O surgimento dos subníveis de energia e a distribuição eletrônica

Olá pessoal, tudo bem? hoje vamos ver como funciona a distribuição dos elétrons na eletrosfera de um átomo, para ter um melhor entendimento de como funciona as características da tabela periódica.

Fonte https://conhecimentocientifico.r7.com/o-que-e-quimica/

1. O surgimento dos subníveis de energia e a distribuição eletrônica

Após a formulação de sua teoria, Bohr, ainda não conseguia explicar alguns fenômenos como os espectros de emissão de átomos contendo mais do que um elétron e o aparecimento de novas raias do hidrogênio quando lhe era aplicado um campo magnético, porem havia uma questão que mais o preocupou: a “posição” de uma onda pode ser especificada? A partir desse ponto novos cientistas entraram em ação para explicar esses fenômenos como o físico Werner Heisenberg.

1.1. Princípio da incerteza de Heisenberg

Vamos imaginar duas situações uma no qual você precise medir a temperatura de uma piscina e outra na qual você precise medir a temperatura de uma gota de agua no piso de sua casa.

No primeiro casa o uso de um termômetro já é suficiente para aferir a temperatura da piscina, porém no segundo caso o uso do termômetro se torna inconveniente, pois a gota de agua é tão pequena que ao entrar em contato com o equipamento poderia sofrer uma troca de calor assim alterando o resultado final de sua temperatura.

Logo podemos ver, que o instrumento usado para aferir a grandeza nas duas situações, influenciam no resultado final, porém na piscina essa influência se torna desprezível, assim concluímos que o ato de medir afeta a grandeza medida e isso se torna cada vez mais acentuado quando menor é o objeto de medida.

Ao tentar estabelecer a posição de um elétrons em um determinado átomo, algo semelhante acontece. O elétrons por ser muito pequeno, é afetado pela luz que interage com ele, fazendo mudar sua posição e energia. Assim, se torna improvável saber a localização exata do elétrons em torno do átomo, quebrando o conceito de trajetórias circulares de Bohr.

Em 1927, o físico Werner Heisenberg formulou matematicamente esses conceitos descritos acima, nascendo então o princípio da incerteza de Heisenberg, no qual com a ajuda de informações indiretas como os espectro átomo, no qual fornecia a energia de diferentes para cada nível da eletrosfera.

Heisenberg falava, que não faz sentido os eletros de um átomo orbitarem o núcleo, pois se o elétrons tivesse uma trajetória pré-definida, conseguiríamos calcular com uma extrema precisão, a posição e o momento de um elétrons em torno do núcleo. Desta maneira, Werner estipulou áreas que seriam mais fácil de encontrar a partícula negativa, chamando-as de orbitais.

Para ter um melhor entendimento de como funciona os orbitais, vamos usar um exemplo. Imagine um lago, nesse lago não conseguimos estabelecer a posição exata e a trajetória dos peixe que o habitam, mas existe regiões, na qual aumenta a probabilidade de encontrar um peixe, assim como os orbitais que aumentam a chances de encontrar um elétrons.

1.2. Subníveis de energia

Com o surgimento de equipamentos mais avançados e o melhoramento do espectrômetro, conseguiram enxergar os espectros dos elemento com mais clareza, deste modo perceberam que os espectros eram estruturas de linhas bem finas, na qual muitas vezes eram compostas de duas ou mais linhas.

Os estudiosos da época logo estipularam, que com um espectro de raias na emissão de luz, os elétrons assumiam orbitais elípticos variados dentro de um mesmo nível com a mesma energia. Esse níveis, foram chamadas de orbitais, e cada orbital recebeu um nome especifico designadas pelas letras s, p, d e f que significava “sharp, diffuse, principal, fundamental”, a partir do f, os próximos níveis são conhecidos como orbitais teóricos, recebem o nome da próxima letra no alfabeto.

Com o surgimento do orbitais foi necessário uma organizaram, como:

· Um conjunto de orbitais com mesma valor energia é categorizado pelo seu número quântico principal (n), ou seja, a sua camada.

Fonte: https://www.tabelaperiodicacompleta.com/distribuicao-eletronica/

· Para especificar um orbital há também o número quântico secundário (l), que está associado ao subnível de energia do elétron e representa a forma do orbital.

Exemplo:

Na camada K, seu número quântico principal é n=1, então l = n – 1 = 0. Logo, na camada K há a possibilidade de um valor, l = 0, ou um subnivel s.

Na camada M, seu número quântico principal é n=3, então l = n – 3 = 2. Logo, na camada M, há a possibilidade de três valores, l = 0, l = 1 e l = 2 ou três subniveis s = 0, p = 1 e d = 2.

Fonte: https://www.tabelaperiodicacompleta.com/distribuicao-eletronica/

1.3.Distribuição eletrônica em átomos neutros

Quando falamos sobre distribuição eletrônica precisamos entender que na natureza há uma disposição natural com que faz as coisas tenderem sempre pra uma situação de menor energia.

No átomo essa “regra” também se aplica, pois ao preencher sua eletrosfera com eletros, vemos que as primeiras camadas preenchidas são as de menores energia. Por exemplo, o hidrogênio (₁H), seu único elétron ocupa a camada de mais baixa energia, que é 1s¹. O hélio ₂He, seus dois elétrons também ocupam o subnivel de menor energia que é 1s². Logo vemos, que quando distribuímos os eletros de um elementos, sempre devemos começar pelos níveis de menor energia.

Fonte: https://www.santacecilia.com.br/sites/default/files/aulas-multimidia/arquivos/2019_csc_cap.05_numeros_quanticos_20190527_.pdf

Para facilitar na distribuição eletrônica, foi criado um diagrama conhecido como diagrama de Linus Pauling, que nos mostras a ordem de preenchimentos de elétrons por camada, começadas pelas de menor energia e assim subindo.

Fonte: http://elquimicus.blogspot.com/2012/09/diagrama-de-pauling.html

Aqui alguns exemplos de distribuição eletrônica mostrando a camada de valência que é o nível de maior energia.

Fonte: https://resumos.mesalva.com/diagrama-linus-pauling/

1.3.1. Distribuição eletrônica em íons

A distribuição eletrônica é ligeiramente diferente quando se trata de íons. Por exemplo.

· Cátions: faz-se a distribuição eletrônica normalmente como se fosse um átomo neutro e em seguida, retira-se elétrons da camada de valência.

· Ânions: faz-se a distribuição eletrônica normalmente como se fosse um átomo neutro e em seguida, adiciona elétrons da camada de valência.

Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/1251782/

1.3.2. Distribuição eletrônica por orbitais

A distribuição eletrônica por orbitais é nada mais do que uma forma diferente de fazer a distribuição dos elétrons na eletrosfera, na qual vemos como o preenchimento dos subníveis funciona.

Cada orbital comporta dois elétrons, então para você descobrir quantos orbitais tem um punível basta dividir o seu número máximo de elétrons por dois:

· Subnivel s, número máximo de eletros dois, então 2/2 = 1, ou seja, um orbital:

· Subnivel p, número máximo de eletros seis, então 6/2 = 3, ou seja, três orbital:

· Subnivel d, número máximo de eletros dez, então 10/2 = 5, ou seja, cinco orbital:

· Subnivel f, número máximo de eletros quatorze, então 14/2 = 7, ou seja, sete orbital:

O preenchimento de orbitais segue a regra de hund, na qual cada orbital de um subnível, precisa ser inicialmente preenchido com um elétrons no mesmo sentido e logo em seguida outro em um sentido diferente. Vamos ver um exemplo:

Vamos usar o Vanádio número atômico 23, primeiro fazemos a distribuição pelo diagrama de Linus Pauling.

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³

Agora só preenchemos os orbitais de acordo com a regra: