Questão 3. O que é carga nuclear efetiva (Zef) e como ela difere da carga nuclear real (Z)?

Passo 1

O enunciado pede duas coisas claras:
  • Definir o que é a carga nuclear efetiva, isto é, o que se entende por \,Z_{\text{ef}}\,.
  • Explicar em que ela difere da carga nuclear real, isto é, do número atômico \,Z\,.
Não há outros dados numéricos fornecidos — é uma pergunta conceitual.

Passo 2

Resposta conceitual direta e fórmula usada em muitas aproximações:
Z_{\text{ef}} = Z - S.
Aqui:
  • \,Z\, é a carga nuclear real (o número de prótons no núcleo).
  • \,S\, é a constante de blindagem (shielding), que representa a soma da “proteção” que os outros elétrons fazem contra a atração do núcleo sobre o elétron em questão.
    Explicando em palavras: \,Z_{\text{ef}}\, é a carga positiva líquida que um elétron “sente” efetivamente depois de se levar em conta que os demais elétrons bloqueiam parte da atração nuclear.

Passo 3

Intuição física (passo a passo, sem fórmulas pesadas):
  • O núcleo puxa todos os elétrons com força proporcional a \,Z\,, mas elétrons mais internos ficam entre o núcleo e um elétron externo e reduzem essa atração. Isso é o “efeito de blindagem”.
  • Um elétron externo não “vê” a carga total \,Z\,, ele vê algo menor: \,Z_{\text{ef}}\,.
  • Elétrons em camadas mais internas blindam mais (contribuem mais para \,S\,) do que elétrons na mesma camada.
  • Orbitais com maior penetração (por exemplo orbital s) “sentem” mais a carga nuclear porque penetraram mais perto do núcleo, então o valor de \,Z_{\text{ef}}\, depende do orbital.

Passo 4

Como estimar \,S\, na prática (regras de Slater) — procedimento útil para a prova:
  • Escrever a configuração eletrônica agrupando por níveis: (1s)\,(2s,2p)\,(3s,3p)\,(3d), etc.
  • Escolher o elétron de interesse.
  • Somar as contribuições ao \,S\, assim:
    • Elétrons à direita (com maior energia/mesma camada mais externa) não contribuem.
    • Elétrons do mesmo grupo (mesmo n, ex.: outros 2s/ 2p para um elétron 2p) contribuem com \,0,35\, cada um (exceto para elétrons 1s, onde a regra específica é diferente).
    • Elétrons no nível n-1 contribuem com \,0,85\, cada.
    • Elétrons em níveis \le n-2 contribuem com \,1,00\, cada.
  • Depois calcular \,Z_{\text{ef}} = Z - S\,.
    Observação: as constantes \,0,35, \,0,85, \,1,00 são aproximações empíricas (Slater). Existem outros esquemas mais sofisticados, mas essa é rápida e aceitável para provas introdutórias.

Passo 5

Exemplo prático 1 — eletron valência do sódio ( \mathrm{Na}, \,Z=11\,):
  • Configuração: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1.
  • Queremos \,Z_{\text{ef}}\, sentido pelo elétron 3s.
  • Aplicando Slater:
    • Elétrons na mesma camada ( 3s,3p): não há outros elétrons além do próprio, então contribuição = 0.
    • Elétrons em n-1=2 (ou seja 2s^2 2p^6): são 8 elétrons, cada um contribui com \,0,85\, 8 \times 0,85 = 6,8.
    • Elétrons em níveis n-2 ou menores (aqui 1s^2): 2 elétrons com contribuição \,1,00\, 2 \times 1,00 = 2,0.
    • Assim S = 6,8 + 2,0 = 8,8.
  • Portanto Z_{\text{ef}} = Z - S = 11 - 8,8 = 2,2.
Interpretação: o elétron 3s do sódio sente aproximadamente uma carga efetiva de +2,2, bem menor que a carga nuclear real +11.

Passo 6

Exemplo prático 2 — elétron 2p do oxigênio ( \mathrm{O}, \,Z=8\,):
  • Configuração: 1s^2\,2s^2\,2p^4.
  • Para um elétron 2p:
    • Outros elétrons no mesmo grupo ( 2s,2p): há 5 outros elétrons → 5 \times 0,35 = 1,75.
    • Elétrons em n-1=1 (ou seja 1s^2): 2 \times 0,85 = 1,70.
    • Não há níveis n-2 ou menores além de 1s.
    • Assim S = 1,75 + 1,70 = 3,45.
  • Então Z_{\text{ef}} = 8 - 3,45 = 4,55.
Interpretação: cada elétron 2p do oxigênio sente uma atração líquida por volta de +4,55, muito menor que +8.

Passo 7

Consequências práticas e tendências periódicas (o que usar na prova para interpretar resultados):
  • Aumentando-se ao longo de um período (esquerda → direita): \,Z\, aumenta, mas \,S\, aumenta pouco, então \,Z_{\text{ef}}\, aumenta. Resultado: raios atômicos diminuem, energias de ionização aumentam.
  • Descendo um grupo: \,Z\, aumenta, mas \,S\, aumenta bastante (novas camadas internas), então \,Z_{\text{ef}}\, aumenta pouco; elétrons externos ficam menos fortemente presos (maior raio).
  • Orbitais com maior penetração (ex.: s) têm \,Z_{\text{ef}}\, maior que orbitais p,d,f do mesmo nível, porque penetram mais perto do núcleo e “sentem” menos blindagem.
  • Propriedades químicas como eletronegatividade, afinidade eletrônica e energia de ionização correlacionam-se com \,Z_{\text{ef}}\,.

Passo 8

Limitações e observações finais úteis para a prova:
  • \,Z_{\text{ef}}\, é uma aproximação — não é uma constante absoluta do átomo; depende de qual elétron (orbital) está sendo considerado e, em tratamentos mais precisos, varia com a distância do elétron ao núcleo.
  • Regras de Slater dão um valor aproximado rápido; métodos ab initio (Hartree–Fock, DFT) calculam a distribuição eletrônica e produzem valores mais precisos de carga efetiva.
  • Em química qualitativa e em provas, basta entender a ideia, usar \,Z_{\text{ef}}=Z-S\, e aplicar uma regra de estimativa (como Slater) para números rápidos.

Resposta

\,Z_{\text{ef}}\, é a carga nuclear efetiva, ou seja, a carga positiva líquida que um elétron sente do núcleo depois de considerar a blindagem dos outros elétrons; é frequentemente estimada por \,Z_{\text{ef}}=Z-S, onde \,S\, é a constante de blindagem. \,Z\, é a carga nuclear real (o número de prótons) e não leva em conta a redução da atração causada pelos outros elétrons; portanto \,Z_{\text{ef}}\, é tipicamente muito menor que \,Z\, e depende do elétron (orbital) considerado.

Exercícios relacionados