A terceira energia de ionização do alumínio (Al) é muito menor do que a terceira energia de ionização do magnésio ( Mg ), mas a quarta energia de ionização do Al é muito maior que a do Mg . Explique esse comportamento usando as configurações eletrônicas desses elementos.

Passo 1

O enunciado diz que a terceira energia de ionização de \text{Al} é muito menor que a terceira energia de ionização de \text{Mg}, mas que a quarta energia de ionização de \text{Al} é muito maior que a quarta de \text{Mg}. Pede-se uma explicação desse comportamento usando as configurações eletrônicas desses elementos.
Informações relevantes dadas:
  • Comparação entre energias de ionização sucessivas (3ª e 4ª) de \text{Al} e \text{Mg}.
  • A explicação deve usar as configurações eletrônicas dos átomos/íons envolvidos.

Passo 2

O que é energia de ionização e por que as sucessivas mudam muito:
  • Energia de ionização é a energia necessária para remover um elétron de um átomo ou íon no estado gasoso, por exemplo:
\text{I}_1:\\ \text{X} \to \text{X}^+ + e^-
\text{I}_2:\\ \text{X}^+ \to \text{X}^{2+} + e^-
  • Em geral, ao tirar elétrons a carga positiva do íon aumenta, então fica cada vez mais difícil tirar o próximo elétron, logo as energias sucessivas aumentam.
  • Grandes saltos nas energias de ionização acontecem quando se passa de remover um elétron de uma camada de valência (externa) para remover um elétron de uma camada interna (mais ligada ao núcleo), por exemplo quando se quebra a configuração de gás nobre estável.

Passo 3

Escrevendo as configurações eletrônicas (notação de gás nobre):
  • Magnésio ( \text{Mg}, Z=12):
\text{Mg}:\\ [\text{Ne}]\,3s^2
Isto significa que as camadas internas têm a configuração de [\text{Ne}] e existem dois elétrons no subnível 3s como elétrons de valência.
  • Alumínio ( \text{Al}, Z=13):
\text{Al}:\\ [\text{Ne}]\,3s^2\,3p^1
Aqui também há a mesma camada interna [\text{Ne}]; além disso há dois elétrons 3s e um elétron 3p na camada de valência.

Passo 4

Identificando quais elétrons são removidos em cada etapa (para entender a energia requerida):
  • Para \text{Mg}:
    • \text{I}_1: remove um elétron 3s \text{Mg}^+:[\text{Ne}]\,3s^1
    • \text{I}_2: remove o outro 3s \text{Mg}^{2+}:[\text{Ne}] (atinge configuração de gás nobre)
    • \text{I}_3: agora remover um elétron de [\text{Ne}] (camada interna) — isto exige quebrar uma camada fechada e pede muita energia
    • \text{I}_4: remove outro elétron ainda interno (também alta energia, já de um íon com carga alta)
  • Para \text{Al}:
    • \text{I}_1: remove o elétron 3p \text{Al}^+:[\text{Ne}]\,3s^2
    • \text{I}_2: remove um elétron 3s \text{Al}^{2+}:[\text{Ne}]\,3s^1
    • \text{I}_3: remove o último elétron 3s \text{Al}^{3+}:[\text{Ne}] (atinge configuração de gás nobre)
    • \text{I}_4: agora seria remover um elétron de [\text{Ne}] no íon \text{Al}^{3+} — isto exige energia muito alta (quebrar a camada fechada)

Passo 5

Comparando especificamente a 3ª energia de ionização ( \text{I}_3):
  • Para \text{Al}, \text{I}_3 corresponde à remoção de um elétron do subnível 3s (um elétron de valência). Remover um elétron valência é relativamente fácil comparado a arrancar um elétron de uma camada interna bem ligada.
  • Para \text{Mg}, \text{I}_3 corresponde a arrancar um elétron da camada interna [\text{Ne}] (pois \text{Mg}^{2+} já é [\text{Ne}]). Isso é muito difícil: as elétrons da camada de gás nobre estão fortemente ligados ao núcleo.
  • Conclusão parcial: \text{I}_3(\text{Al}) é muito menor que \text{I}_3(\text{Mg}) porque em Al o terceiro elétron removido ainda é um elétron de valência (3s), enquanto em Mg o terceiro elétron é um elétron do núcleo correspondente à configuração de gás nobre.

Passo 6

Comparando especificamente a 4ª energia de ionização ( \text{I}_4):
  • Para \text{Al}, depois de três remoções fica \text{Al}^{3+}:[\text{Ne}]. A \text{I}_4 de Al é a energia necessária para arrancar um elétron dessa configuração de gás nobre a partir de um íon com carga +3. Isso exige energia muito alta.
  • Para \text{Mg}, a sequência já mostrou que \text{I}_3(\text{Mg}) foi muito alta (já arrancou um elétron do núcleo). A \text{I}_4(\text{Mg}) também é alta, mas há uma razão para \text{I}_4(\text{Al}) acabar sendo maior que \text{I}_4(\text{Mg}): o alumínio tem um próton a mais no núcleo ( Z_{\text{Al}}=13 vs Z_{\text{Mg}}=12), então, para o mesmo tipo de elétron (um elétron do nível n=2 por exemplo), a atração nuclear efetiva é maior em Al3+ do que em Mg3+; isso faz com que seja mais difícil remover um elétron de \text{Al}^{3+} do que de \text{Mg}^{3+}.
  • Em termos qualitativos: quando se está removendo um elétron de uma camada interna (após já ter formado íons com carga alta), o número de prótons no núcleo torna a diferença — maior Z → maior energia exigida para ionizar.

Passo 7

Resumo físico e didático (para a prova — o jeito de lembrar rápido):
  • Grandes saltos nas energias de ionização ocorrem ao romper a configuração de gás nobre.
  • Mg atinge [\text{Ne}] ao formar \text{Mg}^{2+}; por isso \text{I}_3(\text{Mg}) é um salto muito grande (arrancar um elétron do núcleo fechado).
  • Al atinge [\text{Ne}] só ao formar \text{Al}^{3+}; portanto \text{I}_3(\text{Al}) ainda é a remoção de um elétron de valência (relativamente fácil), explicando por que \text{I}_3(\text{Al}) \ll \text{I}_3(\text{Mg}).
  • Depois que ambos precisam remover elétrons de uma camada interna, o átomo com maior número de prótons segura mais fortemente esses elétrons; como \text{Al} tem mais prótons que \text{Mg}, a \text{I}_4(\text{Al}) fica maior que \text{I}_4(\text{Mg}).

Resposta

A terceira energia de ionização de \text{Al} é muito menor que a de \text{Mg} porque em \text{Al} a terceira remoção ainda retira um elétron de valência ( 3s), enquanto em \text{Mg} a terceira remoção tem de arrancar um elétron da configuração interna fechada [\text{Ne}], o que pede muito mais energia.
A quarta energia de ionização de \text{Al} é muito maior que a de \text{Mg} porque, ao se remover elétrons de camadas internas (após formar os íons com carga alta), o maior número de prótons em \text{Al} ( Z=13) atrai os elétrons com mais força que em \text{Mg} ( Z=12), tornando a remoção do elétron de núcleo em \text{Al}^{3+} mais difícil que em íons análogos de \text{Mg}.

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