São apresentados os valores das energias de ionização para o alumínio, sendo \mathrm{El}_{1}, \mathrm{El}_{2}, \mathrm{El}_{3} e \mathrm{El}_{4}, os valores para a primeira, segunda, terceira e quarta energia de ionização respectivamente. Com base nestes valores, responda:
\begin{array}{ll} \mathrm{Al} \longrightarrow \mathrm{Al}^{+}+\mathrm{e}^{-} & \mathrm{El}_{1}=+580 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol} \\\ \mathrm{Al}^{+} \longrightarrow \mathrm{Al}^{+2}+\mathrm{e}^{-} & \mathrm{El}_{2}=+1815 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol} \\\ \mathrm{Al}^{+2} \longrightarrow \mathrm{Al}^{+3}+\mathrm{e}^{-} & \mathrm{El}_{3}=+2740 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol} \\\ \mathrm{Al}^{+3} \longrightarrow \mathrm{Al}^{+4}+\mathrm{e}^{-} & \mathrm{El}_{4}=+11600 \mathrm{~kJ} / \mathrm{mol} \end{array}
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:
\begin{aligned} \mathrm{Al} &\longrightarrow \mathrm{Al}^{+} + \mathrm{e}^- & \quad & \mathrm{El}_1 = +580\\ \mathrm{kJ/mol} \\\ \mathrm{Al}^{+} &\longrightarrow \mathrm{Al}^{2+} + \mathrm{e}^- & \quad & \mathrm{El}_2 = +1815\\ \mathrm{kJ/mol} \\\ \mathrm{Al}^{2+} &\longrightarrow \mathrm{Al}^{3+} + \mathrm{e}^- & \quad & \mathrm{El}_3 = +2740\\ \mathrm{kJ/mol} \\\ \mathrm{Al}^{3+} &\longrightarrow \mathrm{Al}^{4+} + \mathrm{e}^- & \quad & \mathrm{El}_4 = +11600\\ \mathrm{kJ/mol} \end{aligned}
A pergunta explícita é: por que os valores \mathrm{El}_1,\mathrm{El}_2,\mathrm{El}_3,\mathrm{El}_4 crescem conforme removemos elétrons?

Passo 2

O que é “energia de ionização” (explicação didática e simples): a energia de ionização de ordem n é a energia mínima necessária para tirar um elétron de uma espécie química no estado gasoso, passando de carga +(n-1) para +n. Ou seja, é a energia para vencer a atração elétrica que o núcleo exerce sobre aquele elétron. Unidade usada no enunciado: \mathrm{kJ/mol} (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 Q do núcleo e um elétron) é
U(r) = -\frac{k\,Q\,e}{r},
onde r é a distância entre núcleo e elétron, k é uma constante e e é a carga do elétron. Essa fórmula mostra que, quanto menor r (elétron mais próximo do núcleo) e quanto maior a carga efetiva do núcleo Q, 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 \(Z_{\text{efetivo}}): é a carga positiva “sentida” por um elétron depois de levar em conta o efeito de blindagem (shielding) dos outros elétrons. Quanto maior \(Z_{\text{efetivo}}), mais fortemente o elétron é atraído.

Passo 4

Por que a energia de ionização aumenta quando se remove elétrons (argumento passo a passo):
  1. Quando se tira o primeiro elétron, o átomo neutro passa a ter carga +1. O núcleo continua com a mesma carga positiva, mas agora há menos elétrons para “bloquear” (fazer blindagem). Logo, \(Z_{\text{efetivo}}) sobre os elétrons restantes aumenta.
  2. Com \(Z_{\text{efetivo}}) 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 r na fórmula coulombiana.
  3. Como resultado, para arrancar o próximo elétron é preciso fornecer mais energia. Portanto, a segunda energia de ionização \mathrm{El}_2 costuma ser maior que \mathrm{El}_1; a terceira \mathrm{El}_3 é maior que \mathrm{El}_2; e assim sucessivamente.
  4. 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
E_n \propto -\frac{Z_{\text{efetivo}}^2}{n^2},
onde n é o nível principal. Isso mostra que um aumento em Z_{\text{efetivo}} 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
\mathrm{Al}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1.
  • Os três primeiros elétrons removidos ( \mathrm{El}_1,\mathrm{El}_2,\mathrm{El}_3) provinham das camadas de valência (nível n=3: 3p e 3s). Removê-los exige energia, mas são elétrons relativamente mais externos e menos fortemente ligados do que os do nível n=2.
  • Após remover três elétrons chega-se a \mathrm{Al}^{3+} com configuração
\mathrm{Al}^{3+}: 1s^2\,2s^2\,2p^6,
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 \mathrm{Al}^{3+} para \mathrm{Al}^{4+}) é preciso arrancar um elétron de uma camada interna (nível n=2: um elétron do subnível 2p), que está muito mais próximo do núcleo e tem muito maior Z_{\text{efetivo}} atuando sobre ele. Isso exige muito mais energia.

Passo 6

Ligando com os números fornecidos (para ver a consistência):
\mathrm{El}_1 = 580\\ \mathrm{kJ/mol},\quad \mathrm{El}_2 = 1815\\ \mathrm{kJ/mol},\quad \mathrm{El}_3 = 2740\\ \mathrm{kJ/mol},\quad \mathrm{El}_4 = 11600\\ \mathrm{kJ/mol}.
  • Observa-se um aumento gradual de \mathrm{El}_1 para \mathrm{El}_2 e para \mathrm{El}_3, coerente com a maior atração ao se retirar elétrons de valência sucessivos.
  • O salto gigantesco entre \mathrm{El}_3 e \mathrm{El}_4 ( 11600 versus 2740\\ \mathrm{kJ/mol}) 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 E_1, E_2, \dots com um salto enorme em E_{n+1}, isso sinaliza que o átomo tinha n 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 r efetivo e maior Z_{\text{efetivo}}); por isso é preciso mais energia para arrancar cada elétron seguinte. O salto enorme entre \mathrm{El}_3 e \mathrm{El}_4 ocorre porque, após remover três elétrons de valência, \mathrm{Al}^{3+} tem configuração de gás nobre ( 1s^2\,2s^2\,2p^6) e arrancar o quarto elétron exige remover um elétron de uma camada interna muito mais fortemente ligada, daí a energia muito maior.

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