Qual dos seguintes ions metálicos possui a configuração 3 d^{5} para o nivel de valència?
a) \mathrm{Fe}^{2+} b) \mathrm{Cr}^{3+} c) \mathrm{Co}^{3+} d) \mathrm{Mn}^{2+} e) \mathrm{Ca}^{2+}, justifique a sua resposta e também faça o cálculo da carga nuclear efetiva.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas: identificar qual íon metálico entre as alternativas tem configuração de nível de valência \,3d^{5}\, e justificar essa escolha; e calcular a carga nuclear efetiva ( \,Z_{\text{eff}}\,). As alternativas são:
\mathrm{Fe}^{2+},\\ \mathrm{Cr}^{3+},\\ \mathrm{Co}^{3+},\\ \mathrm{Mn}^{2+},\\ \mathrm{Ca}^{2+}.
Dados relevantes que recebemos do enunciado: a lista dos íons candidatos. Não há figura nem outra tabela; tudo que precisamos deduzir vem das configurações eletrônicas dos átomos neutros e da regra de remoção de elétrons ao formar cátions.

Passo 2

Vamos recordar regras práticas essenciais (explicadas passo a passo para usar na prova):
  • A configuração de um átomo neutro segue o princípio de Aufbau: vamos preenchendo orbitais em ordem crescente de energia (por exemplo, 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,\dots). Em muitos elementos de transição há exceções (p.ex. Cr e Cu), que têm configurações estabilizadas com um elétron em 4s a menos.
  • Ao formar cátions dos elementos de transição, os elétrons de 4s são removidos antes dos elétrons de 3d. Isso porque, depois de preenchidos, os orbitais 3d ficam com energia menor que 4s e os elétrons mais externos que saem primeiro são os do nível com maior energia efetiva (o 4s).
  • Estratégia prática na prova: escreva a configuração do átomo neutro (lembrando as exceções), depois retire o número apropriado de elétrons começando por 4s e só depois por 3d.

Passo 3

Vamos obter a configuração dos íons candidatos usando as regras acima. Para cada elemento, primeiro a configuração do átomo neutro (após o gás nobre [Ar]) e depois removemos elétrons:
  • Ferro, \mathrm{Fe} ( Z=26):
    \mathrm{Fe}\\ (\text{neutro}):\\ [Ar]\\\ 4s^{2}\\\ 3d^{6}.
    Removendo 2 elétrons para formar \mathrm{Fe}^{2+} retira-se primeiro o 4s^{2}:
    \mathrm{Fe}^{2+}:\\ [Ar]\\\ 3d^{6}.
    Então \mathrm{Fe}^{2+} tem 3d^{6}, não 3d^{5}.
  • Cromo, \mathrm{Cr} ( Z=24) — lembrando a exceção:
    \mathrm{Cr}\\ (\text{neutro}):\\ [Ar]\\\ 4s^{1}\\\ 3d^{5}.
    Para \mathrm{Cr}^{3+} removemos 3 elétrons: primeiro o 4s^{1} (1 elétron) e depois mais 2 do 3d:
    \mathrm{Cr}^{3+}:\\ [Ar]\\\ 3d^{3}.
    Logo \mathrm{Cr}^{3+} é 3d^{3}, não 3d^{5}.
  • Cobalto, \mathrm{Co} ( Z=27):
    \mathrm{Co}\\ (\text{neutro}):\\ [Ar]\\\ 4s^{2}\\\ 3d^{7}.
    Para \mathrm{Co}^{3+} removemos dois elétrons do 4s e mais um do 3d:
    \mathrm{Co}^{3+}:\\ [Ar]\\\ 3d^{6}.
    Portanto \mathrm{Co}^{3+} é 3d^{6}.
  • Manganês, \mathrm{Mn} ( Z=25):
    \mathrm{Mn}\\ (\text{neutro}):\\ [Ar]\\\ 4s^{2}\\\ 3d^{5}.
    Para \mathrm{Mn}^{2+} removemos os dois elétrons 4s^{2}:
    \mathrm{Mn}^{2+}:\\ [Ar]\\\ 3d^{5}.
    Assim \mathrm{Mn}^{2+} fica exatamente com 3d^{5}.
  • Cálcio, \mathrm{Ca} ( Z=20):
    \mathrm{Ca}\\ (\text{neutro}):\\ [Ar]\\\ 4s^{2}.
    Para \mathrm{Ca}^{2+} remove-se 4s^{2} e resta [Ar], sem elétrons 3d.

Passo 4

Conclusão da identificação (justificativa clara para a prova):
  • Apenas \mathrm{Mn}^{2+} resulta em configuração de valência \,3d^{5}, porque o átomo neutro de manganês já tem [Ar]\\\ 4s^{2}\\\ 3d^{5} e, ao formar o cátion 2+, os dois elétrons do 4s são removidos, deixando 3d^{5}.
  • As outras alternativas dão, respectivamente, 3d^{6} ( \mathrm{Fe}^{2+}), 3d^{3} ( \mathrm{Cr}^{3+}), 3d^{6} ( \mathrm{Co}^{3+}) e nenhuma configuração 3d para \mathrm{Ca}^{2+}.

Passo 5

Agora vamos calcular a carga nuclear efetiva \,Z_{\text{eff}}\, para um elétron 3d em \mathrm{Mn}^{2+}. Vou usar as Regras de Slater (procedimento que você pode aplicar na prova):
  • Passo da regra: escreva a configuração eletrônica completa do íon e conte quantos elétrons contribuem para a blindagem (shielding) segundo as regras:
    • Para elétrons em orbitais d ou f: cada outro elétron no mesmo grupo nd contribui com 0{,}35.
    • Cada elétron em níveis com número quântico principal menor (todas as camadas internas, como 1s,2s,2p,3s,3p para um elétron 3d) contribui com 1{,}00.
  • A carga nuclear efetiva é Z_{\text{eff}} = Z - S,onde Z é o número atômico (carga real do núcleo) e S é a blindagem total calculada.

Passo 6

Aplicando Slater a \mathrm{Mn}^{2+}:
  • Número atômico de Mn: Z=25.
  • Configuração eletrônica de \mathrm{Mn}^{2+} (já feita antes): \mathrm{Mn}^{2+}:\\\ 1s^{2}\\\ 2s^{2}\\\ 2p^{6}\\\ 3s^{2}\\\ 3p^{6}\\\ 3d^{5}.Total de elétrons = 23 (confere: 2+2+6+2+6+5=23).
  • Para um elétron 3d, contribuição à blindagem:
    • Outros elétrons 3d: há 4 outros elétrons 3d (porque o elétron que consideramos é um entre os 5), cada um contribui com 0{,}35: S_{\text{mesmo }3d}=4\times 0{,}35 = 1{,}40.
    • Elétrons em camadas internas ( 1s,2s,2p,3s,3p): são 2+2+6+2+6 = 18 elétrons, cada um com contribuição 1{,}00: S_{\text{internos}}=18\times 1{,}00 = 18{,}00.
    • Blindagem total: S = 1{,}40 + 18{,}00 = 19{,}40.
  • Portanto a carga nuclear efetiva é Z_{\text{eff}} = Z - S = 25 - 19{,}40 = 5{,}60.
Interpretação rápida: cada elétron 3d em \mathrm{Mn}^{2+} “vê” efetivamente uma carga nuclear positiva de aproximadamente \,5{,}6\, unidades após considerar o efeito de blindagem dos demais elétrons.

Passo 7

Resumo final e incentivo: concluímos que a alternativa correta é a que deixa \,3d^{5} na valência e que, aplicando as Regras de Slater, a carga nuclear efetiva para um elétron 3d em \mathrm{Mn}^{2+} é aproximadamente \,5{,}6. Você está indo bem — esse tipo de exercício é mecânico depois que você pratica a ordem de preenchimento e a remoção de elétrons; treine mais alguns exemplos e fica mais rápido na prova!

Resposta

d) \mathrm{Mn}^{2+}
\;Z_{\text{eff}}(\text{elétron }3d\text{ em }\mathrm{Mn}^{2+})=5{,}6é

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