Questão 10. Como o tamanho de um átomo é afetado quando ele forma um cátion ou um ânion? Justifique com base nos conceitos de repulsão elétron-elétron e Zef.

Passo 1

O que o enunciado pede:
  • Explicar como o tamanho (raio) de um átomo muda quando ele forma um cátion ou um ânion.
  • Justificar essa mudança usando os conceitos de repulsão elétron–elétron e de Z_{\text{eff}}.
Informações relevantes fornecidas (implícitas no enunciado):
  • Forma-se um cátion quando um átomo perde elétrons.
  • Forma-se um ânion quando um átomo ganha elétrons.
  • Deve-se relacionar essas mudanças com repulsões entre elétrons e com o conceito de carga nuclear efetiva Z_{\text{eff}}.

Passo 2

O que entendemos por “tamanho do átomo” (breve aula):
  • O “tamanho” costuma ser medido por raio atômico ou raio iônico. Esses raios são medidas convencionais do quão longe, em média, estão os elétrons mais externos do núcleo.
  • Em termos práticos de prova, pensar em “maior” ou “menor” significa: os elétrons de valência ficam, em média, mais afastados ou mais próximos do núcleo.

Passo 3

O que acontece quando o átomo perde ou ganha elétrons (definição e consequência imediata):
  • Cátion: perda de um ou mais elétrons. O número de prótons Z no núcleo não muda, mas o número de elétrons diminui.
  • Ânion: ganho de um ou mais elétrons. O número de prótons Z não muda, mas o número de elétrons aumenta.
  • Essas mudanças no número de elétrons alteram a distribuição eletrônica e, portanto, as forças elétricas que mantêm os elétrons a certas distâncias do núcleo.

Passo 4

Conceito de carga nuclear efetiva Z_{\text{eff}} (mini-aula com fórmula):
  • A carga nuclear efetiva é uma maneira de quantificar a atração média que o núcleo exerce sobre um elétron externo, levando em conta o blindamento por outros elétrons.
  • Uma fórmula simples e útil para raciocínio qualitativo é
Z_{\text{eff}} = Z - S,
onde:
  • Z é a carga nuclear total (número de prótons),
  • S é a constante de blindagem (screening) que representa quanto os outros elétrons “bloqueiam” a atração do núcleo.
  • Interpretação: maior Z_{\text{eff}} significa que cada elétron sente uma atração nuclear líquida maior e, portanto, tende a ficar mais próximo do núcleo; menor Z_{\text{eff}} significa atração líquida menor e elétrons mais afastados.

Passo 5

Repulsão elétron–elétron (mini-aula e efeito físico):
  • Elétrons têm cargas negativas; portanto, entre si há repulsão coulombiana. Quanto mais elétrons houver no mesmo átomo (especialmente na mesma camada), maior a tendência deles a se afastarem uns dos outros por essa repulsão.
  • A repulsão elétron–elétron “expande” a nuvem eletrônica: adicionando elétrons, essas repulsões aumentam e empurram os elétrons para mais longe do núcleo; removendo elétrons, essas repulsões diminuem e a nuvem pode contrair.

Passo 6

Juntando Z_{\text{eff}} e repulsão para entender o efeito sobre o raio
  • Ao formar um cátion:
    • O número de elétrons diminui (mesmo Z), então geralmente S diminui ou deixa de ter elétrons que contribuíam fortemente para repulsão. Assim, Z_{\text{eff}} por elétron aumenta (porque Z é o mesmo e S caiu), e a repulsão elétron–elétron também diminui.
    • Resultado físico: os elétrons remanescentes sentem maior atração líquida para o núcleo e menos empurrão de outros elétrons, de modo que a nuvem eletrônica encolhe.
  • Ao formar um ânion:
    • O número de elétrons aumenta (mesmo Z), então S efetivo por elétron aumenta e a atração líquida média Z_{\text{eff}} por elétron diminui, enquanto as repulsões elétron–elétron aumentam.
    • Resultado físico: os elétrons sentem menor atração líquida e mais empuxo dos outros elétrons, de modo que a nuvem eletrônica se expande.

Passo 7

Exemplo prático (isoelectrônicos) para fixar a ideia
  • Considere a série isoelectrônica com 10 elétrons: \mathrm{O}^{2-},\; \mathrm{F}^{-},\; \mathrm{Ne},\; \mathrm{Na}^{+},\; \mathrm{Mg}^{2+}.
  • Nessa série o número de elétrons é igual para todos; a diferença é Z. Números de prótons: Z(\mathrm{O})=8,\; Z(\mathrm{F})=9,\; Z(\mathrm{Ne})=10,\; Z(\mathrm{Na})=11,\; Z(\mathrm{Mg})=12.
  • Como Z aumenta ao longo da série, Z_{\text{eff}} aumenta e a atração sobre os mesmos 10 elétrons fica maior, portanto os raios diminuem. A ordem de raios (do maior para o menor) é:
r(\mathrm{O}^{2-}) > r(\mathrm{F}^{-}) > r(\mathrm{Ne}) > r(\mathrm{Na}^{+}) > r(\mathrm{Mg}^{2+}).
  • Esse exemplo ilustra bem que, para o mesmo número de elétrons, mais prótons (maior Z) implicam menor raio; e, quando se adiciona elétrons (ânion) a um átomo com mesmo Z, o efeito é o oposto.

Passo 8

Dicas rápidas para a prova (como raciocinar em pouco tempo)
  • Verifique se o átomo perdeu ou ganhou elétrons:
    • Perdeu → pensar em redução de repulsão + aumento de Z_{\text{eff}} → nuvem encolhe.
    • Ganhou → pensar em aumento de repulsão + redução de Z_{\text{eff}} por elétron → nuvem expande.
  • Atenção a casos em que se remove uma camada inteira de valência (ex.: \mathrm{Na} \mathrm{Na}^{+}): aí a diminuição do raio costuma ser especialmente grande porque se perde uma camada eletrônica inteira.
  • Use a ideia de séries isoeletrônicas quando for comparar íons com mesmo número de elétrons: maior carga nuclear → menor raio.

Resposta

Ao formar um cátion: o tamanho diminui.
Ao formar um ânion: o tamanho aumenta.

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