2.4 Configurações eletrónicas dos átomos

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1 2.4 Configurações eletrónicas dos átomos
Adaptado por Joaquim Celestino Ribeiro 2.4 Configurações eletrónicas dos átomos

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Ponto de situação Orbital - região do espaço onde, sob a ação do núcleo, o eletrão, com uma dada energia, tem probabilidade de se encontrar. orbitais p orbitais s orbitais d

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Ponto de situação… Cada nível de energia, n, possui n2 orbitais.

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Ponto de situação… Estado de spin do eletrão - movimentos de rotação possíveis para o eletrão (representados por ↑ e ↓) Fig. 10 | Estado de spin do eletrão

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Princípios e regras a seguir na distribuição dos eletrões nos átomos Configuração eletrónica – Expressa a forma como os eletrões se distribuem nas orbitais dos átomos polieletrónicos. Estado fundamental - estado de menor energia possível para os eletrões no átomo.

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Princípios e regras a seguir na distribuição dos eletrões nos átomos Princípio da Construção (ou de Aufbau) Para obter o estado de menor energia de um átomo, as orbitais devem ser preenchidas a partir das menos energéticas para as mais energéticas. Este princípio é também conhecido como Princípio de Energia Mínima.

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Diagrama de Pauling O químico Linus Pauling elaborou um diagrama que constitui um modo simples de encontrar a ordem crescente da energia das orbitais em átomos polieletrónicos.

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Princípios e regras a seguir na distribuição dos eletrões nos átomos Princípio de Exclusão de Pauli O preenchimento das orbitais com eletrões deve obedecer ao, segundo o qual numa orbital só podem existir, no máximo, dois eletrões e com estados de spin diferentes. Fig. 1 | Wolfgang Pauli ( ) O número máximo de eletrões por nível é 2 x n2. n = 1 há 2 × 12 → 2 eletrões; n = 2 há 2 × 22 → 8 eletrões; n = 3 há 2 × 32 → 18 eletrões; n = 4 há 2 × 42 → 32 eletrões.

9 6C 8O 2.4 Configurações eletrónicas dos átomos
Princípios e regras a seguir na distribuição dos eletrões nos átomos Regra de Hund No preenchimento das orbitais com a mesma energia (orbitais p, orbitais d, …), atende-se à maximização do número de eletrões desemparelhados. 6C 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0 2p2 8O 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1 2p4

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Notas adicionais Eletrões de valência - eletrões da última camada de energia. Cerne - conjunto do núcleo com os eletrões mais internos do átomo. Pode fazer-se a configuração eletrónica de um átomo representando os eletrões do cerne pela configuração eletrónica do gás nobre do período anterior na Tabela Periódica, seguida dos eletrões mais periféricos. 11Na: [Ne] 3s1

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Notas adicionais Quando o princípio da energia mínima não é respeitado, o átomo passa a estado excitado Estado fundamental 10Ne: 1s2 2s2 2p6 Estado excitado 10Ne: 1s2 2s2 2p5 3s1

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Atividade Classifique em Verdadeira ou Falsa cada uma das afirmações seguintes. A configuração eletrónica do átomo de enxofre 16S é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4. A configuração eletrónica 1s2 2s2 2p6 3p4 corresponde à configuração eletrónica do silício (14Si) no estado fundamental. Dependendo do tipo de orbital esta poderá acomodar mais de dois eletrões. Os eletrões numa orbital possuem obrigatoriamente spin’s opostos. A sequência de tamanho nas orbitais é 1s < 2s < 2p < 3s <…

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Atividade – Resolução Classifique em Verdadeira ou Falsa cada uma das afirmações seguintes. A configuração eletrónica do átomo de enxofre 16S é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 A configuração eletrónica 1s2 2s2 2p6 3p4 corresponde à configuração eletrónica do silício (14Si) no estado fundamental. Dependendo do tipo de orbital esta poderá acomodar mais de dois eletrões. Os eletrões numa orbital possuem obrigatoriamente spin’s opostos. A sequência de tamanho nas orbitais é 1s < 2s < 2p < 3s <… Verdadeira. Falsa. Corresponde à configuração eletrónica do silício num estado excitado. Falsa. Em cada orbital só podem existir dois eletrões. Verdadeira. Verdadeira.

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Energia dos eletrões nos átomos | Energia de remoção eletrónica A energia dos eletrões nos átomos inclui o efeito das atrações entre os eletrões e o núcleo, por as suas cargas serem de sinais contrários, e das repulsões entre os eletrões, por as suas cargas serem do mesmo sinal.

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Para se conhecer a energia de cada eletrão num átomo recorre-se à espetroscopia fotoeletrónica. Espetroscopia fotoeletrónica A espetroscopia fotoeletrónica é uma técnica que consiste na incidência de um feixe de radiação altamente energética sobre a amostra em estudo na fase gasosa, de modo a remover-lhe eletrões.

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17 8O 2.4 Configurações eletrónicas dos átomos
Energia de remoção eletrónica A energia de remoção é a energia mínima necessária para extrair um eletrão de um átomo com a configuração eletrónica completa no estado gasoso e fundamental, originando um ião monopositivo. Dado que, em átomos polieletrónicos existem eletrões em diferentes estados de energia, as energias de remoção correspondentes variam conforme esses estados de energia. 8O 1s2 2s2 2p4 3 valores de energia de remoção

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Energia de remoção eletrónica VALORES DAS ENERGIAS DE REMOÇÃO ELETRÓNICA PARA UM ÁTOMO POLIELETRÓNICO

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Espetroscopia fotoeletrónica A partir dos dados de espetroscopia fotoeletrónica em átomos diferentes, conclui-se que um átomo de um dado elemento químico apresenta diferentes valores de energia de remoção eletrónica de acordo com o nível e o subnível de energia ocupados pelos seus eletrões. Orbitais Energia de remoção dos eletrões (J/eletrão) Energia dos eletrões no átomo (J/eletrão) 3s1 0,82×10-18 - 0,82×10-18 2p6 4,98×10-18 2s2 10,2×10-18 - 10,2×10-18 1s2 172×10-18 - 172×10-18 Para os eletrões do átomo de sódio

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Espetro fotoeletrónico A altura de cada pico é proporcional ao número de eletrões em cada nível ou subnível de energia. A posição de cada pico indica o valor da energia de remoção dos eletrões.

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Orbitais degeneradas Espetro fotoeletrónico Sódio, Na No espetro, a dupla barra separa diferentes zonas que correspondem a diferentes níveis de energia. 2p Número relativo de eletrões 1s 2s 3s Energia de remoção / MJ mol−1 Da análise do espetro conclui-se: Tem 4 picos de energias de remoção que correspondem a 4 orbitais de energia diferentes. Como existem dois valores com a mesma ordem de grandeza, correspondem a dois subníveis do mesmo nível, neste caso 2s e 2p.

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Espetro fotoeletrónico O espetro fotoeletrónico evidencia dois picos (dois valores diferentes de energia de remoção), logo os eletrões do lítio, no estado fundamental distribuem-se por dois níveis de energia.

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Espetro fotoeletrónico Como a altura do pico corresponde ao número relativo de eletrões em cada nível de energia é também possível concluir que o primeiro nível de energia comporta mais eletrões que o nível de energia seguinte.

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Espetro fotoeletrónico O espetro fotoeletrónico para o átomo de berílio também evidencia dois valores diferentes de energia de remoção, logo os 4 eletrões do berílio, no estado fundamental deverão distribuir-se por dois níveis de energia.

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Espetro fotoeletrónico Como os dois picos têm uma altura semelhante, o número de eletrões em cada nível deve ser igual.

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Espetro fotoeletrónico

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TABELA II – DADOS DE ESPETROSCOPIA FOTOELETRÓNICA PARA OS ELEMENTOS QUÍMICOS DE NÚMERO ATÓMICO 1 ATÉ 12, EM MJ mol–1. Os valores de energias de remoção eletrónicas, obtidos por espetroscopia fotoeletrónica, permitem concluir que átomos de elementos diferentes têm valores diferentes da energia dos eletrões.

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TABELA II – DADOS DE ESPETROSCOPIA FOTOELETRÓNICA PARA OS ELEMENTOS QUÍMICOS DE NÚMERO ATÓMICO 1 ATÉ 12, EM MJ mol–1. Do carbono ao néon, o aumento do número de eletrões está de acordo com o aumento da altura do terceiro pico do carbono para o néon, ou seja, cada eletrão que é adicionado vai ocupar o último subnível de energia.

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Os 11 eletrões do átomo de sódio distribuem se por 3 níveis de energia, com o segundo nível desdobrado em 2 subníveis. O 11.º eletrão ocupa um novo nível de energia superior. As alturas dos picos correspondentes aos subníveis do segundo nível de energia são diferentes. O segundo subnível de energia comporta três vezes mais eletrões que o subnível de energia anterior, ou seja, seis eletrões.

31 11Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 11Na: 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s1 11Na: [Ne] 3s1
2.4 Configurações eletrónicas dos átomos 2p6 1s2 2s2 3s1 11Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 11Na: 1s2 2s2 2px2 2py2 2pz2 3s1 Orbitais degeneradas 11Na: [Ne] 3s1

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Exercício Átomos de carbono, com seis eletrões, foram bombardeados com radiações de energia igual a 3,53  1017 J em ensaios de espetroscopia fotoeletrónica. A figura seguinte mostra o espetro fotoeletrónico obtido para o átomo de carbono. 1. Por quantos níveis e subníveis se encontram distribuídos os eletrões do átomo de carbono? 2. Que pico, A, B ou C, do espetro fotoeletrónico é representativo da energia de remoção do eletrão mais interno? 3. O que se pode concluir da análise da altura dos picos no espetro fotoeletrónico do carbono?

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Proposta de resolução 1. O átomo de carbono apresenta três valores de energias de remoção eletrónica (três picos), com dois valores mais próximos, o que significa que os eletrões do átomo de carbono estão distribuídos por dois níveis de energia estando o segundo nível de energia desdobrado em dois subníveis. 2. A, pois quanto maior é a energia de remoção, menor é a energia do eletrão no átomo, o que indica que ele pertence a um nível de energia inferior, isto é, mais próximo do núcleo. 3. As alturas dos picos no espetro fotoeletrónico do carbono são iguais, o que indica que os níveis e subníveis de energia ocupados no átomo de carbono são preenchidos por igual número de eletrões.

34 relativos ao átomo de flúor se encontram mais à esquerda
2.4 Configurações eletrónicas dos átomos Exercício Observe a figura que mostra o espetro obtido por espetroscopia fotoeletrónica do boro (Z = 5) sobreposto ao espetro fotoeletrónico do flúor (Z = 9). 2. Porque é que os picos relativos ao átomo de flúor se encontram mais à esquerda relativamente aos picos referentes ao átomo de boro? 3. Explique a existência de um pico no espetro fotoeletrónico do flúor, que é muito mais alto do que todos os outros? 1. Por quantos níveis e subníveis se encontram distribuídos os eletrões dos átomos de boro e de flúor?

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Proposta de resolução 1. Tanto o átomo de boro como o átomo de flúor apresentam três valores de energias de remoção eletrónica (três picos), com dois valores mais próximos, o que significa que os eletrões dos respetivos átomos estão distribuídos por dois níveis de energia estando o segundo nível de energia desdobrado em dois subníveis. 2. Como o flúor apresenta maior carga nuclear, a intensidade da força atrativa exercida pelo núcleo é maior, logo maior serão os valores de energia de remoção do eletrão para os mesmos subníveis. 3. A altura do pico corresponde ao número relativo de eletrões em cada nível de energia ou subnível de energia. Assim um pico mais alto corresponde a um maior número de eletrões nesse subnível de energia.

36 Em síntese 2.4 Configurações eletrónicas dos átomos
Distribuição dos eletrões pelas orbitais: obedece aos seguintes princípios: − Princípio da Construção (de Aufbau), também conhecido por Princípio de Energia Mínima: para obter um estado de energia mínima de um átomo, devem preencher-se as orbitais a partir das menos energéticas, por ordem crescente de energia. − Princípio de exclusão de Pauli: numa orbital só podem existir, no máximo, dois eletrões com estado de spin diferentes. − Regra de Hund: no preenchimento das orbitais de igual energia, distribui-se primeiro um eletrão por cada orbital, de modo a ficarem com o mesmo spin, e só depois se completam, ficando com spin’s opostos.

37 Em síntese 2.4 Configurações eletrónicas dos átomos
Energia de remoção eletrónica: energia mínima necessária para remover um eletrão de um átomo completo de um elemento, transformando-o num ião monopositivo. Espetroscopia fotoeletrónica: técnica que permite determinar as energias de remoção dos eletrões num átomo polieletrónico e, consequentemente, a energia desses eletrões dentro do átomo.