Distribuição eletrônica, parte 1.

Linus Pauling.

Linus Pauling

Pauling manteve a ideia original de Bohr e acrescentou subníveis aos níveis de energia. havendo subdivisões para as camadas, existem muito mais transições e, consequentemente, linhas no espectro de qualquer elemento. Mas como esta ideia surgiu?

Nosso amigo só teve o (correto) cuidado de estabelecer, assim como Bohr, uma ordem crescente de energia a partir do núcleo, mas, desta vez, para os subníveis. Nomeados de s, p, d e f. Comportando 2, 6, 10 e 14 elétrons no máximo, respectivamente.

A título de comparação, Bohr nomeou as camadas em K, L M, N, O, P e Q. Contendo, no máximo, 2, 8, 18, 32, 32, 18 e 8 elétrons. Com isso, observa-se que, cada camada eletrônica é uma combinação de subníveis. Conforme a tabela abaixo:

Coube a Pauling a tarefa de ordená-los da seguinte forma:

Digrama de energia de Linus Pauling ou Princípio da Estruturação.

A imagem acima é conhecida por diagrama de energia de Linus Pauling. Nela, os subníveis são preenchidos sucessivamente, na ordem crescente de energia, com o número máximo de elétrons possível em cada subnível, chamada de regra de aufbau (construção em alemão).

E você pode se perguntar de forma bem honesta, "como ele chegou a isto?" Vamos devagar para as coisas ficarem claras. Depois de Schrödinger propor sua equação e resolvê-la para o átomo de hidrogênio e encontrar as soluções chamadas de orbitais (link), outros físicos fizeram "pequenas" contribuições. Como Hund, que estabeleceu a hoje chamada "regra de Hund", quase um ano após Schrödinger publicar seu trabalho. Nesta regra é estabelecido que "quanto mais elétrons com spin paralelos num orbital parcialmente preenchido, menor sua energia".

Friedrich Hermann Hund

Após Hund, sabia-se que seria necessário preencher os orbitais em ordem crescente de energia para se encontrar o estado de menor energia para os elétrons dentro de um átomo qualquer. Mas qual seria esta ordem crescente de energia? É aí que entra Madelung com uma regra em sua homenagem: os orbitais serão preenchidos em ordem crescente de "n+ℓ" (soma dos números quânticos principal e secundário), em caso de empate, primeiro o de menor "n".

Erwin Madelung

Pronto, Linus Pauling traduziu isto na forma de um diagrama. Mas você ainda pode insistir: "o que me impede de socar todos os elétrons que eu quiser na primeira camada?"

Então, um austríaco chamado Wolfgang Pauli estabeleceu que você não pode. É uma consequência do trabalho de Schrödinger. Na primeira camada só existe um orbital "s", na segunda camada existem quatro orbitais, um "s" e três "p", na terceira camada existem nove orbitais, um "s", três "p" e cinco "d", e assim sucessivamente, como mostra a tabela desta postagem. Pauli mostrou que não cabem mais de dois elétrons em um orbital e que eles terão spin de sinais trocados, por isso o 1/2 e o -1/2 dos números quânticos (link).

Wolfgang Pauli

Com isto, não existem dois elétrons dentro da eletrosfera que compartilhem entre si os mesmos quatro números quânticos. Que é uma forma como ouvimos falar de seu princípio.

Uma vez que toda esta conversa é apresenta, podemos falar das distribuições eletrônicas. A seguir, alguns exemplos de distribuição para os átomos dos elementos lítio (Li), Ferro (Fe), Bromo (Br) e Cério (Ce). 

Elas lhe parecem confusas? Tente com a imagem abaixo como guia e faça a distribuição dos átomos propostos na parte inferior dela:

Veja a distribuição eletrônica do urânio (U), com número atômico 92, ele é o de maior dificuldade entre os elementos naturais.

Por apresentarem os subníveis “d” e “f” preenchidos com as configurações d⁴, d⁹ , f⁶  e f¹³ , átomos de alguns elementos sofrem alterações em suas distribuições finais. Como acontece para o cromo (Cr), o cobre (Cu), o samário (Sm) e o túlio (Tm). Isto é uma aplicação da regra de Hund, o subnível "d" ou "f" completos e o "s" incompleto representam estado menor energia que o "s" completo e eles incompletos.

Convém insistir no fato de que isto também se observa para os demais elementos de suas colunas. Como a prata (Ag), da mesma família do cobre e que foi submetida ao experimento de Stern-Garlach, mencionado na postagem sobre números quânticos (link).

No caso de íons, sejam cátions ou ânions, o acréscimo ou retirada ocorrerá na camada mais externa (também conhecida por camada de valência), que nem sempre coincide com o último subnível preenchido por elétrons. Como se observa para os cátions de ferro e ânion de flúor (F). 

No que diz respeito a distribuição eletrônica é de suma importância não confundir camada externa com última camada distribuída. O átomo de Ferro é ótimo exemplo. Possui quatro camadas e sua distribuição termina na terceira, a penúltima. Dizemos então que a camada mais externa, também chamada de camada de valência, do átomo de ferro é a quarta, contendo nela os elétrons de valência. Mas os elétrons de maior energia estão no último subnível distribuído, o 3d.

Insisto ainda que você deve observar o seguinte procedimento para fazer a distribuição eletrônica de um cátion:

1) Fazer a distribuição do átomo correspondente com uma quantidade de elétrons igual ao número atômico;

2) Retirar os elétrons correspondentes à camada mais externa a partir da distribuição eletrônica do átomo.

A não prática disto fará você montar o cátion bivalente de ferro (Fe²⁺) como a mesma distribuição eletrônica do cromo (Cr), que também possui 24 elétrons. E elas são completamente diferentes.

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