Princípios básicos de preenchimento das camadas
Para uma descrição exata do estado de cada elétron, são utilizados quatro números quânticos. A própria distribuição das partículas pelos orbitais e a probabilidade de encontrá-las em determinados estados são ditadas por duas regras fundamentais:
- Princípio da menor energia. Qualquer sistema físico tende a minimizar sua energia potencial (por analogia com a queda de um corpo ou a distensão de uma mola). O estado fundamental de um átomo é a configuração com o menor suprimento total de energia dos elétrons, sendo o mais estável. Ao receber excesso de energia, o sistema passa para um estado excitado. Ele é extremamente instável e dura apenas cerca de $10^{-8}$ segundos, após o qual o átomo retorna à fase básica, liberando energia na forma de radiação de quanta.
- Princípio de Pauli. Este é o primeiro princípio fundamental. Ele tem prioridade absoluta na distribuição de elétrons, é cumprido escrupulosamente e nunca é violado.
Algoritmo de preenchimento e sobreposição de zonas
O primeiro nível de energia ($n=1$) tem a estrutura mais simples possível e não se divide em subníveis. No entanto, à medida que nos afastamos do núcleo, a estrutura se torna mais complexa. A partir do número quântico principal $n=4$, observa-se uma sobreposição parcial das zonas de energia. Por causa disso, os orbitais não são preenchidos estritamente na ordem numérica dos níveis: por exemplo, o subnível $4s$ é energeticamente mais favorável (está localizado mais abaixo) do que o $3d$.
A sequência real de preenchimento é determinada por uma matriz, onde o movimento ocorre ao longo de diagonais de baixo para cima:
- $1s$
- $2s$
- $2p \rightarrow 3s$
- $3p \rightarrow 4s$
- $3d \rightarrow 4p \rightarrow 5s$
- $4d \rightarrow 5p \rightarrow 6s$
- $4f \rightarrow 5d \rightarrow 6p \rightarrow 7s$
- $5f \rightarrow 6d \rightarrow 7p$
Número quântico magnético
A orientação espacial do orbital eletrônico é determinada pelo número quântico magnético ($m_l$). Seus valores estão rigidamente vinculados ao número quântico azimutal ou orbital ($l$) e abrangem toda a série de números inteiros de $-l$ a $+l$, incluindo o zero.
Este indicador recebeu esse nome devido ao efeito de desdobramento das linhas espectrais dos átomos. Em condições normais, os estados dos elétrons com a mesma energia não se distinguem (eles são degenerados). No entanto, quando um campo magnético é aplicado ao átomo, esses estados adquirem energias diferentes. Do ponto de vista instrumental, isso é registrado exatamente como o desdobramento das linhas no espectro de emissão.
Capacidade dos níveis e subníveis
A capacidade de qualquer subnível de energia é sempre igual ao dobro do número de seus orbitais. O conjunto de elétrons que ocupam um único subnível é chamado de subcamada do átomo.
O número máximo de elétrons em um subnível é calculado pela fórmula geral $2(2l + 1)$:
- $s$ ($l=0$): 1 orbital $\rightarrow$ máximo de 2 elétrons.
- $p$ ($l=1$): 3 orbitais $\rightarrow$ máximo de 6 elétrons.
- $d$ ($l=2$): 5 orbitais $\rightarrow$ máximo de 10 elétrons.
- $f$ ($l=3$): 7 orbitais $\rightarrow$ máximo de 14 elétrons.
A soma das capacidades de todos os subníveis forma a camada do átomo (o conjunto de elétrons do mesmo nível de energia). A capacidade máxima do nível é calculada pela fórmula $2n^2$. Assim, o primeiro nível (K) comporta apenas 2 elétrons, o segundo (L) — 8, o terceiro (M) — 18, e o quarto (N) — 32 elétrons.
Métodos de visualização da estrutura eletrônica
Para exibir a estrutura das camadas, utilizam-se dois formatos principais:
- Fórmulas eletrônicas: Representação linear dos subníveis preenchidos em ordem crescente de energia. O número de elétrons é indicado como um sobrescrito.
- Diagramas de energia: Exibição gráfica de parte da sequência geral, onde os orbitais preenchidos são representados graficamente, e os elétrons por setas.
Exemplos de elementos do primeiro período: Para o hidrogênio ($Z=1$), a fórmula é $1s^1$, e no diagrama isso é exibido como uma única seta no nível $1s$. O hélio ($Z=2$) é descrito pela fórmula $1s^2$, que corresponde a duas setas de direções opostas no mesmo orbital $1s$.
Resumo: perguntas e respostas sobre o tema
Em que consiste o princípio de Pauli na distribuição dos elétrons?
O princípio de Pauli consiste no fato de que todos os elétrons em um átomo estão em estados diferentes e são caracterizados por conjuntos diferentes de quatro números quânticos.
Este princípio tem importância prioritária em relação ao princípio da menor energia e é estritamente observado. Dele decorre que, ao escolher um orbital específico (onde três números quânticos estão fixados), apenas o número quântico de spin pode variar. Assim, um orbital comporta no máximo dois elétrons, que formam um par eletrônico e possuem spins opostos.
Como é enunciado a regra de Hund no preenchimento de orbitais?
A regra de Hund afirma que o estado fundamental de um átomo corresponde ao preenchimento por elétrons do número máximo de orbitais energeticamente equivalentes.
Nesse caso, os números quânticos de spin (spins) desses elétrons devem ser iguais, ou seja, paralelos. A colocação de elétrons em diferentes orbitais espaciais em vez do emparelhamento em um único orbital aumenta a distância média entre eles. Isso minimiza a repulsão intereletrônica e leva a uma redução na energia total do sistema. Como resultado, a configuração com o maior número de elétrons desemparelhados é a energeticamente mais favorável.
Quais são os quatro números quânticos usados para a descrição completa do estado de um elétron?
Para a descrição completa do estado de um elétron, utilizam-se os números quânticos principal, azimutal (orbital), magnético e de spin.
- Número quântico principal ($n$) — caracteriza o nível de energia.
- Número quântico azimutal (orbital) ($l$) — determina a forma do orbital atômico; assume valores de 0 a $n-1$.
- Número quântico magnético ($m_l$) — caracteriza a orientação espacial do orbital eletrônico; assume todos os valores inteiros de $-l$ a $+l$.
- Número quântico de spin ($m_s$) — caracteriza a projeção do spin; assume os valores $+1/2$ e $-1/2$.
Como os elétrons e os orbitais são indicados graficamente nos diagramas de energia?
Nos diagramas de energia, os elétrons são indicados graficamente por setas, e os subníveis preenchidos são representados na forma de diagramas de energia.
A direção da seta corresponde ao valor do número quântico de spin do elétron:
- $m_s = +1/2$ é indicado por uma seta para cima.
- $m_s = -1/2$ é indicado por uma seta para baixo.
Por exemplo, a estrutura eletrônica do hidrogênio é representada como uma seta no nível $1s$, e a do hélio, como duas setas em direções opostas no mesmo nível.
Para escrever a ordem dos orbitais sem erros, monte uma matriz: liste os subníveis em colunas por níveis (1s; 2s, 2p; 3s, 3p, 3d, etc.) e faça a leitura pelas linhas diagonais, de baixo para cima.
Questões de aulas e exames
Por que o átomo passa para o estado excitado e quanto tempo permanece nele?
O átomo é excitado ao receber energia em excesso, mas esse estado é extremamente instável, pois o sistema tende ao mínimo de energia potencial. Em cerca de $10^{-8}$ segundos, o átomo retorna ao estado fundamental, liberando o excesso de energia na forma de radiação.
Qual é a diferença entre subcamada e camada do átomo?
A subcamada reúne os elétrons que estão no mesmo subnível energético (por exemplo, todos os elétrons do subnível 3p). Já a camada inclui todos os elétrons de um nível de energia inteiro (toda a soma dos subníveis s, p, d, etc., para um determinado número principal n).
Por que o subnível 4s é preenchido antes do 3d?
A partir do número quântico principal n=4, as zonas energéticas do átomo começam a se sobrepor parcialmente. Verifica-se que o subnível 4s está energeticamente localizado abaixo (é mais favorável) do que o 3d, de modo que os elétrons o ocupam primeiro, de acordo com o princípio da menor energia.
O que mais estudar sobre o tema
- Desdobramento dos níveis de energia em campos magnéticos
- Relação entre os números quânticos orbital e magnético
- Estados eletrônicos degenerados do átomo
- Construção prática de diagramas de energia segundo o princípio de Pauli
- Cálculo da capacidade de camadas eletrônicas de ordens superiores
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