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 \text{Mg}, \text{Al} ou \text{Si} 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):
\text{Mg} tem número atômico Z=12.
\text{Al} tem número atômico Z=13.
\text{Si} tem número atômico Z=14.
Os elétrons de valência (configurações eletrônicas na camada n=3) são importantes para comparar a primeira energia de ionização.

Passo 2

Definição e significado da primeira energia de ionização.
A primeira energia de ionização, que vou chamar de I_1, é a energia necessária para remover um elétron de um átomo neutro no estado gasoso. Escrevemos o processo assim:
X(g) \to X^+(g) + e^-
ou seja, I_1 mede quão fortemente o elétron mais externo está ligado ao núcleo. Em unidades comuns usa-se \text{kJ mol}^{-1}. Quanto maior I_1, mais difícil (mais energia) é arrancar o elétron.

Passo 3

Quais fatores influenciam I_1 (intuição física).
Os principais fatores são:
  • Carga nuclear efetiva Z_{\text{eff}}: é a carga positiva “sentida” pelo elétron de valência após considerar o bloqueio (blindagem) pelos elétrons internos. Em termos simples,
Z_{\text{eff}} \approx Z - S,
onde Z é o número atômico e S é uma medida do efeito de blindagem. Quanto maior Z_{\text{eff}}, mais fortemente os elétrons são atraídos e maior I_1.
  • Blindagem (shielding): elétrons mais internos reduzem a atração do núcleo sobre os elétrons externos.
  • Penetração orbital e energia relativa dos orbitais: elétrons em orbitais s penetram mais perto do núcleo (mais fortemente ligados) do que em orbitais p do mesmo nível n. Logo um elétron 3s tende a estar mais ligado (maior I_1) que um elétron 3p.
  • Estabilidades especiais de configuração (subníveis preenchidos ou meio-preenchidos) também podem afetar levemente I_1.

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 n=3):
\text{Mg}: \; \ldots 3s^2
\text{Al}: \; \ldots 3s^2 3p^1
\text{Si}: \; \ldots 3s^2 3p^2
Portanto o elétron removido ao calcular I_1 vem de:
  • \text{Mg}: um elétron do orbital 3s,
  • \text{Al}: o elétron do orbital 3p,
  • \text{Si}: um elétron do orbital 3p.

Passo 5

Comparação qualitativa entre \text{Mg} e \text{Al}.
Mesmo que \text{Al} tenha Z maior ( 13 vs 12), o elétron removido em \text{Al} está no orbital 3p, que tem menor penetração (fica, em média, mais afastado do núcleo) e é menos fortemente ligado que um elétron 3s. Além disso, \text{Mg} tem 3s^2 (subnível 3s preenchido) que é relativamente estável. Por isso, na prática, é mais fácil remover o elétron 3p de \text{Al} do que um elétron 3s de \text{Mg}; logo I_1(\text{Al}) fica menor que I_1(\text{Mg}).

Passo 6

Comparação qualitativa entre \text{Al} e \text{Si}.
Entre \text{Al} ( Z=13) e \text{Si} ( Z=14) o elétron removido em ambos vem de um orbital 3p. Ao aumentar Z para \text{Si}, a carga nuclear efetiva sobre o elétron de valência aumenta (a blindagem não compensa totalmente o aumento de Z). Assim, em \text{Si} o mesmo tipo de elétron 3p é ligado com mais força ao núcleo do que em \text{Al}. Portanto espera-se I_1(\text{Si}) > I_1(\text{Al}).

Passo 7

Juntando as comparações para obter a ordem entre os três.
Do passo 5 temos I_1(\text{Al}) < I_1(\text{Mg}).
Do passo 6 temos I_1(\text{Si}) > I_1(\text{Al}).
Além disso, o aumento de Z de \text{Mg} para \text{Si} (com os elétrons ocupando 3s/3p) leva a um aumento geral da atração, então combinando tudo obtemos a ordem
I_1(\text{Al}) < I_1(\text{Mg}) < I_1(\text{Si}).

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:
I_1(\text{Al}) \approx 578\\ \text{kJ mol}^{-1},
I_1(\text{Mg}) \approx 738\\ \text{kJ mol}^{-1},
I_1(\text{Si}) \approx 786\\ \text{kJ mol}^{-1}.
Esses números confirmam a ordem prevista e mostram que \text{Si} 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 Z aumentar da esquerda para a direita, se o elétron removido passa a ocupar um orbital de energia maior (ex.: 3p em vez de 3s) isso pode reduzir I_1 (é o caso \text{Mg}\to\text{Al}). No entanto, ao continuar para a direita ( \text{Al}\to\text{Si}), o aumento de carga nuclear efetiva vence e I_1 aumenta. Assim o maior I_1 entre os três é o de \text{Si}.

Resposta

Si

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