São apresentados os valores das energias de ionização para o alumínio, sendo
e
, os valores para a primeira, segunda, terceira e quarta energia de ionização respectivamente. Com base nestes valores, responda:
Por que todas as energias de ionização são positivas?
Passo 1
O enunciado fornece as quatro primeiras energias de ionização do alumínio e pede para explicar por que todas elas são positivas. Os dados apresentados são:
-
para . -
para . -
para . -
para .
A pergunta a responder é: por que todas essas energias de ionização aparecem com sinal positivo?
Passo 2
O que é “energia de ionização” e qual o significado do sinal positivo?
- Energia de ionização é a energia necessária para remover um elétron de um átomo ou íon no estado gasoso, em cada etapa indicada.
- Em termos termodinâmicos, trata-se da variação de energia (ou entalpia) da reação química gasosa
. Quando escrevemos , isso significa que, para realizar a reação, é preciso fornecer por mol de átomos — ou seja, o processo é endotérmico. Portanto o sinal positivo indica que energia deve ser adicionada ao sistema para que a remoção do elétron ocorra.
Passo 3
Por que, fisicamente, é preciso fornecer energia para remover um elétron? (intuição e forças envolvidas)
- O elétron está ligado ao átomo porque existe uma atração eletrostática entre o núcleo (com carga positiva) e o elétron (carga negativa). Para separar o elétron e levá‑lo para o infinito (onde a interação com o núcleo é praticamente zero) é necessário vencer essa força de atração.
- Em linguagem de energia potencial elétrica (modelo coulombiano), a energia potencial de um elétron a uma distância
do núcleo com carga é aproximadamente
onde
é a constante eletrostática,
o número de carga efetiva do núcleo e
a carga elementar. Essa energia é negativa porque o elétron está em um estado ligado. Para levar o elétron até
(energia potencial zero) é preciso fornecer energia igual a
, que é um valor positivo. Portanto a remoção exige entrada de energia.
Passo 4
Exemplo concreto para fixar a ideia (átomo de hidrogênio)
- No hidrogênio o elétron ligado no nível fundamental tem energia total
(energia potencial mais cinética). Para remover esse elétron é preciso fornecer . Convertendo para unidades molares, por átomo equivale a aproximadamente . Ou seja: a energia de ionização do hidrogênio é positiva porque é preciso aplicar energia para vencer a atração núcleo‑elétron.
Passo 5
Por que as energias sucessivas aumentam (contexto adicional útil para a prova)?
- Depois de remover um elétron, o átomo fica mais positivo (por exemplo,
). Uma carga nuclear efetiva maior sobre os elétrons restantes prende esses elétrons mais fortemente. Assim, para tirar o próximo elétron é preciso ainda mais energia. Esse é o motivo geral da tendência . - No caso do alumínio, observa‑se um aumento gigantesco em
porque, após remover três elétrons, tem a configuração eletrônica do gás nobre ; o quarto elétron a ser removido sairá de uma camada interna muito estável, exigindo uma energia muito maior. Esse salto grande não contraria a explicação principal do sinal positivo, apenas mostra que estados mais ligados precisam de muito mais energia para remoção.
Passo 6
Resumo final e resposta direta (tome fôlego — você consegue!)
- Todas as energias de ionização são positivas porque remover um elétron é um processo endotérmico: é necessário fornecer energia para vencer a atração eletrostática entre o núcleo e o elétron ligado. Por isso a variação de energia associada à ionização aparece com sinal positivo.
Resposta
Porque remover um elétron exige fornecer energia para vencer a atração eletrostática núcleo‑elétron, ou seja, a ionização é endotérmica; por isso as energias de ionização aparecem com sinal positivo.