Notação spdf: Configurações Eletrónicas e Eletrões de Valência

Um átomo de cloro tem 17 eletrões. Talvez já escrevas a sua distribuição por camadas como \(2,8,7\). Isso diz-te algo importante: o cloro tem sete eletrões na sua camada mais externa. Mas esconde um pormenor que se torna essencial em Química no HSC. Esses eletrões não são simplesmente colocados em três camadas sem qualquer estrutura interna.

Dentro de cada camada existem subcamadas, designadas por \(s\), \(p\), \(d\) e \(f\). A configuração eletrónica mais precisa do cloro é

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

Antes de continuares, faz uma previsão. Em \(3p^5\), o que achas que significam, respetivamente, o 3, o \(p\) e o 5?

Eles descrevem três coisas diferentes: qual é a camada, qual é o tipo de subcamada e quantos eletrões existem nessa subcamada. Quando consegues interpretar estas três partes separadamente, a notação spdf torna-se muito menos intimidante.

01O que a notação spdf mostra realmente

Imagina um prédio de apartamentos.

O número da camada indica-te o andar. A letra da subcamada indica-te o tipo de divisão nesse andar. O sobrescrito indica-te quantos eletrões ocupam esse tipo de divisão.

Assim, em \(3p^5\):

• \(3\) significa a terceira camada eletrónica
• \(p\) significa a subcamada \(p\)
• \(5\) significa que cinco eletrões ocupam essa subcamada \(3p\)

A analogia do prédio de apartamentos é útil porque separa as três funções desempenhadas pela notação. No entanto, não é exata. Os eletrões não são pequenas esferas paradas em divisões fixas. As orbitais descrevem regiões associadas a determinadas energias dos eletrões e distribuições de probabilidade.

Para Química no HSC, o primeiro passo importante é saber interpretar e construir corretamente a notação.

02Camadas, subcamadas e orbitais

Uma camada é identificada pelo seu número quântico principal, \(n\). Para a primeira camada, \(n=1\). Para a segunda camada, \(n=2\), e assim sucessivamente.

Cada camada pode conter uma ou mais subcamadas.

As letras \(s\), \(p\), \(d\) e \(f\) são designações de diferentes tipos de subcamada.

Cada subcamada contém um determinado número de orbitais, e cada orbital pode conter, no máximo, dois eletrões.

Isto dá as capacidades que vale a pena conhecer:

\[
s^2,\qquad p^6,\qquad d^{10},\qquad f^{14}
\]

Os sobrescritos representam números de eletrões, e não potências no sentido matemático habitual. \(3p^4\) não significa “3p elevado à quarta potência”. Significa quatro eletrões na subcamada \(3p\).

03Como ler uma configuração eletrónica

Considera o enxofre:

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

Podes verificar a configuração somando os sobrescritos:

\[
2+2+6+2+4=16
\]

Um átomo neutro de enxofre tem número atómico 16, pelo que deve conter 16 eletrões. A contagem está correta.

Esta é uma das verificações de erro mais rápidas que podes fazer. Para um átomo neutro:

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

Por exemplo, se escrevesses uma configuração eletrónica para o fósforo, de número atómico 15, e a soma dos sobrescritos desse 16, algo estaria errado.

Se precisares de rever como o número de eletrões muda quando os átomos se transformam em iões, consulta Configuração Eletrónica para Química no HSC: Átomos e Iões.

04Os eletrões não preenchem simplesmente uma camada por completo antes de começarem a seguinte

É aqui que muitas pessoas se enganam.

Poderias prever que os eletrões preenchem todas as subcamadas disponíveis da camada 3 antes de entrarem na camada 4. Isso pareceria lógico se apenas o número da camada determinasse a energia.

Mas não determina.

Os eletrões ocupam as subcamadas disponíveis por ordem crescente de energia. Para os elementos que encontrarás com mais frequência, o início da ordem de preenchimento é

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

Repara nesta parte que pode parecer estranha:

\[
4s \text{ é preenchida antes de } 3d
\]

Assim, o potássio, que tem 19 eletrões, termina em \(4s^1\):

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

Ele não continua diretamente para \(3d\).

Uma forma útil de pensar nisto é que o número da camada fornece alguma informação sobre o estado do eletrão, mas, por si só, não fornece a ordem completa das energias. As subcamadas \(4s\) e \(3d\) sobrepõem-se em energia de uma forma que faz falhar um modelo simples de “terminar o andar 3 antes de passar para o andar 4”.

05Como identificar eletrões de valência a partir da notação spdf

Para os elementos dos grupos principais que normalmente encontras quando começas a estudar configurações eletrónicas, os eletrões de valência são os eletrões da camada ocupada mais externa do átomo.

A regra de decisão é simples:

1. Escreve ou observa a configuração eletrónica.
2. Encontra o maior número de camada, \(n\).
3. Conta os eletrões nas subcamadas que têm esse número de camada.

Considera o fósforo:

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

O maior número de camada é 3.

Os eletrões da camada 3 são

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

portanto o fósforo tem

\[
2+3=5
\]

eletrões de valência.

Não olhes apenas para o último sobrescrito. Se olhasses apenas para o \(3\) em \(3p^3\), poderias dizer incorretamente que o fósforo tem três eletrões de valência. Também tens de incluir os eletrões \(3s^2\).

06Um atalho útil a partir da tabela periódica

A tabela periódica e a notação spdf estão estreitamente relacionadas.

As grandes regiões da tabela correspondem à subcamada que está a ser preenchida:

Por exemplo, o cloro encontra-se no bloco \(p\). A sua configuração termina em

\[
3p^5
\]

O cálcio encontra-se no bloco \(s\). A sua configuração termina em

\[
4s^2
\]

Isto não é apenas um truque de memorização. A forma da tabela periódica reflete as capacidades das subcamadas. A subcamada \(s\) comporta 2 eletrões, por isso o bloco \(s\) tem duas colunas de largura. A subcamada \(p\) comporta 6 eletrões, por isso o bloco \(p\) tem seis colunas de largura.

07O principal erro conceptual: “os eletrões de valência são apenas os últimos eletrões escritos”

Isto funciona vezes suficientes para se tornar perigoso.

Considera o cloro:

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

O último termo é \(3p^5\), mas o cloro não tem cinco eletrões de valência.

A sua camada mais externa é a camada 3, que contém tanto

\[
3s^2 \text{ como } 3p^5
\]

Portanto, o cloro tem sete eletrões de valência.

O problema torna-se ainda mais evidente com o cálcio:

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

Neste caso, olhar apenas para o último termo dá, por acaso, o número correto de dois eletrões de valência. O atalho funcionou, mas apenas por coincidência. O método fiável é sempre identificar primeiro a camada ocupada mais externa.

08Tem cuidado com os metais de transição

Para os elementos dos grupos principais, definir os eletrões de valência como os eletrões da camada ocupada de maior número funciona de forma simples.

Os metais de transição exigem mais cuidado.

Considera o escândio:

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]

A notação \([\ce{Ar}]\) significa “a mesma configuração dos eletrões internos que o árgon”. É uma forma abreviada de evitar escrever repetidamente

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

Se usares a definição simples de camada mais externa, o escândio tem dois eletrões com o maior número de camada, \(n=4\).

No entanto, o eletrão \(3d\) também pode participar na química dos metais de transição. Por esse motivo, discussões mais avançadas sobre eletrões de valência em metais de transição podem incluir tanto os eletrões \(s\) mais externos como os eletrões \(d\) próximos em energia.

Por isso, não apliques automaticamente a todos os elementos da tabela periódica um atalho destinado aos elementos dos grupos principais. Numa questão do HSC, usa a definição e o contexto químico que estão a ser avaliados. Para configurações eletrónicas dos elementos dos grupos principais, “camada ocupada de maior número” é a regra mais clara.

09Um método rápido para verificar a notação spdf

Quando te é dada uma configuração eletrónica, ou quando acabaste de escrever uma, verifica quatro coisas.

1. O número de eletrões está correto?

Para um átomo neutro, a soma dos sobrescritos deve ser igual ao número atómico.

2. Alguma subcamada excedeu a sua capacidade?

Lembra-te:

\[
s^2,\quad p^6,\quad d^{10},\quad f^{14}
\]

Por isso, \(2p^7\) é impossível.

3. A ordem de preenchimento faz sentido?

Por exemplo, \(4s\) começa a ser preenchida antes de \(3d\) nas configurações usuais do estado fundamental de átomos neutros.

4. Se estás a determinar os eletrões de valência, contaste toda a camada mais externa?

Não uses automaticamente o último sobrescrito.

Estas quatro verificações detetam uma proporção surpreendentemente grande dos erros.

10Questões e soluções

Questão 1

Um átomo neutro de magnésio tem número atómico 12. Escreve a sua configuração eletrónica spdf completa e indica o número de eletrões de valência.

Solução 1

A configuração eletrónica é \(\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2}\), e o magnésio tem \(\boxed{2}\) eletrões de valência.

Um átomo neutro de magnésio tem 12 eletrões. Preenchendo as subcamadas disponíveis pela ordem correta, obtém-se

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

Verificando o número de eletrões:

\[
2+2+6+2=12
\]

A camada ocupada de maior número é \(n=3\). Essa camada contém \(3s^2\), portanto contém dois eletrões.

Logo, o magnésio tem dois eletrões de valência.

Questão 2

Um átomo neutro tem a configuração eletrónica

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

Identifica o elemento e determina o seu número de eletrões de valência.

Solução 2

O elemento é \(\boxed{\text{fósforo}}\), e tem \(\boxed{5}\) eletrões de valência.

Primeiro, soma os eletrões:

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

Um átomo neutro com 15 eletrões tem número atómico 15, que corresponde ao fósforo.

A camada ocupada de maior número é \(n=3\). Ela contém

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

por isso, o número de eletrões de valência é

\[
2+3=5
\]

Um erro tentador seria usar apenas o último sobrescrito e responder três. Os eletrões \(3s\) estão na mesma camada externa e também têm de ser contados.

Questão 3

Um aluno propõe a seguinte configuração eletrónica no estado fundamental para um átomo neutro:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^7
\]

Ele argumenta que a soma dos sobrescritos é 19, por isso a configuração deve representar o potássio. Explica se a configuração é válida e escreve a configuração correta, se necessário.

Solução 3

A configuração é \(\boxed{\text{inválida}}\). A configuração correta do potássio no estado fundamental é

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

A contagem de eletrões feita pelo aluno está correta:

\[
2+2+6+2+7=19
\]

mas contar os eletrões não é a única verificação necessária.

Uma subcamada \(p\) contém três orbitais, com no máximo dois eletrões em cada orbital. Portanto, pode conter no máximo

\[
3\times2=6
\]

eletrões.

O termo \(3p^7\) é impossível.

Depois de \(3p\) atingir a sua capacidade de seis eletrões, o eletrão seguinte ocupa \(4s\). Portanto, a configuração do potássio é

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

A armadilha está em assumir que um número total correto de eletrões garante que a configuração eletrónica também está correta.

Questão 4

Dois alunos estão a discutir a configuração

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3
\]

O aluno A diz que o átomo tem três eletrões de valência porque o último termo é \(4p^3\).

O aluno B diz que tem cinco eletrões de valência.

Determina qual das contagens está correta, identifica o elemento e explica o raciocínio.

Solução 4

O átomo é \(\boxed{\text{arsénio}}\), e, para este átomo de um grupo principal, o número correto de eletrões de valência é \(\boxed{5}\).

Primeiro, conta todos os eletrões:

\[
2+2+6+2+6+2+10+3=33
\]

Um átomo neutro com 33 eletrões tem número atómico 33, portanto o átomo é arsénio.

A camada ocupada de maior número é \(n=4\). As subcamadas pertencentes a essa camada são

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

Logo, o número de eletrões de valência é

\[
2+3=5
\]

O erro do aluno A é tratar “a última subcamada escrita” como se significasse “toda a camada de valência”. Os eletrões \(4s^2\) também estão na camada 4.

Os eletrões \(3d^{10}\) não são contados como eletrões da camada mais externa porque o seu número de camada é \(n=3\), apesar de aparecerem depois de \(4s^2\) na sequência de preenchimento escrita.

Questão 5

Um aluno estabelece a seguinte regra:

“Para determinar os eletrões de valência de um átomo, encontra o maior número na sua configuração spdf e soma todos os sobrescritos junto desse número.”

Ele testa a regra no selénio:

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^4
\]

e obtém seis eletrões de valência.

Depois afirma que a mesma regra fornece uma descrição completa dos eletrões de valência quimicamente disponíveis para todos os elementos, incluindo os metais de transição.

Avalia a regra.

Solução 5

A regra é \(\boxed{\text{fiável para identificar os eletrões da camada externa de átomos dos grupos principais, mas não é uma regra geral completa para os eletrões de valência dos metais de transição}}\).

Para o selénio, a regra funciona perfeitamente. O maior número de camada é \(n=4\), e as subcamadas ocupadas com \(n=4\) são

\[
4s^2\,4p^4
\]

por isso, o selénio tem

\[
2+4=6
\]

eletrões de valência na camada externa.

A suposição implícita é que apenas os eletrões da camada com o maior valor de \(n\) podem participar de forma significativa no comportamento químico.

Esse é um modelo útil para os elementos dos grupos principais, mas os metais de transição tornam a situação mais complexa. Os seus eletrões \((n-1)d\) podem ter energias suficientemente próximas das dos eletrões \(ns\) mais externos para que ambos possam participar na formação de ligações e de iões.

Por exemplo, o escândio tem a configuração

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]

A regra da camada de maior número identifica os dois eletrões \(4s\) como os seus eletrões da camada externa. No entanto, o eletrão \(3d\) também é relevante para a química do escândio.

Por isso, a regra deve ser formulada com mais cuidado:

Para átomos dos grupos principais, encontra a camada ocupada de maior número e conta os seus eletrões para determinar o número habitual de eletrões de valência. Para os metais de transição, o significado de “eletrões de valência” depende do contexto químico e também pode incluir eletrões \(d\).

Esta distinção torna-se útil quando passas das configurações eletrónicas para as tendências periódicas, a formação de iões e as ligações químicas. A notação spdf não é apenas uma forma mais longa de escrever \(2,8,7\). Ela mostra como os eletrões estão distribuídos dentro de cada camada, que é o pormenor necessário para explicar por que motivo diferentes partes da tabela periódica apresentam comportamentos diferentes.