(3,0 pontos - 15 minutos) Estrutura elétrônica (atômica e molecular) e propriedades.
(a) Faça a distribuição de Linus Pauling para os seguintes elementos e coloque em ordem crescente de primeira energia de ionização.
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(b) Assinale a alternativa correta (uma incorreta anula uma correta !).
Quais das seguintes subcamadas não podem existir em um átomo? ◯ 2d; 4d; 6f; ◯ 4g;
(a) Faça a distribuição de Linus Pauling para os seguintes elementos e coloque em ordem crescente de primeira energia de ionização.
(i)
(ii)
(iii)
(iv)
(v)
(b) Assinale a alternativa correta (uma incorreta anula uma correta !).
Quais das seguintes subcamadas não podem existir em um átomo? ◯ 2d; 4d; 6f; ◯ 4g;
Passo 1
O enunciado pede duas coisas:
- (a) Fazer a distribuição eletrônica segundo a regra de Linus Pauling (regra de Aufbau com critério
, com desempate pelo menor ) para os elementos dados e, com isso, colocar esses elementos em ordem crescente da primeira energia de ionização. - (b) Indicar quais das subcamadas listadas não podem existir num átomo:
, , , .
Os elementos fornecidos (pegando os números atômicos que aparecem no enunciado) são:
- (i)
— número atômico . - (ii)
— . - (iii)
— . - (iv)
— . - (v)
— .
Passo 2
Mini-aula sobre como montar a distribuição eletrônica (Regra de Pauling / Aufbau) — vou explicar devagar e com exemplos:
- Cada elétron num átomo é descrito por números quânticos:
(número quântico principal: camada), (azimutal: subcamada; é , é , é , é , é , …), e (não precisaremos detalhar aqui). - Princípios/ regras úteis:
- Pauli: cada orbital suporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
- Hund: em orbitais degenerados (mesma subcamada), colocar primeiro um elétron em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar.
- Aufbau (regra de Pauling): preencher orbitais em ordem crescente de
. Para empates em , preencher primeiro o orbital com menor .
- Relação letra
: , , , . - Ordem prática de preenchimento (para os orbitais mais usados):
(isso é consequência do critério ). - Vou aplicar essas regras para preencher elétrons até o
de cada átomo.
Passo 3
Distribuições eletrônicas passo a passo (contando elétrons um a um ou por blocos conforme a ordem acima).
-
Para
( ): - Preencher
com 2 elétrons: . - Resta 1 elétron → entra em
: . - Portanto:
- Preencher
-
Para
( ): -
(2 elétrons), (mais 2 elétrons) = 4 elétrons; resta 1 → . - Portanto:
-
-
Para
( ): -
(2), (2 → total 4), acomoda até 6; com mais 5 elétrons temos . - Portanto:
-
-
Para
( ): - Preenchendo por blocos:
(2), (2 → 4), (6 → 10), (2 → 12), recebe 4 → (total 16). - Forma abreviada:
. - Portanto:
- Preenchendo por blocos:
-
Para
( ): - Seguimos: até
temos os 18 elétrons que correspondem ao gás nobre . Os dois elétrons restantes entram em : . - Forma abreviada:
. - Portanto:
- Seguimos: até
Passo 4
Mini-aula sobre primeira energia de ionização (IE1) e como prever sua ordem:
- A primeira energia de ionização é a energia necessária para retirar o elétron mais fracamente ligado (valência) de um átomo no estado gasoso.
- Fatores que influenciam IE1:
- Carga nuclear efetiva
: quanto maior que o elétron de valência “vê”, mais fortemente ligado ele está → maior IE1. - Distância média do elétron ao núcleo (nivel
): elétrons em níveis mais altos ( maior) estão, em média, mais longe → IE1 menor. - Blindagem/efeito de elétrons internos: elétrons internos reduzem
sentido pelo elétron de valência. - Subcamada: elétrons em
estão geralmente mais penetrantes (ligados mais fortemente) que em , que por sua vez são mais ligados que , etc.
- Carga nuclear efetiva
- Tendências gerais na tabela periódica (para estimar comparações):
- A IE1 aumenta da esquerda para a direita numa mesma linha (igual
) porque aumenta. - A IE1 diminui de cima para baixo dentro de um mesmo grupo porque o elétron de valência está em camada com
maior (mais distante, mais blindado).
- A IE1 aumenta da esquerda para a direita numa mesma linha (igual
- Em casos mistos (elementos em diferentes períodos e grupos), comparar efeito de
e . Quando houver dúvida num caso concreto, valores experimentais confirmam a ordem.
Passo 5
Aplicando a teoria para ordenar os cinco elementos:
- Primeiro, recordando as configurações de valência:
-
→ elétron de valência em , elemento do grupo 1 (metal alcalino). -
→ valência em , é um elemento do grupo 13. -
→ valência em , grupo 16. -
→ valência em , halogênio, muito eletronegativo. -
→ valência em , metal alcalino-terroso, grupo 2.
-
- Comparações qualitativas:
- Entre átomos da mesma família, o de maior
tem menor IE1 (desce-se a família). Assim os do são mais afastados que os do , mas o número de prótons em é maior, o que aumenta . Para esse conjunto concreto, o valor experimental confirma a ordem relativa (vou citar os valores experimentais aproximados para fixar a intuição): -
- Usando a teoria: Li (álcalino, valência solta em
) tem a menor IE1 do grupo dado; F (halogênio pequeno e muito atraente) tem a maior IE1; os outros ficam entre esses extremos conforme e .
- Entre átomos da mesma família, o de maior
- Portanto a ordem crescente (menor → maior) de
para os cinco elementos é:
Passo 6
Explicação detalhada e curta sobre as comparações que podem confundir:
- Por que
apesar de estar numa camada com maior? Porque tem carga nuclear total muito maior (20 prótons) e seus elétrons internos não blindam totalmente o valente, resultando num sobre os elétrons que deixa a remoção desses elétrons um pouco mais custosa do que remover o elétron de . Em outras palavras, o aumento de carga nuclear vence (ainda) o aumento do raio quando comparamos esses dois casos. - Por que
? São tendências horizontais: indo para a direita na mesma linha ou para linhas próximas, aumenta e aumenta IE1; F é extremo (halogênio) com altíssima IE1.
Passo 7
Resposta do item (b) — regra sobre subcamadas que podem existir:
- Condição básica: para uma subcamada com letra correspondente a
existir, devemos ter (porque varia ). - Verificando cada opção:
-
: aqui e para temos . Mas precisa-se de , ou seja — isso é falso. Logo não existe. -
: , → é verdade. existe. -
: , → é verdade. existe. -
: , → requer , falso. Logo não existe.
-
- Conclusão: as subcamadas que não podem existir são
e .
Resposta
(a) Distribuições: (\mathrm{Li}:1s2,2s1;;\mathrm{B}:1s2,2s2,2p1;;\mathrm{F}:1s2,2s2,2p5;;\mathrm{S}:1s2,2s2,2p6,3s2,3p4;([\mathrm{Ne}],3s2,3p4);;\mathrm{Ca}:1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2;([\mathrm{Ar}],4s2).\ Ordem\ crescente\ de\ IE_1:\ \mathrm{Li} < \mathrm{Ca} < \mathrm{B} < \mathrm{S} < \mathrm{F}.
(b) Subcamadas que não podem existir:
e
.)