Questão 16. Proponha uma explicação para o fato de haver uma contração de aproximadamente 23 \% no raio dos íons metálicos \left(\mathrm{M}^{3+}\right) do período 3 d\left(\mathrm{Sc}^{3+}\right. até o \left.\mathrm{Cu}^{3+}\right) mas somente de 1 \% na série 5 d\left(\mathrm{Lu}^{3+}\right. ate \mathrm{Au}^{3+} ).

Passo 1

O enunciado pede para explicar por que ao percorrer a série de cátions 3d de \mathrm{Sc}^{3+} até \mathrm{Cu}^{3+} observa‐se uma contração de raio iônico de aproximadamente 23\%, enquanto na série 5d de \mathrm{Lu}^{3+} até \mathrm{Au}^{3+} a contração é de apenas 1\%. O conteúdo envolvido inclui o conceito de carga nuclear efetiva Z_{\rm eff}, o poder de blindagem dos elétrons d e o efeito da contração dos lantanídeos sobre a série 5d.

Passo 2

A magnitude do raio iônico de um cátion \mathrm{M}^{3+} é determinada pela atração que os elétrons externos sentem do núcleo, ou seja, pela carga nuclear efetiva
Z_{\rm eff}=Z-S
onde Z é o número atômico e S é o parâmetro de blindagem pelos elétrons internos. Elétrons em orbitais d blindam mal a carga nuclear, portanto, à medida que Z aumenta numa série de metal de transição, Z_{\rm eff} cresce e o raio iônico diminui — é a chamada “contração de série”.

Passo 3

Na série 3d, começamos em \mathrm{Sc}^{3+} (eletronicamente [\mathrm{Ar}]) e terminamos em \mathrm{Cu}^{3+}. Como os elétrons vão sendo adicionados em orbitais 3d que blindam mal, a variação de Z_{\rm eff} entre o íon inicial e o final é grande, gerando uma contração de raio de cerca de
\frac{r(\mathrm{Sc}^{3+}) - r(\mathrm{Cu}^{3+})}{r(\mathrm{Sc}^{3+})}\approx23\%.

Passo 4

Na série 5d, o estado inicial \mathrm{Lu}^{3+} já sofre a chamada contração dos lantanídeos, pois antes dele o preenchimento dos orbitais 4f (que blindam muito mal) reduz fortemente o raio atômico. Assim, em \mathrm{Lu}^{3+} a carga efetiva sentida pelos elétrons 5d já é elevada. Ao percorrer até \mathrm{Au}^{3+}, embora se adicionem prótons no núcleo, parte grande do aumento de Z já está “compensado” pelo efeito prévio dos 4f, e os elétrons 5d blindam um pouco melhor que os 3d. O resultado é uma variação muito menor de Z_{\rm eff} e, portanto, só cerca de 1\%
de contração na série 5d.

Resposta

A diferença de contração \sim23\% em 3d versus \sim1\% em 5d decorre de (1) nos 3d o acréscimo de elétrons em orbitais que blindam mal e, portanto, grande aumento de Z_{\rm eff}, e (2) na série 5d o raio já está pré‐reduzido pela contração dos lantanídeos e os elétrons 5d blindam melhor, levando a uma variação de Z_{\rm eff} muito menor.

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