Química | Ser Protagonista | 1Edições SM

O número quântico principal (n)

O número quântico principal correspon­de ao nível de energia em que se encontra o elétron. Entre os elementos conhecidos, são necessárias, no máximo, sete camadas de elétrons para descrever o estado de me­nor energia (estado fundamental).

Portanto, n pode apresentar os valores 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7. Os elétrons que ocupam a mes­ma camada eletrônica possuem o mesmo n.

Número quântico secundário (º)

Corresponde ao subnível de energia em que se encontra o elétron. Cada valor de ℓ caracteriza um diferente subnível.

Para cada camada, o número quântico se­cundário corresponde a valores inteiros en­tre 0 e n 1. Para a segunda camada eletrô­nica (n 2), por exemplo, há dois valores possíveis para º: 0 e 1, como mostrado na tabela a seguir.

º Subnível No máximo de elétrons

0 s 2

1 p 6

2 d 10

3 f 14

Entretanto, os elementos conhecidos apre­sentam no máximo º 3, sendo apenas quatro os subníveis (ou subcamadas) de energia ocupados por elétrons no estado fundamental, designados pelas letras s, p, d e f. Os subníveis de energia estão associados a algumas linhas dos espectros de emissão dos elementos, pois somente com as cama­das de energia não era possível explicar todas as transições eletrônicas observadas.

Cada subnível de energia pode conter um número máximo de elétrons, o qual é dado pela expressão:

2(2º 1)Em cada subnível, os elétrons ocupam or-

bitais. Os orbitais de determinada subcama­da apresentam a mesma energia, entretanto diferem quanto à orientação no espaço.

O modelo orbital

> Werner Karl Heisenberg em visita à Universidade de Harvard (EUA), em 1973. Ele formulou o Princípio da Incerteza, segundo o qual é impossível medir com precisão simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula.

Apesar do sucesso em explicar as linhas do espectro eletromagnético do hidrogênio, o modelo atômico de Bohr (ver página 95 da obra Ser Protagonista – Química – Volume Único) não resolvia com precisão os espec­tros das espécies com mais de um elétron.

Uma característica dessa partícula suba­tômica é a impossibilidade de medir simul­taneamente sua posição e velocidade.

Para medir a posição de um corpo, há necessidade de alguma interação com ele. Para observar uma borracha, por exemplo, é necessário que a luz incida sobre ela e reflita até os olhos do observador. Entre­tanto, devido à massa reduzida do elétron, qualquer interação de energia que permita identificar exatamente a sua posição altera sua velocidade (ou, mais precisamente, a sua quantidade de movimento: m ? v).

A descrição do elétron depende de qua­tro números quânticos, os quais aparecem como consequência natural da teoria: o nú­mero quântico principal, o número quânti­co secundário, o número quântico magnéti­co e o número quântico do spin do elétron. Os três primeiros descrevem a energia do elétron; o quarto é importante para elu­cidar a interação dos átomos em campos magnéticos.

Em

ilio

Seg

re V

isua

l Arc

hive

s/A

mer

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Inst

itute

of

Phy

sics

/SP

L/La

tinst

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O modelo orbital

Química | Ser Protagonista | 2Edições SM

Número quântico magnético (m ou mℓ)

O número quântico magnético representa um orbital e sua determinada orientação. O valor de mº é um número inteiro que varia entre º e º.

A tabela a seguir resume a quantidade de orbitais verificada nos elemen­tos conhecidos.

Valores de º Subnível Valores de mº Número de orbitais

0 s 0 1

1 p 1, 0, 1 3

2 d 2, 1, 0, 1, 2 5

3 f 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3 7

Um orbital acomoda, no máximo, dois elétrons, e cada orbital é caracte­rizado por uma distribuição e uma orientação espacial específicas. O mes­mo orbital, em diferentes níveis de energia, apresenta o mesmo formato e as mesmas orientações, variando apenas o tamanho.

Número quântico do spin do elétron (s ou ms)

O comportamento de átomos e agregados atômicos na presença de po­derosos ímãs mostra que os elétrons interagem com campos magnéticos. Para explicar esse comportamento, é possível comparar o elétron a uma es­fera que gira no sentido horário (ou anti­horário). De acordo com o movi­mento, o elétron cria um campo magnético correspondente, que interage com o ímã externo.

Para a descrição completa do elétron, é necessária a introdução do número quântico do spin do elétron (ms), que pode assumir os valores ½ ou ½.

Em um átomo, cada elétron é caracterizado por um único conjunto de números quânticos, o qual não pode ser repetido. Cada orbital é ocupado por, no máximo, dois elétrons – cada um deles com spins opostos.

> Modelo de orbital s. Quanto mais intensa a cor, maior a probabilidade de encontrar o elétron.

x

y

z

> O spin do elétron pode ser representado como a rotação sobre o eixo de uma esfera carregada negativamente, gerando um campo magnético correspondente.

N

S

e2

N

S

e2

mS

12

mS 12

5 1

5 2

Saiba mais

A interpretação dos fenômenos quânticosAs resoluções das equações matemáticas sugeridas pela abordagem

de Schrödinger (Erwin Schrödinger, 1887-1961), as denominadas funções de onda, são uma ferramenta fundamental para físicos e químicos que es-tudam o comportamento do elétron.

Os cálculos que envolvem a mecânica quântica possibilitam determinar, com precisão, os fenômenos que envolvem a interação entre luz e maté-ria, como a absorção, a fluorescência, a fosforescência e a transferência de elétrons.

Esse conhecimento favorece a compreensão de fenômenos, como o da fotossíntese, o desenvolvimento de lasers, de dispositivos para a conver-são de energia solar em energia elétrica, etc.

Ao descrever o elétron como onda e matéria, suas características de partícula perdem o significado. Por isso, não há sentido em questionar a posição do elétron. A órbita passa a ser caracterizada como um valor de energia, deixando de ser descrita por sua distância ao núcleo.

Os termos órbitas ou camadas são mais bem compreendidos como ní-veis de energia.

AM

j Stu

dio

AM

j Stu

dio

O modelo orbital

Química | Ser Protagonista | 3Edições SM

Diagrama de PaulingPara compreender o comportamento dos átomos e as interações entre eles, é

necessário conhecer a distribuição dos elétrons nos seus respectivos subníveis de energia na situação de menor energia, ou seja, em seu estado fundamental.

Para cada elemento, as camadas (níveis) e subcamadas (subníveis) apre­sentam diferentes valores de energia, de acordo com o número atômico e o número de elétrons presentes.

Os valores de energia das subcamadas de cada átomo são obtidos me­diante a análise dos espectros de emissão dos átomos.

Saiba mais

A distribuição eletrônica em subníveis e orbitais

Para realizar a distribuição ele-trônica de um átomo ou íon, deve- -se conhecer o número máximo de elétrons de cada subnível e preencher as subcamadas em or-dem crescente de energia, confor-me o diagrama de Pauling.

Para o átomo de ferro, que apresenta Z 26 e, consequen-temente, 26 elétrons, a distri-buição eletrônica é expressa da seguinte maneira.

Fe é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

Na natureza, é comum en-contrar o elemento ferro na for-ma do cátion de carga 3 (Fe3). Nesse caso, a configuração ele-trônica do íon seria expressa da seguinte forma para um total de 23 elétrons.

Fe3 é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5

Segundo o Princípio da Exclu-são de Pauli, cada orbital pos-sui, no máximo, dois elétrons, os quais apresentam necessaria-mente spins opostos. Dessa for-ma, cada elétron de determinado átomo apresenta um conjunto distinto de números quânticos.

Geralmente, cada orbital é re-presentado por um quadrado em que os elétrons são indicados como setas apontadas para cima ou para baixo, dependendo do si-nal do spin ( )

Pela Regra de Hund, os elé-trons distribuem-se preferencial-mente isolados em um mesmo subnível, e isso ocorre por causa da repulsão entre eles.

A distribuição eletrônica, por orbitais, do átomo de sódio (11Na) pode ser representada da seguin-te maneira:

Na

1s 2s 2p 3s

> Diagrama que representa a energia relativa das camadas e subcamadas eletrônicas.

É importante ressaltar que o subnível mais energético nem sempre cor­responde ao nível mais externo. No diagrama acima, o subnível 3d possui mais energia que o subnível 4s – mais externo.

Seguindo­se as setas do diagrama acima, encontram­se os subníveis em ordem crescente de energia. Note que um subnível mais interno pode apre­sentar mais energia do que um subnível mais externo.

A aplicação desse diagrama é adequada para a maioria dos elementos da Tabela Periódica e condiz com resultados verificados experimentalmente.

> Diagrama da energia dos subníveis.

2p

3p

4p

5p

6p

7p

3d

4d

5d

6d

4f

5f

2s

3s

4s

5s

6s

7s

1s

ID/B

R

ID/B

R

O modelo orbital

Química | Ser Protagonista | 4Edições SM

Explique como os Princípios da Dualidade e da In-1. certeza influenciaram as ideias sobre a natureza do elétron e o modelo atômico.

Entre as opções a seguir, aponte o subnível de ener-2. gia em que cabem mais elétrons. Justifique.a) 2s ou 2p b) 1s ou 2s c) 2p ou 3p

Indique se um elétron absorve ou emite energia 3. ao realizar as seguintes transições entre níveis ou subníveis eletrônicos.a) nível 1 é nível 4 b) subnível 2s é subnível 2p c) nível 5 é nível 3 d) subnível 4s é subnível 3d

Observe as representações de quatro configura-4. ções eletrônicas.I) 1s 2s III) 1s 2s

II) 1s 2s IV) 1s 2s

a) Indique qual(quais) é(são) a(s) configuração(ões) eletrônica(s) possível(is).

b) Identifique o(s) elemento(s) químico(s) a que pertence(m) a(s) configuração(ões) possível(is).

Observe as configurações eletrônicas a seguir:5. I) 1s 2s 2p II) 1s 2s 2p

a) Qual dessas configurações eletrônicas é mais estável?

b) Quantos elétrons possui o átomo com a configu-ração eletrônica mais estável? Essa distribuição é de qual elemento químico?

Observe a seguir cinco séries de números quânticos. 6.

Série n º mº ms

I 0 0 0 1 __ 2

II 1 1 0 1 __ 2

III 1 0 0 1 __ 2

IV 2 1 2 1 __ 2

V 2 1 1 1 __ 2

a) Quais delas especificam o estado de um elétron em um átomo? Justifique sua resposta.

b) Em que tipo de orbital atômico (nível e subnível) os elétrons estariam situados?

Escreva os valores dos números quânticos n, 7. º e m para cada um dos orbitais do subnível 4d e do nível de energia n 2.

Atividades

Vestibular e Enem

(UFPR) O modelo atômico de Bohr, apesar de ter sido 8. considerado obsoleto em poucos anos, trouxe como principal contribuição o reconhecimento de que os elétrons ocupam diferentes níveis de energia nos áto-mos. O reconhecimento da existência de diferentes níveis na eletrosfera permitiu explicar, entre outros fenômenos, a periodicidade química. Modernamente, reconhece-se que cada nível, por sua vez, pode ser subdividido em diferentes subníveis. Levando em con-sideração o exposto, assinale a alternativa correta.a) Os três níveis de mais baixa energia podem acomo-

dar no máximo, respectivamente, 2, 8 e 8 elétrons.b) O terceiro nível de energia é composto por qua-

tro subníveis, denominados s, p, d e f.c) O que caracteriza os elementos de números atô-

micos 11 a 14 é o preenchimento sucessivo de elé-trons no mesmo nível e no mesmo subnível.

d) Os elementos de números atômicos 10, 18, 36 e 54 têm o elétron mais energético no mesmo ní-vel, mas em diferentes subníveis.

e) O que caracteriza os elementos de números atô-micos 25 a 28 é o preenchimento sucessivo de elétrons no mesmo nível e no mesmo subnível.

(Cefet-CE) Os quatro números quânticos do elétron 9. diferenciador (maior energia) de um átomo são:

n 4; º 2; m 2; s 1 __ 2 . Observação: elétron

emparelhado.

O número atômico do átomo citado é:a) 53 d) 48b) 46 e) 50c) 43

(UFAC) Um elétron localiza-se na camada “2” e sub-10. nível “p” quando apresenta os seguintes valores de números quânticos:a) n 4 e º 0b) n 2 e º 1c) n 2 e º 2d) n 3 e º 1e) n 2 e º 0

(FEI-SP) O número máximo de elétrons com 11. spin 1 __ 2 no subnível d é:a) 2 c) 8 e) 5b) 10 d) 7

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Respostas dos exercícios

O modelo orbital

Página 4, Atividades

O elétron passou a ser visto como uma entidade que apresentava tanto o comporta-1. mento de onda quanto o de partícula (Princípio da Dualidade). Como não era possí-vel determinar ao mesmo tempo e com precisão a posição e velocidade do elétron (Princípio da Incerteza), houve a necessidade de reformular os modelos atômicos vigentes da época. a) 2p: 6 elétrons.2. b) Nos dois casos cabem 2 elétrons.c) Nos dois casos cabem 6 elétrons.a) absorve.3. b) absorve.c) libera.d) absorve.a) III.4. b) Lítio (Z 3).a) A configuração b, pois ela apresenta o maior número de elétrons desemparelhados.5. b) Esse átomo possui 7 elétrons e, portanto, 7 prótons. Como o número atômico (Z)

está relacionado com o número de prótons, o elemento químico que apresenta Z 7 é o nitrogênio.

a) As séries III e V, pois não existe n 6. 0. O valor de º de um átomo de n 1 não pode ser 1 e o valor de m º de um átomo de º 1 não pode ser 2.

b) Série III: 1s e série V: 2p.O subnível 4d (n 7. 4, º 2) contém cinco orbitais, cujos números quânticos são: n 4, º 2, m º 2;n 4, º 2, m º 1;n 4, º 2, m º 0;n 4, º 2, m º 1;n 4, º 2, m º 2.O nível n 2 contém os subníveis 2s e 2p. Subnível 2s: n 2, º 1, m º 0;Subnível 2p: n 2, º 1, m º 1; n 2, º 1, m º 0; n 2, º 1, m º 1.

Página 4, Vestibular e Enem

e8. d9. b10. b11.