Usando a notação spdf escreva as configurações eletrônicas para os átomos de cromo e de ferro, dois dos componentes principais do aço inoxidável.

Passo 1

O enunciado pede que eu escreva as configurações eletrônicas, em notação spdf, para os átomos de cromo e de ferro. Informações relevantes que vou usar (vindas da tabela periódica, consideradas dadas pelo enunciado): o número atômico do cromo é \,Z_{\mathrm{Cr}}=24, (portanto tem \,24 elétrons) e o número atômico do ferro é \,Z_{\mathrm{Fe}}=26, (portanto tem \,26 elétrons). Não há outras restrições no enunciado.

Passo 2

O que é “notação spdf” e como ler/escrever uma configuração eletrônica. Cada orbital é identificado por três coisas: o número quântico principal n (camada: 1,2,3,\dots), a letra da subcamada ( s,p,d,f) e o expoente que indica quantos elétrons ocupam essa subcamada. Por exemplo, \,4s^2 significa “na subcamada 4s há 2 elétrons”. Uma configuração completa lista as subcamadas em ordem de preenchimento (ou se usa a forma condensada com gás nobre, por exemplo [\mathrm{Ar}] para os elétrons de núcleo equivalentes ao argônio).

Passo 3

Regras básicas que usamos para montar a configuração (explicadas de forma simples):
  • Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital comporta no máximo \,2 elétrons com spins opostos. Assim um nível s tem no máximo \,2 elétrons, p até \,6, d até \,10, f até \,14.
  • Regra de Hund (para orbitais degenerados, como os três p ou cinco d): maximize o número de elétrons desemparelhados com spins paralelos antes de emparelhar. Isso dá maior estabilidade por troca de spins.
  • Regra de Aufbau (ordem de preenchimento): enchemos subcamadas em ordem crescente de energia. Uma forma prática é usar a regra de n+\ell (quanto menor, mais baixo é o nível) e, em caso de empate, menor n primeiro. Em termos práticos, a ordem de preenchimento que precisamos aqui é:
1s,\;2s,\;2p,\;3s,\;3p,\;4s,\;3d,\;4p,\;\dots
Obs.: a ordem escrita nem sempre reflete precisamente a energia em todos os átomos; especialmente para elementos de transição a energia relativa de 4s e 3d fica muito próxima, o que causa exceções.

Passo 4

Como montar na prática: preencho os elétrons seguindo a ordem acima até atingir o total Z. Para simplificar contas, é comum usar a notação condensada com gás nobre: [\mathrm{Ar}] representa
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6,
ou seja, \,18 elétrons. Assim, para átomos com Z>18 eu escrevo primeiro [\mathrm{Ar}] e depois acrescento os elétrons que sobram nas subcamadas 4s, 3d, etc.

Passo 5

Montagem da configuração do cromo ( \,Z_{\mathrm{Cr}}=24). Contagem: [\mathrm{Ar}] ocupa \,18 elétrons, então faltam \,24-18=6 elétrons a colocar nas subcamadas mais externas. Seguindo a ordem “esperada” encheríamos primeiro \,4s com 2 elétrons e depois \,3d com 4, dando a configuração “preditiva”:
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^4
ou, em notação condensada,
[\mathrm{Ar}]\,4s^2\,3d^4.
No entanto, o cromo é um caso conhecido de exceção: experimentalmente verifica-se que a configuração real é acomodada para maximizar a estabilidade obtida por ter a subcamada 3d meio preenchida. Assim, um elétron do \,4s passa para o \,3d, resultando em:
[\mathrm{Ar}]\,4s^1\,3d^5.
Por que isso ocorre (explicação didática): a subcamada 3d^5 tem cinco elétrons desemparelhados (um em cada um dos cinco orbitais d), o que dá ganho de energia de troca (exchange) e reduz a energia total do átomo comparado a ter 4s^2\,3d^4. Em linguagem simples: é energeticamente mais vantajoso ter um d meio cheio e um s com um elétron do que o contrário, porque o arranjo d^5 maximiza spins paralelos e estabiliza o átomo. Portanto, a configuração observada do cromo é [\mathrm{Ar}]\,4s^1\,3d^5.

Passo 6

Montagem da configuração do ferro ( \,Z_{\mathrm{Fe}}=26). Contagem: [\mathrm{Ar}] = \,18 elétrons, faltam \,26-18=8 elétrons. Seguindo a ordem usual, colocamos \,4s^2 (2 elétrons) e os \,6 restantes vão para \,3d, resultando em:
[\mathrm{Ar}]\,4s^2\,3d^6.
O ferro não apresenta a mesma exceção estabilizadora do cromo; a configuração [\mathrm{Ar}]\,4s^2\,3d^6 é a normalmente aceita e observada experimentalmente. Aqui a subcamada 3d não fica exatamente meio cheia ou totalmente cheia, então não há ganho suficiente para deslocar elétrons do 4s como em Cr.

Passo 7

Resumo prático para a hora da prova (dicas que funcionam):
  • Use [\mathrm{Ar}] como atalho para elétrons até \,3p^6 quando Z\ge19.
  • Lembre a ordem básica 4s antes de 3d para preenchimento, mas fique atento a exceções (principalmente cromo e cobre e vizinhos).
  • Se encontrar um elemento de transição com \,d^4 ou \,d^9 na configuração “esperada”, pense em possíveis rearranjos para d^5 ou d^{10} + s^1 ou s^0. Ex.: Cr (d^4 → d^5) e Cu (d^9 → d^{10}).

Resposta

[\mathrm{Ar}]\,4s^1\,3d^5
[\mathrm{Ar}]\,4s^2\,3d^6

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