Questão 32. Escreva a configuração eletrônica completa para as espécies químicas abaixo e determine a carga nuclear efetiva para o elétron mais energético. A partir do valor de \mathrm{Z}_{\text {ef }} calculado, coloque-os em ordem crescente de energia de ionização e justifique.
a) S
b) Ni
c) Ca
Questão 33. 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 \mathrm{~d}\left(\mathrm{Lu}^{3+}\right. ate \left.\mathrm{Au}^{3+}\right).

Passo 1

No exercício 32 vamos (i) escrever a configuração eletrônica completa de \mathrm{S}, \mathrm{Ni} e \mathrm{Ca}; (ii) calcular a carga nuclear efetiva \mathrm{Z}_{\rm ef} do elétron mais energético usando as regras de blindagem de Slater; (iii) ordenar as espécies em ordem crescente de energia de ionização, lembrando que E_{\rm i}\uparrow quando \mathrm{Z}_{\rm ef}\uparrow.

Passo 2

Configurações eletrônicas completas (números atômicos: Z_{\mathrm{S}}=16, Z_{\mathrm{Ca}}=20, Z_{\mathrm{Ni}}=28):
\mathrm{S}:1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\mathrm{Ca}:1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2
\mathrm{Ni}:1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^8\,4s^2
O elétron mais energético em \mathrm{S} está em 3p, em \mathrm{Ca} e \mathrm{Ni} em 4s.

Passo 3

Aplicando Slater para \mathrm{S} Z=16, elétron em 3p:
– Elétrons no mesmo subnível: (4-1)\times0,35=3\times0,35=1,05.
– Elétrons em n=2 ( 2s,2p, total 8): 8\times0,85=6,80.
– Elétrons em n=1 (2 elétrons): 2\times1,00=2,00.
Escudo total S=1,05+6,80+2,00=9,85.
\mathrm{Z}_{\rm ef}(\mathrm{S})=16-9,85=6,15

Passo 4

Para \mathrm{Ca} Z=20, elétron em 4s:
– Mesmo subnível: (2-1)\times0,35=0,35.
– Elétrons em n=3 3s^2,3p^6, total 8): 8\times0,85=6,80.
– Elétrons em n\le2 (1s,2s,2p, total 10): 10\times1,00=10,00. S=0,35+6,80+10,00=17,15.
\mathrm{Z}_{\rm ef}(\mathrm{Ca})=20-17,15=2,85
Para \mathrm{Ni} ( Z=28, elétron em 4s:
– Mesmo subnível: (2-1)\times0,35=0,35.
– Elétrons em n=3 ( 3s^2,3p^6,3d^8, total 16): 16\times0,85=13,60.
– Elétrons em n\le2 (10 elétrons): 10\times1,00=10,00. S=0,35+13,60+10,00=23,95.
\mathrm{Z}_{\rm ef}(\mathrm{Ni})=28-23,95=4,05

Passo 5

Como maior \mathrm{Z}_{\rm ef} implica maior energia de ionização, temos
\mathrm{Z}_{\rm ef}(\mathrm{Ca})=2,85<\mathrm{Z}_{\rm ef}(\mathrm{Ni})=4,05<\mathrm{Z}_{\rm ef}(\mathrm{S})=6,15
logo a ordem crescente de E_{\rm i} é
\mathrm{Ca}<\mathrm{Ni}<\mathrm{S}.

Passo 6

No exercício 33 devemos explicar por que a série de íons metálicos trivalentes do 3 d (de \mathrm{Sc}^{3+} a \mathrm{Cu}^{3+}) sofre contração de raio de ~23 %, enquanto na série 5 d (de \mathrm{Lu}^{3+} a \mathrm{Au}^{3+}) a contração é só ~1 %.

Passo 7

O raio iônico diminui quando a carga nuclear efetiva percebida pelos elétrons aumenta e/ou quando a penetração do orbital é maior. Nos metais 3 d estamos subindo o número atômico dentro do mesmo nível principal n=3, adicionando prótons sem compensar bem com blindagem adicional, pois elétrons 3d blindam com pouca eficiência.

Passo 8

Na série 3 d cada passo no período acrescenta um próton no núcleo e um elétron no orbital 3d. Os elétrons 3d têm forma difusa e blindam mal. Isso eleva fortemente \mathrm{Z}_{\rm ef} dos elétrons do mesmo nível, puxando a nuvem eletrônica para mais perto do núcleo, resultando em contração de ~23 %.

Passo 9

Na série 5 d o aumento de prótons ocorre depois da sequência dos lantanídeos 4f que já provocou a contração de lantanídeos, reduzindo o raio de partida dos elementos 5 d. Além disso, os elétrons 5d penetram melhor e blindam de modo um pouco mais eficaz comparado aos 3d. O resultado líquido é uma variação de raio muito menor (~1 %).

Resposta

A contração maior em 3 d vem da fraca blindagem dos elétrons 3d ao longo do período, elevando muito \mathrm{Z}_{\rm ef}. Na série 5 d o efeito já foi parcialmente compensado pela contração dos lantanídeos 4f e pela melhor penetração/blindagem dos elétrons 5d, resultando em contração muito menor.

Exercícios relacionados