — vamos aprender a contar como se fosse receita de bolo.
Existem duas formas comuns: “método do ligante neutro” (neutral-ligand method) e “método iônico” (ionic method). Vou usar o método neutro porque é o mais direto para exercícios de prova e para o caso do zinco. Passos do método neutro:
  1. Determine os elétrons de valência do metal no estado de oxidação do complexo (ou do íon que você quer prever). Para metais de transição, conta-se os elétrons s e d do metal no estado de oxidação considerado. Por exemplo, um metal em estado de oxidação +2 perde os elétrons s primeiro.
  2. Some os elétrons doados pelos ligantes: cada ligante doador tipo L (ligante neutro que doa um par) fornece \,2 elétrons; ligantes do tipo X (ânions monodentados como Cl ^-, Br ^-) normalmente contam como \,2 elétrons no método neutro mas também mudam a carga do complexo — o importante é lembrar quantos pares eles doam. Ligantes multidentados doam pares por dentada.
  3. Some quaisquer elétrons de ligações metal–metal (se houver).
  4. O total obtido é o Total de Elétrons de Valência (TEV) do metal; compare com \,18.
    Exemplo curto e ilustrativo (não do zinco ainda): para [Fe(CO)_5] (Fe em estado 0): Fe atômico tem \,8 elétrons de valência? Não exatamente — mas pelo método: Fe(0) tem [Ar]\,3d^64s^2 → contagem = 8 (6 d + 2 s) e cada CO doa 2 elétrons × 5 = 10 ⇒ TEV = 8+10=18.

Passo 5

Relembrando a configuração eletrônica do zinco (átomo neutro) e suas características químicas relevantes.
  • Zinco atômico neutro tem configuração eletrônica \,[Ar]\,3d^{10}4s^{2}. Escrevo em TeX: [Ar]\,3d^{10}4s^{2}.
  • Isso indica que o zinco tem um conjunto 3d cheio ( d^{10}) e dois elétrons 4s. Na prática química, ao formar cátions, os elétrons s são removidos antes dos d, então o estado de oxidação +2 de zinco é [Ar]\,3d^{10}.
  • O zinco é um metal “tardio” e com d^{10} é quimicamente similar a metais que não têm sítios d parcialmente vazios para fortes interações \pi-aceitadoras; por isso os complexos de zinco são frequentemente iônicos / baseados em doação simples de pares (ligantes doadores simples).

Passo 6

Aplicando a contagem eletrônica ao zinco: qual é a contribuição do metal?
  • Se considerarmos o íon mais comum de zinco, \mathrm{Zn}^{2+}, sua configuração eletrônica é [Ar]\,3d^{10}. Então a contribuição do metal para o TEV (total de elétrons de valência) é \,10 elétrons (os \,3d^{10}). Em notação TeX: [Ar]\,3d^{10} → contribuição metal = \,10 elétrons.
  • Se hipoteticamente considerássemos \mathrm{Zn}^{0} (metal zero), a contribuição seria \,12 elétrons ( 3d^{10}4s^{2}). Mas \mathrm{Zn}^{0} em complexos moleculares é raro comparado a \mathrm{Zn}^{2+}.

Passo 7

Quanto o ligante precisa doar para alcançar \,18 elétrons com \mathrm{Zn}^{2+}? (conta direta)
  • Meta desejado: TEV total = \,18.
  • Contribuição do metal (se for \mathrm{Zn}^{2+}) = \,10. Logo elétrons necessários dos ligantes = \,18 - 10 = 8. Em TeX: 18 - 10 = 8.
  • Cada ligante neutro monodentado do tipo L (por exemplo \mathrm{NH_3}, \mathrm{H_2O}, PR _3, etc.) doa \,2 elétrons. Então seriam necessários 8 / 2 = 4 ligantes L monodentados para alcançar \,18 elétrons. Em TeX: 8/2 = 4.
  • Conclusão prática: um complexo [ZnL_4]^{2+} com quatro ligantes doadores de par (cada um doando 2 elétrons) terá TEV = 10 + 4\times2 = 18. Em TeX: 10 + 4\cdot 2 = 18.

Passo 8

Exemplo concreto: contar elétrons em [Zn(NH_3)_4]^{2+} (modelo didático) — passo a passo.
  1. Determinar a carga/estado do zinco no complexo: aqui é \mathrm{Zn}^{2+} (o complexo como escrito é [Zn(NH_3)_4]^{2+}).
  2. Contribuição do metal: \,10 elétrons (porque [Ar]\,3d^{10}). Escrevo: contribuição metal = \,10.
  3. Cada \mathrm{NH_3} doa um par de elétrons = \,2. Com quatro \mathrm{NH_3}: contribuição dos ligantes = 4\times2 = 8. Em TeX: 4\cdot2=8.
  4. TEV total = 10 + 8 = 18. Em TeX: 10 + 8 = 18.
    Resultado: o complexo atinge a regra dos \,18 elétrons. Isso mostra que \mathrm{Zn}^{2+} com quatro ligantes doadores de par é coerente com a regra.

Passo 9

Interpretação: o que isso nos diz sobre a carga e configuração mais provável do íon de zinco?
  • A regra dos \,18 elétrons não “obriga” o zinco a ter uma carga, mas indica que o estado \mathrm{Zn}^{2+} é compatível com alcançar \,18 elétrons com um arranjo simples de ligantes (quatro ligantes monodentados doando pares).
  • Assim, usando a regra como guia, o íon de zinco que aparece com mais frequência e que faz sentido previsivelmente é \mathrm{Zn}^{2+} com configuração eletrônica [Ar]\,3d^{10}. Em TeX: carga prevista = \,+2; configuração = [Ar]\,3d^{10}.
  • Observação prática: muitos complexos de zinco de coordenação são tetra-coordenados (4 ligantes) ou hexa-coordenados (6 ligantes). Hexa-coordenação dá 10 + 6\cdot2 = 22 elétrons — ou seja, excede \,18 — mas ainda assim esses complexos existem porque a regra dos \,18 elétrons não é absoluta; fatores estéricos, iônicos, e energéticos também importam. Mesmo assim, o fato de [ZnL_4]^{2+} dar 18 elétrons ajuda a compreender por que muitas estruturas tetraédricas de \mathrm{Zn}^{2+} são estáveis.

Passo 10

Resumo das limitações e explicações finais (para a prova — coisas pra você lembrar e poder citar)
  • A regra dos \,18 elétrons é um guia empírico útil. Diga isso na prova e explique brevemente o porquê (fechamento de níveis s+p+d).
  • Cite as exceções: metais com configuração d^{10} (como Zn ^ {2+}, Cd ^ {2+}) frequentemente formam complexos estáveis que nem sempre “obedecem” rigidamente à regra; complexos muito iônicos ou com ligantes grandes/estéricos podem violar a regra; ligações metal-metal alteram a contagem.
  • Para o zinco, o resultado é simples e seguro: o íon mais comum e químico-predizível segundo o raciocínio da regra é \mathrm{Zn}^{2+} com configuração [Ar]\,3d^{10}. Complexos com quatro ligantes doadores de par alcançam \,18 elétrons; isso explica por que [ZnL_4]^{2+} é um arranjo frequente e estável.

Resposta

(a) A regra dos \,18 elétrons é um guia empírico em química inorgânica/organometálica que afirma que muitos complexos de metais de transição são estáveis quando o total de elétrons de valência ao redor do metal é \,18 (fechamento aproximado de s+p+d, 2+6+10). A regra tem justificativa em teoria de orbital molecular e é discutida em livros-texto e revisões (ex.: Cotton & Wilkinson, Elschenbroich); funciona bem para muitos complexos, mas tem exceções (ligações metal–metal, metais d10, casos muito iônicos, etc.).
(b) Pela contagem eletrônica: \mathrm{Zn}^{2+} tem configuração [Ar]\,3d^{10} (contribuição metal = 10 elétrons); com quatro ligantes monodentados doadores de par ( 4\times2 elétrons) obtém-se 10+8=18. Portanto a previsão é carga +\!2 e configuração eletrônica [Ar]\,3d^{10}.

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