6- A tabela mostra as energias de ionização sucessivas (em kJ/mol) de um elemento desconhecido X :
Energia de lonização Valor (kJ/mol)
1^{\underline{\mathbf{a}}} 578
2^{\underline{\mathbf{a}}} 1817
3^{\underline{\mathbf{a}}} 2745
4^{\underline{\mathbf{a}}} 11600
5^{\underline{\mathbf{a}}} 14800
a) O que é a energia de ionização? Esse processo é endotérmico ou exotérmico?
b) Identifique o grande salto de energia e explique seu motivo.
c) Quantos elétrons estão na camada de valência do elemento X ? Justifique sua resposta analisando os saltos nas energias de ionização.

Passo 1

O enunciado nos dá as energias de ionização sucessivas (valores em \text{kJ mol}^{-1}) do elemento X:
\mathrm{IE}_1 = 578,\qquad \mathrm{IE}_2 = 1817,\qquad \mathrm{IE}_3 = 2745,\qquad \mathrm{IE}_4 = 11600,\qquad \mathrm{IE}_5 = 14800.
O que é pedido:
a) Definir o que é energia de ionização e dizer se o processo é endotérmico ou exotérmico.
b) Identificar o grande salto de energia e explicar o motivo desse salto.
c) Determinar quantos elétrons estão na camada de valência de X, justificando pela análise dos saltos nas energias de ionização.

Passo 2

O que é energia de ionização (definição e equação):
  • Energia de ionização é a energia mínima necessária para remover um elétron de um átomo ou íon no estado gasoso. Em palavras simples: é a “energia que precisa ser fornecida” para arrancar um elétron.
  • A primeira energia de ionização corresponde ao processo
\mathrm{X(g)} \longrightarrow \mathrm{X^+(g)} + e^-,
a segunda energia de ionização corresponde a
\mathrm{X^+(g)} \longrightarrow \mathrm{X^{2+}(g)} + e^-,
e assim por diante. Cada equação representa a retirada de mais um elétron do íon resultante.
Por que é endotérmico/exotérmico:
  • Para retirar um elétron precisa fornecer energia ao átomo (quebramos a interação entre elétron e núcleo), então o processo absorve energia. Logo, a ionização é um processo endotérmico. Em termos simples: tem que “dar energia” para o sistema, não sai energia.

Passo 3

Compreendendo o comportamento das energias sucessivas (por que crescem):
  • Em geral vale que \mathrm{IE}_1 < \mathrm{IE}_2 < \mathrm{IE}_3 < \dots. Isso acontece porque, à medida que se remove elétrons, o íon fica mais positivo; elétrons remanescentes ficam mais fortemente atraídos pelo núcleo (menor raio efetivo e maior carga efetiva), então cada remoção sucessiva exige mais energia.
  • Também existe o efeito de blindagem (shielding): elétrons internos reduzem a atração efetiva que o núcleo exerce sobre elétrons mais externos. Quando se começa a tirar elétrons da camada externa (valência), essa blindagem é relativamente alta; ao chegar ao remover um elétron de uma camada interna, a blindagem cai muito e a energia exigida dispara.

Passo 4

Calcular os saltos entre energias consecutivas para localizar o grande salto:
\Delta_{1\to2} = \mathrm{IE}_2 - \mathrm{IE}_1 = 1817 - 578 = 1239\\ \text{kJ mol}^{-1},
\Delta_{2\to3} = \mathrm{IE}_3 - \mathrm{IE}_2 = 2745 - 1817 = 928\\ \text{kJ mol}^{-1},
\Delta_{3\to4} = \mathrm{IE}_4 - \mathrm{IE}_3 = 11600 - 2745 = 8855\\ \text{kJ mol}^{-1},
\Delta_{4\to5} = \mathrm{IE}_5 - \mathrm{IE}_4 = 14800 - 11600 = 3200\\ \text{kJ mol}^{-1}.
Observação clara: o maior salto absoluto e relativo é entre \mathrm{IE}_3 e \mathrm{IE}_4 (aumento de 8855\\ \text{kJ mol}^{-1}), muito maior que os saltos anteriores.

Passo 5

Interpretação física do grande salto entre \mathrm{IE}_3 e \mathrm{IE}_4:
  • Saltos grandes nas energias de ionização indicam que, após certo número de elétrons removidos, o próximo elétron está em uma camada interna (ou em um orbital muito mais ligado ao núcleo) em vez de estar na camada de valência.
  • Portanto, se as três primeiras remoções ( \mathrm{IE}_1,\mathrm{IE}_2,\mathrm{IE}_3) exigem energias relativamente moderadas e a quarta exige uma energia muito maior, isso significa que o átomo tinha três elétrons na sua camada de valência. Ao remover esses três, a quarta remoção precisa arrancar um elétron de uma camada mais interna (mais próximo do núcleo), o que requer muito mais energia.
  • Intuição curta: a camada de valência foi esvaziada após 3 elétrons removidos; o próximo é um elétron “do núcleo” ou de camada interna, fortemente preso.

Passo 6

Conclusão sobre o número de elétrons de valência (justificação final):
  • O grande salto ocorre entre \mathrm{IE}_3 e \mathrm{IE}_4, então foram removidos com relativa facilidade os primeiros três elétrons (eram da camada de valência). Portanto a camada de valência do elemento X tem exatamente 3 elétrons.
  • Isso significa também que X é compatível com elementos do grupo que têm três elétrons na camada externa (por exemplo, elementos do grupo 13 na tabela periódica), mas o enunciado pede apenas o número de elétrons de valência, então a resposta é 3.

Resposta

(a) Energia de ionização é a energia necessária para remover um elétron de um átomo ou íon no estado gasoso ( \mathrm{X(g)}\to\mathrm{X^+(g)}+e^-). É um processo endotérmico.
(b) O grande salto ocorre entre \mathrm{IE}_3 e \mathrm{IE}_4 (de 2745 para 11600\\ \text{kJ mol}^{-1}); isso ocorre porque, após remover três elétrons de valência, o próximo elétron a ser removido está em uma camada interna muito mais ligada ao núcleo, exigindo muito mais energia.
(c) O elemento X tem 3 elétrons na camada de valência (justificativa: grande salto após a terceira ionização indica esgotamento dos elétrons de valência).

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