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}
Sabendo-se que os átomos podem perder elétrons para atingir uma configuração eletrônica estável (com oito elétrons no nível de valência), explique por que a variação entre energia de ionização \mathrm{El}_{3} e \mathrm{El}_{4} é mais acentuada que nas demais.
d) Você esperaria que a primeira energia de ionização do alumínio (
\mathrm{El}_{1}
) fosse maior ou menor que a primeira energia de ionização do sódio? Por que?

Passo 1

O enunciado dá as quatro primeiras energias de ionização do alumínio:
  • \mathrm{El}_1 = +580\\ \mathrm{kJ/mol}
  • \mathrm{El}_2 = +1815\\ \mathrm{kJ/mol}
  • \mathrm{El}_3 = +2740\\ \mathrm{kJ/mol}
  • \mathrm{El}_4 = +11600\\ \mathrm{kJ/mol}
As perguntas são:
  1. Por que a variação entre \mathrm{El}_3 e \mathrm{El}_4 é muito maior (mais acentuada) do que nas outras diferenças?
  2. (d) A primeira energia de ionização de \mathrm{Al} ( \mathrm{El}_1) seria maior ou menor que a primeira energia de ionização do sódio? Justifique.

Passo 2

Vamos escrever a configuração eletrônica do alumínio e ver quais elétrons estão sendo removidos em cada etapa. O alumínio neutro ( \mathrm{Al}, Z=13) tem configuração:
\mathrm{Al}:\\\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1.
Isto significa que os elétrons mais externos (de valência) estão no nível n=3: dois em 3s e um em 3p. Agora as remoções sucessivas são, em ordem:
  • \mathrm{El}_1: tira o elétron 3p^1 → sobra 3s^2.
  • \mathrm{El}_2: tira um elétron de 3s^2 → sobra 3s^1.
  • \mathrm{El}_3: tira o último elétron de 3s → resulta \mathrm{Al}^{3+} com configuração 1s^2\,2s^2\,2p^6.
  • \mathrm{El}_4: agora teria de tirar um elétron de uma camada interna, por exemplo de 2p, já que os níveis n=3 estão vazios.

Passo 3

Interpretando qualitativamente os valores:
  • \mathrm{El}_1=580\\ \mathrm{kJ/mol} é relativamente baixo porque removeu o elétron de valência 3p, que é o mais afastado e menos fortemente ligado.
  • \mathrm{El}_2=1815\\ \mathrm{kJ/mol} é maior porque, após remover o 3p, o próximo elétron removido está no 3s, que penetra mais perto do núcleo e sente maior atração do núcleo efetivo.
  • \mathrm{El}_3=2740\\ \mathrm{kJ/mol} é ainda maior: remover o último elétron de valência (o outro 3s) requer mais energia pois o íon fica mais positivamente carregado ( \mathrm{Al}^{2+}\to\mathrm{Al}^{3+}) e prende melhor os elétrons restantes.

Passo 4

Agora o ponto crucial: por que \mathrm{El}_4 salta para +11600\\ \mathrm{kJ/mol}? A razão física e química é a seguinte, explicada passo a passo:
  1. Depois de três remoções a espécie \mathrm{Al}^{3+} tem configuração
    \mathrm{Al}^{3+}:\\\ 1s^2\,2s^2\,2p^6,
    que é a configuração estável de gás nobre (mesma do néon), ou seja, um octeto completo na camada de valência (nível n=2).
  2. Remover um quarto elétron significa arrancar um elétron de uma camada interna (nível n=2), ou seja, destruir uma configuração de núcleo fechada — isso exige romper uma ligação muito forte entre elétron e núcleo.
  3. Em termos de atração coulombiana, quando existem mais prótons do que elétrons a serem repelidos, a atração efetiva sobre cada elétron aumenta muito. Além disso, elétrons de camada interna (menor n) têm maior penetração e menor blindagem, logo estão muito mais ligados ao núcleo.
  4. Por isso a energia necessária para retirar um elétron a partir de uma camada fechada interna é dramaticamente maior do que para remover elétrons de valência. Esse grande salto é um sinal clássico de que a espécie atingiu uma configuração estável (octeto) com as três primeiras remoções; a quarta exige energia muito maior porque atinge o “núcleo” protegido.
Resumindo em linguagem de prova: uma grande diferença entre duas energias de ionização consecutivas indica que, após a terceira ionização, alcançou‑se uma configuração eletrônica estável (gás nobre) e a remoção seguinte exige quebrar essa estrutura fortemente ligada.

Passo 5

Vou explicar com conceitos que são fáceis de aplicar em prova:
  • Conceito de núcleo efetivo ( Z_{\rm eff}): cada elétron percebe do núcleo uma carga efetiva menor que Z por causa do efeito de blindagem dos outros elétrons. Quanto maior Z_{\rm eff}, mais fortemente o elétron está ligado.
  • Penetração: orbitais s penetram mais e sentem maior atração do núcleo que orbitais p no mesmo nível principal, por isso geralmente 3s está mais ligado que 3p.
  • Camadas internas têm menores valores de n e assim um elétron em n=2 está muito mais próximo do núcleo do que um em n=3; portanto a energia de remoção é muito maior.
  • Regra prática para prova: procurar grandes saltos entre \mathrm{El}_k e \mathrm{El}_{k+1}. O maior salto indica que k elétrons foram removidos para alcançar uma configuração estável (por exemplo, octeto). No caso do alumínio, o grande salto entre \mathrm{El}_3 e \mathrm{El}_4 indica estabilidade após 3 elétrons removidos (formação de \mathrm{Al}^{3+} com configuração de gás nobre).

Passo 6

Agora respondo a (d) comparando \mathrm{El}_1 de \mathrm{Al} com a de \mathrm{Na}.
  1. Configurações: \mathrm{Na}:\\\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1,
\mathrm{Al}:\\\ 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1.
Ambos têm elétrons mais externos no nível n=3, mas o número de prótons difere: \mathrm{Na} tem Z=11 e \mathrm{Al} tem Z=13.
  1. Tendência periódica: ao mover da esquerda para a direita numa mesma linha da tabela periódica, a carga nuclear efetiva aumenta (mais prótons, blindagem não aumenta tanto), logo os elétrons de valência ficam mais fortemente ligados e a energia de ionização aumenta.
  2. Apesar de o elétron de valência do alumínio estar em 3p e o do sódio em 3s (e orbitais 3s penetrarem mais), o aumento de carga nuclear efetiva ao passar de Na para Al domina, resultando numa \mathrm{El}_1 para Al maior que a de Na.
  3. Valor prático (para referência, útil em prova): \mathrm{El}_1(\mathrm{Na})\approx 496\\ \mathrm{kJ/mol} e o enunciado dá \mathrm{El}_1(\mathrm{Al})=580\\ \mathrm{kJ/mol}, confirmando que \mathrm{El}_1(\mathrm{Al})>\mathrm{El}_1(\mathrm{Na}).

Passo 7

Dicas rápidas para prova (curtas e práticas):
  • Sempre escreva a configuração eletrônica e veja de qual orbital o elétron é removido.
  • Busque grandes saltos entre energias de ionização consecutivas para identificar quando se alcança uma configuração estável (isso indica o número provável de elétrons que o átomo perde com facilidade).
  • Lembre que atravessar um período aumenta \mathrm{El}_1 por aumento de Z_{\rm eff}; descer um grupo diminui \mathrm{El}_1 por aumento de n e blindagem.
  • Se precisar justificar numericamente, use a ideia qualitativa E_{\text{ligação}}\propto \dfrac{Z_{\rm eff}^2}{n^2}çã como argumento de ordem de grandeza (não como cálculo exato para átomos multieletrônicos).

Resposta

A diferença entre \mathrm{El}_3 e \mathrm{El}_4 é muito maior porque, após remover três elétrons o alumínio forma \mathrm{Al}^{3+} com configuração de gás nobre 1s^2\,2s^2\,2p^6 (octeto). Remover o quarto elétron implica arrancar um elétron de uma camada interna fechada (nível n=2), que está muito mais fortemente ligado ao núcleo, exigindo, portanto, energia muito maior.
Eu esperaria que \mathrm{El}_1(\mathrm{Al}) fosse maior que \mathrm{El}_1(\mathrm{Na}), porque ao mover-se da esquerda para a direita no mesmo período há aumento da carga nuclear efetiva ( Z_{\rm eff}), o que prende mais fortemente o elétron de valência; os valores típicos confirmam isso ( \mathrm{El}_1(\mathrm{Na})\approx 496\\ \mathrm{kJ/mol}, \mathrm{El}_1(\mathrm{Al})\approx 580\\ \mathrm{kJ/mol}).

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