Podemos avaliar a tendência da variação das energias de ionização dos elementos em uma tabela periódica, contudo existem casos que não seguem a esta tendência. Com base nesta afirmativa responda:
Esperava-se que a
energia de ionização do enxofre ( S ) fosse maior que a
energia de ionização do Fósforo §, entretanto é menor. Por que?
Esperava-se que a
Passo 1
O que o enunciado pede: explicar por que a primeira energia de ionização do elemento
é menor do que a do elemento
, apesar da tendência geral de aumento da energia de ionização ao percorrer um período da tabela periódica.
Informações relevantes dadas (implícitas no enunciado):
- A tendência típica: a primeira energia de ionização costuma aumentar ao mover-se da esquerda para a direita num mesmo período.
- Observação específica:
tem primeira energia de ionização maior que (anômalo em relação à expectativa). - Precisamos justificar fisicamente essa exceção usando informações que podemos obter das configurações eletrônicas e das interações entre elétrons e núcleo.
Passo 2
Conceitos fundamentais (explicados com calma)
- A primeira energia de ionização é a energia necessária para remover o elétron mais externo de um átomo no estado gasoso. Vou denoteá-la por
. - Dois efeitos que determinam
: - Atração nuclear efetiva: quanto maior a carga nuclear efetiva
sentida pelo elétron externo, mais fortemente ele é preso e maior . - Blindagem e repulsões eletrônicas: elétrons internos e elétrons no mesmo nível(es) reduzem a atração efetiva e, quando há emparelhamento, geram repulsão extra que facilita a remoção.
- Atração nuclear efetiva: quanto maior a carga nuclear efetiva
- Em termos simples:
cresce quando aumenta e diminui quando aumenta a blindagem ou a repulsão entre elétrons no mesmo orbital.
Passo 3
Mostrar as configurações eletrônicas e o que muda de
para
- Fósforo: configuração eletrônica externa
. - Enxofre: configuração eletrônica externa
.
Essas informações vêm diretamente das configurações eletrônicas padrão para os elementos do 3.º período.
Passo 4
Entender a distribuição dos elétrons no subnível
e o que isso implica
- O subnível
tem três orbitais disponíveis ( ). - Pelo princípio de Hund, ao preencher eletrons em orbitais degenerados, colocam-se primeiro os elétrons desemparelhados em orbitais separados com spins paralelos.
- Para
com : cada um dos três orbitais tem um elétron não pareado — subnível meio preenchido (meia-ocupação). - Para
com : um dos orbitais passa a ter dois elétrons (um pareado) e os outros dois continuam com um elétron cada.
Passo 5
Por que o emparelhamento em
reduz
comparado a
- Quando um orbital contém dois elétrons, esses elétrons se repelem mais entre si do que quando estão em orbitais separados. Essa repulsão eletrônica adicional aumenta a energia do elétron emparelhado (ou seja, torna-o menos fortemente ligado ao núcleo).
- Portanto, para
o elétron que vai ser removido na primeira ionização é frequentemente um elétron emparelhado em um orbital . Esse elétron sente maior repulsão de seu parceiro no mesmo orbital, o que facilita sua remoção. - Em contraste, em
todos os elétrons estão desemparelhados; não há essa repulsão extra de emparelhamento. Além disso, uma configuração (meio preenchida) é relativamente mais estável devido à máxima troca de spins (energia de troca), o que aumenta um pouco de .
Passo 6
Comparação objetiva dos efeitos
- Ao passar de
para a carga nuclear total aumenta em 1, o que tende a aumentar e, portanto, aumentar . - Porém, o efeito da nova repulsão eletrônica por emparelhamento ao adicionar o quarto elétron no subnível
reduz . - No caso específico de
versus o efeito de emparelhamento (aumento da repulsão eletrônica do elétron a ser removido) é maior do que o ganho em atração devido ao aumento de . Assim, o resultado líquido é .
Passo 7
Observações complementares e analogias para fixar a ideia
- Esse tipo de exceção à tendência é comum: por exemplo, ocorre também entre
e ( ) pelo mesmo motivo de emparelhamento em . - Resumo físico curto: estabilidade extra da configuração meio preenchida (
) e a repulsão entre elétrons emparelhados fazem com que seja mais fácil remover um elétron de do que de , apesar de ter um próton a mais.
Resposta
Porque a configuração eletrônica de
é
(subnível
meio preenchido e relativamente estável), enquanto
é
e tem um elétron emparelhado em um orbital
; a repulsão adicional entre os elétrons emparelhados em
diminui a energia necessária para remover um elétron, fazendo com que
.