Use a notação do gás nobre e spdf para representar as configurações eletrônicas do Cromo (
). 4) O que é carga nuclear efetiva? Explique.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas sobre o elemento cromo, cujo número atômico é
:
- Representar a configuração eletrônica usando a notação do gás nobre e a notação spdf.
- Explicar o que é carga nuclear efetiva.
Informações fornecidas diretamente:
. Nada mais foi dado.
Passo 2
Antes de começar a escrever a configuração, vamos lembrar as regras básicas (de forma bem direta e sem jargão complicado):
- Cada elétron ocupa um orbital; os tipos de orbital são
. As capacidades são: comporta até elétrons, até , até e até . - Princípios que seguimos para preencher orbitais:
- Princípio de Aufbau (preencher do nível de menor energia para o maior).
- Princípio de exclusão de Pauli (cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos).
- Regra de Hund (ao preencher orbitais degenerados, colocar primeiro elétrons com spins paralelos para maximizar o emparelhamento mínimo).
- Ordem usual de preenchimento (usada para aplicar Aufbau):
, , , , , , , , … (ou seja, o geralmente é preenchido antes do ao construir a configuração do átomo neutro).
Vou usar essas regras passo a passo para montar a configuração do cromo.
Passo 3
Vamos preencher os elétrons do cromo um bloco de cada vez, somando até chegar a
elétrons. Em cada linha eu digo quantos elétrons tem naquele orbital e o total acumulado.
-
. Acumulado: . -
. Acumulado: . -
. Acumulado: . -
. Acumulado: . -
. Acumulado: . -
. Acumulado: . - Agora faltam
elétrons para completar o total; estes vão para : . Acumulado: .
Se seguíssemos estritamente essa sequência de preenchimento obtínhamos a configuração “esperada” por Aufbau sem exceções:
Passo 4
Mas o cromo é um caso clássico de exceção à expectativa direta: experimentalmente a configuração do cromo neutro é
ou seja, escrito com o gás nobre:
ou equivalentemente
(ambas formas são usadas; o importante é os expoentes).
Agora vou explicar passo a passo por que isso acontece — sem pular etapas.
Passo 5
Por que existe essa exceção (de
para
)? Explicação didática e em partes:
- Energia muito próxima: os níveis
e têm energias muito próximas. A ordem de energia pode mudar um pouco conforme o número atômico e a presença de outros elétrons; então pequenas trocas de energia entre e são possíveis. - Estabilidade de semi-preenchimento: um subnível
meio cheio, isto é , é particularmente estável por causas de energia de troca (exchange energy) e redução da repulsão entre elétrons. A regra de Hund diz que distribuir elétrons com spins paralelos em orbitais degenerados reduz a energia total. - Troca de um elétron do
para o aumenta o emparelhamento favorável nos cinco orbitais (um elétron em cada orbital , todos com spins paralelos), diminuindo a energia total suficiente para compensar a perda de um elétron em . - Resultado: a configuração de menor energia para o átomo neutro de Cr é
.
Em linguagem mais amigável: o átomo “prefere” ter os cinco elétrons
com spins alinhados do que dois no
e quatro no
. Essa preferência estabiliza a configuração com
.
Passo 6
Um detalhe prático útil para provas: quando o átomo ioniza (perde elétrons), os elétrons do
são removidos antes dos do
. Mesmo que em alguns textos se escreva a configuração com
antes do
, energeticamente, ao ionizar, o elétron
é mais fracamente ligado e sai primeiro. Ex.:
tende a ter configuração
(ou
dependendo do grau de ionização), mas ideia principal:
sai antes de
.
Passo 7
Agora, definição e entendimento da carga nuclear efetiva — em passos curtos e claros.
- Ideia intuitiva: o núcleo tem carga positiva
(para o cromo, ). Mas um elétron não “sente” só essa carga total porque os outros elétrons ficam entre ele e o núcleo e o “protegem” parcialmente da atração nuclear. A carga que um elétron realmente percebe é a carga nuclear efetiva. - Fórmula simples usada em química/átomos:
onde:
-
é o número atômico (carga positiva real do núcleo), -
é a constante de blindagem (shielding) que representa quanto os demais elétrons reduzem a atração efetiva.
- Interpretação de
: elétrons em camadas internas (mais próximas do núcleo) bloqueiam muito a carga (contribuem aproximadamente com cada um), elétrons na mesma camada blindam menos (valores típicos usados em regras aproximadas como as regras de Slater), e elétrons em orbitais difusos (ex.: ) podem blindar de forma diferente dos e . - Consequência física-prática: elétrons com maior
ficam mais fortemente ligados (energia mais baixa), raio atômico menor, maior energia de ionização, etc. Para cromo, como exemplo qualitativo, elétrons sentem uma um pouco maior que os elétrons , o que ajuda a explicar por que o se estabiliza e contribui para a configuração .
Passo 8
Exemplo numérico rápido (aplicando as Regras de Slater — só para dar um número aproximado e entender o conceito):
- Para um elétron
em : seguindo Slater, os elétrons do mesmo nível contribuem pouco (aqui não há outro além do próprio), os elétrons do nível (incluindo os ) contribuem com cada, e os mais internos contribuem com cada. Fazendo as contas (passo a passo nas regras) obtém-se uma blindagem e, com ,
- Para um elétron
em Cr, Slater dá que outros blindam com cada e todos os elétrons com (e ) com cada; fazendo as somas chega-se aproximadamente a
Esses valores são aproximados, mas ilustram claramente: o elétron
“sente” maior carga efetiva que o
, o que contribui para a estabilidade do
.
Resposta
Carga nuclear efetiva: