Números Quânticos e Configurações Eletrônicas

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Números Quânticos
• O número quântico principal (n) da a informação
a cerca da distância média do elétron ao núcleo
atômico e está relacionado à energia do orbital,
podendo assumir qualquer valor inteiro positivo (1, 2,
3,..., .
•As camadas podem ser identificadas por letras
maiúsculas, começando por K, para a primeira
camada (n = 1). Daí em diante as letras seguem a
ordem alfabética.
Números Quânticos
• O número quântico momento angular orbital (l),
também chamado número quântico azimutal divide as
camadas em grupos menores, denominadas
subcamadas (ou subníveis), definindo o formato do
orbital.
• Como o n limita o l os valores de l variam de 0 e n-
1. Por exemplo: para n = 3, os valores de l são 1 e 2.
•As letras s, p, d e f derivam das palavras sharp,
principal, difuse e fundamental, que são as
denominações dadas a linhas que aparecem no
espectro do átomo de hidrogênio.
Números Quânticos
•As diferentes subcamadas são identificadas por
letras:
Letra: s p d f g h ...
l: 0 1 2 3 4 5 ...
• Para identificar uma subcamada numa certa camada• Para identificar uma subcamada numa certa camada
escrevesse o valor do número quântico n da camada
seguido pela identificação da subcamada.
• Para átomos multieletrônicos a energia depende n e l
que representam níveis crescentes de energia
4s < 4p < 4d < 4f
Números Quânticos
• Número Quântico Magnético (ml): este número
quântico diferencia orbitais com o mesmo n (energia)
e mesmo l (forma), mas tendo orientações diferentes
no espaço.
• Podem assumir 2l + l valores distintos;• Podem assumir 2l + l valores distintos;
Os valores permitidos são inteiros e variam de –l até
+l.
Para l = 0 (subcamada s): o número quântico
permitido ml é 0, isto é, só há uma orientação
permitida
Números Quânticos
• Para l = 1 (subcamada p), m = -1, 0, +1, há três
orbitais.
• Cada orbital, numa mesma subcamada, têm a mesma
energia.
Números Quânticos
• Número Quântico do Spin (ms): este número
quântico refere-se a duas orientações possíveis para a
rotação do elétron em seu próprio eixo. Este indica o
sentido de rotação do elétron sobre o seu próprio eixo.
Em 1925, os físicos Goudsmite Uhlenbeck, tentandoEm 1925, os físicos Goudsmite Uhlenbeck, tentando
interpretar o desdobramento de algumas linhas do
espectro do hidrogênio e de outros átomos como o
sódio, propuseram a existência de um quarto número
quântico,
Números Quânticos
• Em 1929, usando postulados da mecânica quântica,
Dirac demonstrou que um elétron deve ter um
momento angular intrínseco, s = 1/2, o que limita a
valores possíveis de ms = +1/2 (↑) e -1/2 (↓).
Exercícios
1. Dê os quatro números quânticos para os elétrons
de valência do carbono.
Configuração Eletrônica
Muitas vezes, é conveniente representar as
configurações eletrônicas por diagrama de orbitais,
em que cada orbital é indicado por um círculo, um
quadrado ou um traço, e os elétrons por setas.
Configuração Eletrônica
No hidrogênio ou íons com apenas um elétron, os
hidrogenóides, a energia de um orbital depende
apenas do número quântico principal, n. Nessas
espécies, todos os orbitais com o mesmo valor de n
têm a mesma energia, em que estão representados os
níveis de energia dos orbitais no átomo de hidrogênioníveis de energia dos orbitais no átomo de hidrogênio
ou em hidrogenóides.
Configuração Eletrônica
Configuração Eletrônica
Nos átomos polieletrônicos, os diferentes orbitais de
um mesmo nível têm energias diferentes. Isso ocorre
porque as capacidades de penetração dos orbitais s, p,
d e f, nas camadas mais internas dos átomos, não são
iguais; e as cargas nucleares que atuam sobre os
elétrons que ocupam esses orbitais são menores doelétrons que ocupam esses orbitais são menores do
que a carga total do núcleo.
Carga Nuclear Efetiva
A carga nuclear líquida que atrai o elétron é
denominada carga nuclear efetiva, representada por
Zef e Z*. Nos átomos multieletrônicos, cada elétron é
simultaneamente atraído pelo núcleo e repelido pelos
outros elétrons. Devido às repulsões entre os elétrons,
a carga nuclear que atua sobre cada um deles é semprea carga nuclear que atua sobre cada um deles é sempre
menor do que a carga correspondente ao número total
de prótons no núcleo. Isso porque os elétrons mais
internos neutralizam parcialmente a carga positiva do
núcleo. Essa neutralização é conhecida como
blindagem ou efeito de blindagem e, geralmente, é
representada por S.
Carga Nuclear Efetiva
A carga nuclear efetiva (Zef)é calculada subtraindo-se
o efeito de blindagem (σ) do número de prótons (Z)
existentes no núcleo.
efZ Z σ= −
Um elétron no orbital 3s penetra mais no interior do
átomo do que 3p que, por sua vez, penetra mais 3d.
Portanto, elétrons 3s são os menos blindados e mais
penetrantes, enquanto os elétrons 3d são os mais
blindados e menos penetrantes desse nível
Carga Nuclear Efetiva
Cálculo da Carga Nuclear Efetiva
Regras para calcular a blindagem sobre um elétron nos
orbitais ns, np, nd ou nf:
1. Escrever a configuração eletrônica do átomo ou íon.
2. Uma vez escrita, reescrevê-la agrupando da seguinte
maneira:maneira:
3. Identificar o grupo do elétron a ser estudado e
calcular a blindagem, σ, considerando as duas situações
que seguem
Cálculo da Carga Nuclear Efetiva
• Calcular S para um elétron no grupo (ns, np)
a) Os elétrons à direita do elétron estudado não
contribuem para o cálculo da blindagem.
b) Cada elétron do grupo n onde está o elétron emb) Cada elétron do grupo n onde está o elétron em
estudo contribui com 0,35.
c) Cada elétron do grupo n – 1 contribui com 0,85.
d) Os elétrons à esquerda do grupo n – 1 contribuem
com 1,00.
Cálculo da Carga Nuclear Efetiva
• Calcular S para um elétron no grupo (nd) ou (nf)
a) Os elétrons à direita do elétron estudado não
contribuem para o cálculo da blindagem.
b) Cada elétron do grupo em que se encontra o elétronb) Cada elétron do grupo em que se encontra o elétron
em estudo contribui com 0,35.
c) Todos os elétrons à esquerda do grupo do elétron
estudado contribuem com 1,00.
Cálculo da Carga Nuclear Efetiva
Exercícios
1. Calcule a carga nuclear efetiva que atua sobre um
elétron 3p do átomo de cloro.
2. Calcule a carga nuclear efetiva que atua sobre um
elétron 4s do cobalto e sobre um elétron que ocupa
um orbital 3d do mesmo átomo.um orbital 3d do mesmo átomo.
Distribuição de Energia para os Orbitais
Principio da Exclusão de Pauli
a) Não mais que dois elétrons podem ocupar cada
orbital;
b) Em um átomo não pode existir dois elétrons com os
quatro números quânticos iguais.
Assim, para não ferir este princípio, se quisermosAssim, para não ferir este princípio, se quisermos
colocar mais de um elétron dentro de um mesmo
orbital a única opção é assinalar diferentes valores de
ms para os elétrons. Como só existem dois valores de
ms, concluímos que um orbital pode comportar no
máximo dois elétrons, e eles devem apresentar spins
opostos (+1/2 e -1/2).
Princípio da Construção ou Princípio Aufbau
De acordo com este princípio, os elétrons ocupam os
orbitais atômicos de modo que a energia total do
átomo seja a menor possível.
As energias relativas dos orbitais atômicos são as
seguintes:seguintes:
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p
< 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f
Regra de Rund
Quando orbitais de mesma energia (degenerados)
estão sendo preenchidos, o estado de menor energia é
aquele que tiver o maior número possível de elétrons
com mesmo spin (ms).
Diz-se que os elétrons dessa forma têm spinsDiz-se que os elétrons dessa forma têm spins
paralelos ou, ainda, desemparelhados.
Diagrama de Energia de Pauling
Exceções ao Diagrama de Pauling
Nos átomos com número atômico maior do que 20, os
elétronssão adicionados nos orbitais 3d, e estes, à
medida que são preenchidos, passam a ter energia
menor do que os elétrons no orbital 4s.
Isso ocorre porque, embora os orbitais 4s sejam maisIsso ocorre porque, embora os orbitais 4s sejam mais
penetrantes do que os orbitais 3d, esses elétrons se
encontram mais distantes do núcleo do que os elétrons
nos orbitais 3d. Logo, os elétrons 4s não blindam de
forma eficaz os elétrons 3d, que passam a sentir uma
carga nuclear maior e, em conseqüência disso, têm
menor energia.
Exceções ao Diagrama de Pauling
Propriedades Magnéticas dos Átomos
Nessas interações, os materiais que são atraídos pelo
campo são conhecidos como paramagnéticos.
Existem outros, porém, que são levemente repelidos
pelo campo, os quais são chamados de
diamagnéticos.
As propriedades magnéticas dos materiais dependem
dos momentos magnéticos associados aos elétrons
Propriedades Magnéticas dos Átomos
Qualquer material que contenha átomos, íons, ou
moléculas com elétrons desemparelhados é
paramagnético, enquanto os materiais nos quais todos
os elétrons estejam emparelhados são diamagnéticos
Em certos casos, podem ocorrer distribuições maisEm certos casos, podem ocorrer distribuições mais
ordenadas dos momentos magnéticos, gerando os
materiais ferromagnéticos e antiferromagnéticos,
que, respectivamente, são formas mais intensas e
menos intensas de manifestações do paramagnetismo.
Propriedades Magnéticas dos Átomos
Assim é que o momento magnético, especialmente o
dos elementos mais leves, pode ser calculado desde
que se conheça o número de elétrons
desemparelhados nos constituintes do material,
utilizando-se a equação:
Onde N é o número de elétrons desemparelhados e µB
é a unidade usada para expressão do momento
magnético, que é denominadamagnéton de Bohr.
( )2 BN Nµ µ= +
Propriedades Magnéticas dos Átomos
Essa equação mostra, portanto, que nos átomos em
que todos os elétrons estejam emparelhados os
momentos magnéticos dos elétrons se cancelam, do
que resulta um momento magnético atômico nulo e,
se existirem elétrons desemparelhados, o momento
magnético é diferente de zero.magnético é diferente de zero.
Propriedades Magnéticas dos Átomos
O magnéton de Bohr é dado pela seguinte equação:
Onde, na qual e é a carga do elétron, h, a constante de
4B e
eh
m
µ
pi
=
Onde, na qual e é a carga do elétron, h, a constante de
Planck e me, a massa do elétron. Em unidades do SI,
µB = 9,270x10-24Am2.
Exercícios
1. Considerando os íons presentes no cloreto de sódio
(sal de cozinha). Eles são paramagnéticos ou
diamagnéticos? Justifique.
2. Compare os momentos magnéticos do Fe, Fe2+ e
Fe3+.Fe3+.