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 a energia de ionização vai aumentando da primeira para a segunda e assim sucessivamente?
Passo 1
O enunciado fornece os valores das energias de ionização sucessivas do alumínio (peguei estes números no enunciado) e pergunta por que a energia de ionização aumenta da primeira para a segunda e assim por diante. Os dados são:
A pergunta explícita é: por que os valores
crescem conforme removemos elétrons?
Passo 2
O que é “energia de ionização” (explicação didática e simples): a energia de ionização de ordem
é a energia mínima necessária para tirar um elétron de uma espécie química no estado gasoso, passando de carga
para
. Ou seja, é a energia para vencer a atração elétrica que o núcleo exerce sobre aquele elétron. Unidade usada no enunciado:
(energia por mol de átomos).
Passo 3
Ideia física básica por trás da atração elétron–núcleo (sem pular etapas):
- A força e a energia de ligação entre núcleo e elétron vêm da interação coulombiana entre cargas opostas.
- A forma simples da energia potencial coulombiana (entre uma carga
do núcleo e um elétron) é
onde
é a distância entre núcleo e elétron,
é uma constante e
é a carga do elétron. Essa fórmula mostra que, quanto menor
(elétron mais próximo do núcleo) e quanto maior a carga efetiva do núcleo
, mais negativa (mais forte) é a energia de ligação — ou seja, mais difícil é arrancar o elétron.
- Na prática, usamos o conceito de carga nuclear efetiva ): é a carga positiva “sentida” por um elétron depois de levar em conta o efeito de blindagem (shielding) dos outros elétrons. Quanto maior ), mais fortemente o elétron é atraído.
Passo 4
Por que a energia de ionização aumenta quando se remove elétrons (argumento passo a passo):
- Quando se tira o primeiro elétron, o átomo neutro passa a ter carga
. O núcleo continua com a mesma carga positiva, mas agora há menos elétrons para “bloquear” (fazer blindagem). Logo, ) sobre os elétrons restantes aumenta. - Com
) maior, os elétrons remanescentes ficam mais fortemente ligados (maior atração), e frequentemente a nuvem eletrônica contrai um pouco (elétrons passam a orbitar mais próximos ao núcleo), reduzindo
na fórmula coulombiana. - Como resultado, para arrancar o próximo elétron é preciso fornecer mais energia. Portanto, a segunda energia de ionização
costuma ser maior que ; a terceira é maior que ; e assim sucessivamente. - Em outras palavras: cada remoção aumenta a carga positiva da espécie e diminui a blindagem, fazendo a atração por núcleo ficar mais forte e a próxima remoção ser mais difícil.
Para dar uma fórmula aproximada (sem entrar em detalhes de orbitais complexos): em átomos “tipo hidrogenoide” a energia de ligação escala como
onde
é o nível principal. Isso mostra que um aumento em
leva a um aumento significativo na energia absoluta de ligação (logo, na energia de ionização necessária).
Passo 5
Aplicando essa ideia ao alumínio — olhando para a configuração eletrônica e para os números:
- A configuração eletrônica do alumínio neutro é
- Os três primeiros elétrons removidos (
) provinham das camadas de valência (nível : e ). Removê-los exige energia, mas são elétrons relativamente mais externos e menos fortemente ligados do que os do nível . - Após remover três elétrons chega-se a
com configuração
que é a mesma configuração eletrônica do gás nobre neônio (ou seja, um núcleo com uma camada de valência completa — um “núcleo cercado por um octeto”).
- Para tirar o quarto elétron (passar de
para ) é preciso arrancar um elétron de uma camada interna (nível : um elétron do subnível ), que está muito mais próximo do núcleo e tem muito maior atuando sobre ele. Isso exige muito mais energia.
Passo 6
Ligando com os números fornecidos (para ver a consistência):
- Observa-se um aumento gradual de
para e para , coerente com a maior atração ao se retirar elétrons de valência sucessivos. - O salto gigantesco entre
e ( versus ) confirma que a quarta remoção exige retirar um elétron ligado a uma camada interna (ou seja, romper uma camada eletrônica cheia). Esse tipo de salto é típico quando se passa de remover elétrons de valência para remover elétrons do “core” (camada interna) — a energia aumenta muito.
Passo 7
Observações finais e dica para prova (resumo prático que serve para aplicar a ideia em outros casos):
- Regra prática: as energias de ionização sucessivas sempre aumentam; saltos muito grandes indicam que se começou a remover elétrons de uma camada interna (ou seja, a espécie anterior tinha configuração de gás nobre / camada cheia).
- Então, quando vir uma sequência tipo
com um salto enorme em , isso sinaliza que o átomo tinha elétrons de valência (ou seja, foram removidos os elétrons externos até atingir uma configuração estável). - Na prova: identificar a configuração eletrônica do elemento e procurar grandes aumentos entre energias sucessivas é um caminho rápido e seguro para interpretar os dados.
Resposta
A energia de ionização aumenta sucessivamente porque, ao remover elétrons, a carga positiva da espécie fica maior e há menos blindagem eletrônica, de modo que os elétrons restantes ficam mais fortemente atraídos pelo núcleo (menor
efetivo e maior
); por isso é preciso mais energia para arrancar cada elétron seguinte. O salto enorme entre
e
ocorre porque, após remover três elétrons de valência,
tem configuração de gás nobre (
) e arrancar o quarto elétron exige remover um elétron de uma camada interna muito mais fortemente ligada, daí a energia muito maior.