Qual você esperaria ter a primeira energia de ionização mais alta: Mg, Al ou Si? Por quê?
Passo 1
O enunciado pergunta qual dos elementos
,
ou
você esperaria ter a primeira energia de ionização mais alta, e pede que se justifique o porquê. Informações relevantes para a resolução (que podemos usar):
tem número atômico
.
tem número atômico
.
tem número atômico
.
Os elétrons de valência (configurações eletrônicas na camada ) são importantes para comparar a primeira energia de ionização.
Os elétrons de valência (configurações eletrônicas na camada
Passo 2
Definição e significado da primeira energia de ionização.
A primeira energia de ionização, que vou chamar de , é a energia necessária para remover um elétron de um átomo neutro no estado gasoso. Escrevemos o processo assim:
A primeira energia de ionização, que vou chamar de
ou seja,
mede quão fortemente o elétron mais externo está ligado ao núcleo. Em unidades comuns usa-se
. Quanto maior
, mais difícil (mais energia) é arrancar o elétron.
Passo 3
Quais fatores influenciam
(intuição física).
Os principais fatores são:
Os principais fatores são:
- Carga nuclear efetiva
: é a carga positiva “sentida” pelo elétron de valência após considerar o bloqueio (blindagem) pelos elétrons internos. Em termos simples,
onde
é o número atômico e
é uma medida do efeito de blindagem. Quanto maior
, mais fortemente os elétrons são atraídos e maior
.
- Blindagem (shielding): elétrons mais internos reduzem a atração do núcleo sobre os elétrons externos.
- Penetração orbital e energia relativa dos orbitais: elétrons em orbitais
penetram mais perto do núcleo (mais fortemente ligados) do que em orbitais do mesmo nível . Logo um elétron tende a estar mais ligado (maior ) que um elétron . - Estabilidades especiais de configuração (subníveis preenchidos ou meio-preenchidos) também podem afetar levemente
.
Passo 4
Escrever as configurações eletrônicas e identificar de qual orbital será removido o elétron para cada átomo.
Configurações (camadas internas omitidas, foco na camada ):
Configurações (camadas internas omitidas, foco na camada
Portanto o elétron removido ao calcular
vem de:
-
: um elétron do orbital , -
: o elétron do orbital , -
: um elétron do orbital .
Passo 5
Comparação qualitativa entre
e
.
Mesmo que tenha
maior (
vs
), o elétron removido em
está no orbital
, que tem menor penetração (fica, em média, mais afastado do núcleo) e é menos fortemente ligado que um elétron
. Além disso,
tem
(subnível
preenchido) que é relativamente estável. Por isso, na prática, é mais fácil remover o elétron
de
do que um elétron
de
; logo
fica menor que
.
Mesmo que
Passo 6
Comparação qualitativa entre
e
.
Entre (
) e
(
) o elétron removido em ambos vem de um orbital
. Ao aumentar
para
, a carga nuclear efetiva sobre o elétron de valência aumenta (a blindagem não compensa totalmente o aumento de
). Assim, em
o mesmo tipo de elétron
é ligado com mais força ao núcleo do que em
. Portanto espera-se
.
Entre
Passo 7
Juntando as comparações para obter a ordem entre os três.
Do passo 5 temos .
Do passo 6 temos .
Além disso, o aumento de de
para
(com os elétrons ocupando 3s/3p) leva a um aumento geral da atração, então combinando tudo obtemos a ordem
Do passo 5 temos
Do passo 6 temos
Além disso, o aumento de
Passo 8
Cheque com os valores experimentais (apenas para confirmar a intuição; não é necessário decorar, mas ajuda a ver que o raciocínio bate com a realidade). Valores aproximados de referência:
Esses números confirmam a ordem prevista e mostram que
tem a maior primeira energia de ionização entre os três.
Passo 9
Resumo final do raciocínio em uma frase curta (para memorizar na prova): apesar de
aumentar da esquerda para a direita, se o elétron removido passa a ocupar um orbital de energia maior (ex.:
em vez de
) isso pode reduzir
(é o caso
). No entanto, ao continuar para a direita (
), o aumento de carga nuclear efetiva vence e
aumenta. Assim o maior
entre os três é o de
.
Resposta
Si