Configuração eletrónica para Química HSC: átomos e iões

Suponha que sabe que um átomo tem 17 eletrões. Onde é que esses eletrões realmente ficam?

É tentador imaginá-los a acumular-se em torno do núcleo, como pessoas a ocupar lugares a partir da fila da frente para trás. Essa ideia é útil, mas incompleta. Os eletrões ocupam níveis de energia, subníveis e orbitais específicos, e a ordem não é simplesmente camada 1, depois camada 2 e depois camada 3.

Antes de continuar, faça uma previsão: depois de preencher \(3p\), o eletrão seguinte entra em \(3d\) ou em \(4s\)?

Entra em \(4s\). Este resultado ligeiramente estranho é a razão pela qual a configuração eletrónica exige mais do que simplesmente contar eletrões.

01Comece pelas camadas: os níveis gerais de energia

Um eletrão num átomo só pode ter determinados valores de energia permitidos. Organizamo-los em camadas, identificadas pelo número quântico principal \(n\):

• \(n = 1\): primeira camada
• \(n = 2\): segunda camada
• \(n = 3\): terceira camada
• \(n = 4\): quarta camada

Como primeiro modelo mental, imagine um edifício de apartamentos com vários andares. O número da camada indica-lhe o andar.

Esta imagem ajuda, mas rapidamente deixa de ser suficiente. Cada andar está dividido em diferentes tipos de divisões, e algumas divisões podem ter energia inferior à de divisões no andar abaixo. Para os eletrões, o que importa é a energia, e não apenas o número do andar.

O número máximo de eletrões numa camada é:

\[
2n^2
\]

onde \(n\) é o número da camada.

Por exemplo, a segunda camada pode conter:

\[
2(2)^2 = 8 \text{ eletrões}
\]

A terceira camada pode conter até:

\[
2(3)^2 = 18 \text{ eletrões}
\]

Mas isto não significa que os primeiros 18 eletrões preencham as camadas como \(2, 8, 8\) e depois preencham completamente a terceira camada antes de começar a quarta. Para compreender a ordem real, precisamos dos subníveis.

02Subníveis: dividir cada camada em diferentes regiões de energia

Cada camada contém um ou mais subníveis, identificados por \(s\), \(p\), \(d\) e \(f\).

O número indica a camada. A letra indica o subnível.

Assim, \(3p\) significa o subnível \(p\) da terceira camada.

Cada tipo de subnível tem um número máximo fixo de eletrões:

Vale a pena compreender esta tabela em vez de memorizar quatro números sem relação entre si. Cada orbital pode conter, no máximo, dois eletrões, pelo que o número máximo de eletrões é o dobro do número de orbitais.

03Orbitais: de onde vem o limite de dois eletrões

Um orbital é uma região descrita pelo estado quântico de um eletrão. Para Química HSC, o ponto importante é que cada orbital pode conter, no máximo, dois eletrões, e esses eletrões têm de ter spins opostos.

É comum representarmos um orbital como uma caixa e os eletrões como setas:

\(1s:\ [\uparrow\downarrow]\)

As setas não significam que os eletrões sejam literalmente pequenas setas a girar no sentido horário e anti-horário. Representam dois estados de spin permitidos.

A regra que impede dois eletrões do mesmo átomo de terem um conjunto idêntico de números quânticos é o princípio de exclusão de Pauli. Num orbital, isso dá-nos o máximo de dois eletrões com spins opostos.

04As três regras que determinam a configuração do estado fundamental

Uma configuração eletrónica do estado fundamental é a disposição de menor energia dos eletrões de um átomo.

Três ideias principais determinam a forma como a escrevemos.

1. Preencha primeiro os orbitais de menor energia

Isto é normalmente chamado de princípio de Aufbau.

Para as primeiras partes da tabela periódica, a ordem de preenchimento é:

\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s,\ 4d,\ 5p,\ 6s,\ldots
\]

Repare na parte importante:

\[
3p \rightarrow 4s \rightarrow 3d
\]

Assim, \(4s\) começa a ser preenchido antes de \(3d\).

Um aluno que olhe apenas para os números das camadas pode prever que \(3d\) vem antes de \(4s\). Isso parece razoável porque 3 é menor do que 4. O problema é que os eletrões preenchem os orbitais de acordo com a energia orbital, e não simplesmente de acordo com o número da camada.

2. Não coloque mais de dois eletrões num orbital

Isto decorre do princípio de exclusão de Pauli.

Um subnível \(s\) tem um orbital, por isso pode conter no máximo dois eletrões:

\(s^2\)

Um subnível \(p\) tem três orbitais, por isso pode conter no máximo seis:

\(p^6\)

Um subnível \(d\) tem cinco orbitais, por isso pode conter no máximo dez:

\(d^{10}\)

3. Distribua os eletrões antes de os emparelhar

Esta é a regra de Hund.

Suponha que três eletrões têm de entrar num subnível \(p\). Um subnível \(p\) contém três orbitais.

A disposição do estado fundamental é:

\[
[\uparrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]
\]

e não:

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\ ]
\]

Os eletrões ocupam individualmente orbitais de igual energia antes de ocorrer qualquer emparelhamento.

Uma analogia um pouco tola é a de um autocarro quase vazio. Se três pessoas entrarem e houver três pares de lugares vazios, normalmente espalham-se antes de se sentarem lado a lado. A regra de Hund segue um padrão semelhante.

A analogia deixa de funcionar porque os eletrões não fazem escolhas sociais. A disposição real resulta da mecânica quântica e das interações entre eletrões.

05Como escrever uma configuração eletrónica

Comece pelo número de eletrões e depois preencha os subníveis por ordem de energia, sem ultrapassar a capacidade de cada subnível.

Para um átomo neutro:

\[
\text{número de eletrões} = \text{número atómico}
\]

Para um ião, ajuste o número de eletrões de acordo com a carga.

Um ião \(2+\) perdeu dois eletrões.

Um ião \(1-\) ganhou um eletrão.

A configuração eletrónica depende do número de eletrões e da carga nuclear, e não do número de neutrões. Dois isótopos do mesmo elemento neutro têm, portanto, a mesma configuração eletrónica do estado fundamental. Se precisar de rever a diferença entre número atómico, número de massa e isótopos, consulte Isótopos estáveis e instáveis explicados para Química HSC.

06Notação abreviada com gases nobres

As configurações longas tornam-se pouco práticas, por isso substituímos frequentemente as camadas internas completas pelo símbolo do gás nobre anterior.

O enxofre tem:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\]

Os primeiros dez eletrões são iguais aos do néon, por isso podemos escrever:

\[
\boxed{\ce{[Ne]}\,3s^2\,3p^4}
\]

Os parênteses retos significam “a configuração eletrónica completa deste gás nobre”.

Esta notação abreviada não altera a configuração. Apenas evita voltar a escrever subníveis internos completos.

07Escrever configurações para iões

Para iões dos grupos principais, o método mais seguro é:

1. determinar o número de eletrões no ião,
2. colocar esses eletrões nos níveis de energia disponíveis mais baixos.

Por exemplo, o cloro tem número atómico 17.

O cloro neutro tem 17 eletrões:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

O ião cloreto, \(\mathrm{Cl}^{-}\), ganhou um eletrão, ficando com 18:

\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6}
\]

ou:

\[
\boxed{\ce{[Ar]}}
\]

O cálcio tem número atómico 20. O cálcio neutro é:

\[
\ce{[Ar]}\,4s^2
\]

O ião cálcio \(\mathrm{Ca}^{2+}\) perdeu esses dois eletrões exteriores:

\[
\boxed{\ce{[Ar]}}
\]

Até aqui, a ideia de “remover eletrões do fim da configuração escrita” parece funcionar.

Depois aparecem os metais de transição e estragam esse atalho.

08A armadilha dos metais de transição: remova \(4s\) antes de \(3d\)

Considere o ferro, de número atómico 26.

A sua configuração do estado fundamental neutro é:

\[
\boxed{\ce{[Ar]}\,4s^2\,3d^6}
\]

Também pode encontrar esta configuração escrita como:

\[
\ce{[Ar]}\,3d^6\,4s^2
\]

As duas notações descrevem os mesmos subníveis ocupados.

Agora preveja a configuração de \(\mathrm{Fe}^{2+}\). Removeria dois eletrões de \(3d\), porque \(3d\) aparece depois de \(4s\) na sequência de preenchimento?

Não. Os eletrões \(4s\) são removidos primeiro.

Assim:

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{2+}: [Ar]\,3d^6}
\]

Para \(\mathrm{Fe}^{3+}\), é removido mais um eletrão de \(3d\):

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{3+}: [Ar]\,3d^5}
\]

Isto só parece contraditório se a ordem de preenchimento for tratada como uma escada rígida que nunca muda.

A regra simplificada “\(4s\) é preenchido antes de \(3d\)” é útil para construir muitos átomos neutros. No entanto, quando o subnível \(3d\) contém eletrões, as energias orbitais relativas são afetadas pela disposição eletrónica. Nos catiões comuns dos metais de transição, os eletrões \(4s\) são perdidos antes dos eletrões \(3d\).

Uma regra fiável para o HSC é, portanto:

Preencha \(4s\) antes de \(3d\) ao construir a configuração habitual do átomo neutro, mas remova os eletrões \(4s\) antes dos eletrões \(3d\) ao formar catiões de metais de transição.

09Crómio e cobre: onde o padrão simples de preenchimento precisa de ser revisto

A sequência habitual de preenchimento é um modelo que funciona muito bem, mas tem exceções importantes.

Uma previsão básica segundo Aufbau para o crómio, de número atómico 24, seria:

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^4}
\]

No entanto, a sua configuração do estado fundamental observada é:

\[
\boxed{\ce{Cr}: [Ar]\,4s^1\,3d^5}
\]

Para o cobre, de número atómico 29, a previsão simples seria:

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^9}
\]

A sua configuração do estado fundamental é:

\[
\boxed{\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}}
\]

Por vezes, isto é explicado dizendo que “os subníveis \(d\) semipreenchidos e completamente preenchidos são mais estáveis”. Esta é uma regra mnemónica útil, mas não constitui uma explicação física completa. As energias reais dependem de várias contribuições, incluindo as interações eletrão-eletrão, e as diferenças de energia entre estas disposições são pequenas.

Para o trabalho de HSC, o ponto prático importante é: não force o crómio e o cobre a seguir o padrão Aufbau mais simples quando lhe pedem as respetivas configurações do estado fundamental.

Os seus iões continuam a seguir a regra de remoção dos metais de transição.

Por exemplo:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

Remova o eletrão \(4s\) para formar \(\mathrm{Cu}^{+}\):

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}}
\]

Depois, remova um eletrão \(3d\) para formar \(\mathrm{Cu}^{2+}\):

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9}
\]

10A notação por camadas e a notação por subníveis não são a mesma coisa

Por vezes, pode descrever os eletrões apenas por camadas.

Para o cloro:

\[
2,\ 8,\ 7
\]

Isto indica-nos que há dois eletrões na primeira camada, oito na segunda e sete na terceira.

A sua configuração por subníveis é muito mais precisa:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

Ambas as descrições contêm informação útil, mas respondem a perguntas diferentes.

A notação por camadas indica quantos eletrões ocupam cada nível de energia principal.

A notação por subníveis indica quais os subníveis \(s\), \(p\), \(d\) ou \(f\) ocupados pelos eletrões.

Se uma pergunta pedir uma configuração eletrónica “usando notação por subníveis”, escrever apenas \(2,8,7\) não é suficiente.

11Um método compacto para perguntas de exame

Quando precisar de determinar uma configuração do estado fundamental, siga esta ordem:

1. Determine o número de eletrões. Comece pelo número atómico e depois ajuste de acordo com a carga.
2. Preencha os subníveis corretos. Use a ordem energética, e não apenas o número da camada.
3. Respeite as capacidades. \(s^2\), \(p^6\), \(d^{10}\), \(f^{14}\).
4. Use a regra de Hund se os orbitais forem representados individualmente.
5. Para catiões de metais de transição, remova \(4s\) antes de \(3d\).
6. Lembre-se das verdadeiras exceções do estado fundamental, como Cr e Cu.
7. Some os sobrescritos no fim. O resultado deve ser igual ao número total de eletrões.

Esta última verificação deteta um número surpreendente de erros.

12Perguntas e soluções

Pergunta 1

Um átomo neutro de fósforo tem número atómico 15.

Escreva:

a) a sua configuração eletrónica completa do estado fundamental, e
b) a sua configuração por camadas.

Solução 1

As configurações são \(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3\) e \(2,8,5\).

O fósforo é neutro, por isso os seus 15 protões correspondem a 15 eletrões. O preenchimento dos subníveis por ordem de energia dá:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]

O total é:

\[
2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15
\]

Para converter isto em notação por camadas, agrupe os eletrões com o mesmo número de camada principal:

• \(n=1\): \(1s^2\), dando 2 eletrões
• \(n=2\): \(2s^2 + 2p^6\), dando 8 eletrões
• \(n=3\): \(3s^2 + 3p^3\), dando 5 eletrões

Portanto:

\[
\boxed{2,8,5}
\]

Um erro comum é confundir o sobrescrito de \(3p^3\) com o número total de eletrões da camada 3. Os eletrões de \(3s^2\) também têm de ser incluídos.

Pergunta 2

Um ião óxido é escrito como \(\mathrm{O}^{2-}\). O oxigénio tem número atómico 8.

Escreva a configuração eletrónica completa do ião e explique por que razão contém mais eletrões do que um átomo neutro de oxigénio.

Solução 2

O ião óxido tem a configuração \(1s^2\,2s^2\,2p^6\) porque contém 10 eletrões.

O oxigénio neutro tem 8 eletrões:

\[
\ce{O}: 1s^2\,2s^2\,2p^4
\]

Uma carga \(2-\) significa que o átomo ganhou dois eletrões:

\[
8 + 2 = 10 \text{ eletrões}
\]

O preenchimento com 10 eletrões dá:

\[
\boxed{\mathrm{O}^{2-}: 1s^2\,2s^2\,2p^6}
\]

A carga negativa não significa que o número de eletrões seja negativo. Significa que existem mais dois eletrões com carga negativa do que protões com carga positiva.

Pergunta 3

Um aluno apresenta a disposição orbital do estado fundamental para os três eletrões \(2p\) do azoto como:

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\ ]
\]

Explique o que está errado nesta disposição e desenhe a disposição \(2p\) correta.

Solução 3

A disposição está incorreta porque a regra de Hund exige que os três orbitais \(2p\), de igual energia, sejam ocupados individualmente antes de ocorrer qualquer emparelhamento de eletrões.

O azoto tem a configuração:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^3
\]

Por isso, os três eletrões \(2p\) ocupam orbitais \(p\) separados:

\[
\boxed{[\uparrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]}
\]

A disposição do aluno não viola a capacidade máxima de dois eletrões por orbital, por isso pode parecer plausível. O problema é que não corresponde à disposição de menor energia. O emparelhamento só começa depois de cada orbital desse subnível conter um eletrão.

Pergunta 4

O ferro tem número atómico 26. Um aluno escreve:

\[
\ce{Fe}: [Ar]\,4s^2\,3d^6
\]

Depois, argumenta que \(\mathrm{Fe}^{3+}\) deve ser:

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^3}
\]

porque “os eletrões \(3d\) foram adicionados depois dos eletrões \(4s\), por isso devem ser removidos primeiro”.

Indique a configuração correta de \(\mathrm{Fe}^{3+}\) e explique o erro no raciocínio do aluno.

Solução 4

A configuração correta é \(\ce{[Ar]\,3d^5}\).

O ferro neutro é:

\[
\ce{Fe}: [Ar]\,4s^2\,3d^6
\]

Para formar \(\mathrm{Fe}^{3+}\), têm de ser removidos três eletrões. Para um catião de metal de transição, os eletrões \(4s\) são removidos antes dos eletrões \(3d\).

Primeiro, removem-se dois eletrões \(4s\):

\[
\ce{[Ar]\,3d^6}
\]

Depois, remove-se um eletrão \(3d\):

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{3+}: [Ar]\,3d^5}
\]

O aluno tratou a sequência de preenchimento do átomo neutro como se esta também determinasse a sequência de remoção. Não determina. As energias relativas dos orbitais ocupados não são fixas independentemente da disposição eletrónica e, nestes catiões de metais de transição, os eletrões \(4s\) são removidos primeiro.

A verificação do número de eletrões confirma o resultado. O ferro tem 26 eletrões quando é neutro, por isso \(\mathrm{Fe}^{3+}\) tem:

\[
26 – 3 = 23
\]

A configuração \(\ce{[Ar]\,3d^5}\) contém:

\[
18 + 5 = 23
\]

eletrões.

Pergunta 5

O cobre tem número atómico 29 e a configuração do estado fundamental:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

Um aluno hipotético faz duas afirmações:

1. \(\mathrm{Cu}^{+}\) deveria ser \(\ce{[Ar]\,4s^1\,3d^9}\) porque o subnível \(d\) é escrito por último.
2. \(\mathrm{Cu}^{2+}\) deveria ter um subnível \(3d\) completamente preenchido porque o cobre “prefere” \(3d^{10}\).

Avalie ambas as afirmações e indique as configurações corretas de \(\mathrm{Cu}^{+}\) e \(\mathrm{Cu}^{2+}\).

Solução 5

Ambas as afirmações estão incorretas. As configurações corretas são \(\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}\) e \(\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9\).

Comece pela configuração observada do estado fundamental:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

Para \(\mathrm{Cu}^{+}\), é removido um eletrão. O eletrão \(4s\) é removido antes de um eletrão \(3d\):

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}}
\]

O cobre tem 29 eletrões quando é neutro, por isso \(\mathrm{Cu}^{+}\) tem de ter 28 eletrões. A configuração acima contém:

\[
18 + 10 = 28
\]

Para \(\mathrm{Cu}^{2+}\), é necessário remover mais um eletrão. Como o subnível \(4s\) está agora vazio, esse eletrão é removido de \(3d\):

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9}
\]

Esta configuração contém:

\[
18 + 9 = 27
\]

eletrões, como é necessário para um ião \(2+\).

A primeira afirmação falha porque a ordem em que os subníveis são escritos não constitui uma regra para a remoção de eletrões.

A segunda afirmação transforma a observação útil sobre o estado fundamental do cobre neutro numa lei absoluta. Um subnível \(3d\) preenchido não impede o cobre de perder outro eletrão. Depois de \(\mathrm{Cu}^{2+}\) se formar, o seu número de eletrões exige \(3d^9\).

Esta é a forma mais útil de pensar nas exceções: use a configuração do estado fundamental determinada experimentalmente, aplique corretamente a regra de ionização e verifique o número final de eletrões, em vez de tentar forçar todas as espécies a assumir um padrão que pareça preferível.

13O que a configuração eletrónica ajuda a explicar a seguir

Quando conseguir passar com confiança entre número de eletrões, camadas, subníveis, orbitais e iões, várias ideias posteriores deixam de parecer factos separados.

A posição de um elemento na tabela periódica reflete a estrutura da sua configuração do estado fundamental. Os eletrões de valência ajudam a explicar as cargas iónicas comuns e as ligações químicas. Os eletrões desemparelhados ajudam a explicar o comportamento magnético, e as transições entre níveis de energia eletrónicos ligam a estrutura eletrónica aos espectros de emissão atómica.

Assim, quando uma pergunta de química posterior perguntar por que razão um elemento reage de determinada forma, a configuração eletrónica é frequentemente o primeiro lugar onde deve procurar. Ela indica-lhe que eletrões estão presentes, quais são os mais fáceis de remover ou partilhar e que disposições podem surgir a seguir.