Elétron Diferencial: Números Quânticos e Exemplos

O elétron diferencial ou diferenciador é o último elétron colocado na sequência da configuração eletrônica de um átomo. Porque é o nome dele? Para responder a essa pergunta, é necessária a estrutura básica de um átomo: seu núcleo, o vácuo e os elétrons.

O núcleo é um agregado denso e compacto de partículas positivas chamadas prótons e partículas neutras chamadas nêutrons. Os prótons definem o número atômico Z e, juntamente com os nêutrons, compõem a massa atômica. No entanto, um átomo não pode carregar apenas cargas positivas; é por isso que os elétrons orbitam em torno do núcleo para neutralizá-lo.

Elétron Diferencial: Números Quânticos e Exemplos 1

Assim, para cada próton que une o núcleo, um novo elétron é incorporado em seus orbitais para neutralizar a crescente carga positiva. Assim, o novo elétron adicionado, o elétron diferencial, está intimamente relacionado ao número atômico Z.

O elétron diferencial é encontrado na camada eletrônica mais externa: a camada de valência. Portanto, quanto mais longe você estiver do núcleo, maior será a energia associada a ele. É essa energia que é responsável por sua participação, bem como a do restante dos elétrons de valência, nas reações químicas características dos elementos.

Números quânticos

Assim como o restante dos elétrons, o elétron diferencial pode ser identificado por seus quatro números quânticos. Mas quais são os números quânticos? Eles são «n», «l», «m» e «s».

O número quântico “n” indica o tamanho do átomo e os níveis de energia (K, L, M, N, O, P, Q). “L” é o número quântico secundário ou azimutal, que indica a forma dos orbitais atômicos, e recebe valores de 0, 1, 2 e 3 para os orbitais “s”, “p”, “d” e “f” respectivamente.

“M” é o número quântico magnético e indica a orientação espacial dos orbitais sob um campo magnético. Assim, 0 para o orbital “s”; -1, 0, +1, para o orbital “p”; -2, -1, 0, +1, +2, para o orbital “d”; e -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, para o orbital “f”. Finalmente, o número quântico de spin “s” (+1/2 para ↑ e -1/2 para ↓).

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Portanto, um elétron diferencial associou os números quânticos anteriores (“n”, “l”, “m”, “s”). Por contrariar a nova carga positiva gerada pelo próton adicional, também fornece o número atômico Z do elemento.

Como conhecer o elétron diferencial?

Elétron Diferencial: Números Quânticos e Exemplos 2

A imagem acima mostra as configurações eletrônicas para os elementos do hidrogênio ao gás neon (H → Ne).

Nisso, os elétrons das camadas abertas são indicados com a cor vermelha, enquanto os das camadas fechadas são indicados com a cor azul. As camadas se referem ao número quântico “n”, o primeiro dos quatro.

Assim, o ajuste de valência de H (↑ vermelho) adiciona outro elétron com orientação oposta para se tornar o de He (↓ ↑, ambos azuis porque agora o nível 1 está fechado). Esse elétron adicionado é então o elétron diferencial.

Assim, pode-se ver graficamente como o elétron diferencial se soma à camada de valência (setas vermelhas) dos elementos, diferenciando-os um do outro. Os elétrons enchem os orbitais respeitando a regra de Hund e o princípio de exclusão de Pauling (perfeitamente observado de B a Ne).

E quanto aos números quânticos? Eles definem cada seta – ou seja, cada elétron – e seus valores podem ser corroborados com a configuração eletrônica para saber se são ou não o elétron diferencial.

Exemplos em vários elementos

Cloro

No caso do cloro (Cl), seu número atômico Z é igual a 17. A configuração eletrônica é então 1s 2 2s 2 sp 6 3s 2 3p 5 . Os orbitais marcados em vermelho correspondem aos da camada de valência, que possui o nível 3 aberto.

O elétron diferencial é o último elétron colocado na configuração eletrônica e o átomo de cloro é o do orbital 3p, cuja disposição é a seguinte:

↑ ↓ ↑ ↓ ↑ _

3px 3py 3pz

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(-1) (0) (+1)

Respeitando a regra de Hund, primeiro preencha 3p orbitais de energia igual (uma seta para cima em cada orbital). Segundo, os outros elétrons se acasalam com os elétrons solitários da esquerda para a direita. O elétron diferencial é representado em uma moldura verde.

Assim, o elétron diferencial para o cloro possui os seguintes números quânticos: (3, 1, 0, -1/2). Ou seja, “n” é 3; “L” é 1, orbital “p”; “M” é 0, porque é o orbital “p” do meio; e “s” é -1/2, pois a seta aponta para baixo.

Magnésio

A configuração eletrônica para o átomo de magnésio é 1s 2 2s 2 sp 6 3s 2 , representando o orbital e seu elétron de valência da mesma maneira:

↑ ↓

3s

0 0

Desta vez, o elétron diferencial possui os números quânticos 3, 0, 0, -1/2. A única diferença nesse caso em relação ao cloro é que o número quântico “l” é 0 porque o elétron ocupa um orbital “s” (os 3s).

Zircônio

A configuração eletrônica do átomo de zircônio (metal de transição) é 1s 2 2s 2 sp 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 2 . Da mesma forma que nos casos anteriores, a representação de orbitais e elétrons de valência é a seguinte:

Elétron Diferencial: Números Quânticos e Exemplos 3

Assim, os números quânticos para o elétron diferencial marcado em verde são: 4, 2, -1, +1/2. Aqui, como o elétron ocupa o segundo orbital “d”, ele tem um número quântico ” m” igual a -1. Além disso, como a seta aponta para cima, seu número de rotação ” s” é igual a +1/2.

Elemento desconhecido

Os números quânticos do elétron diferencial para um elemento desconhecido são 3, 2, +2, -1/2. Qual é o número atômico Z do elemento? Conhecendo Z, você pode decifrar qual é o elemento.

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Desta vez, como “n” é igual a 3, significa que o elemento está no terceiro período da tabela periódica, com os orbitais “d” como camada de valência (“l” igual a 2). Portanto, os orbitais são representados como no exemplo anterior:

↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓

Os números quânticos “m” iguais a +2 e “s” iguais a -1/2 são chaves para localizar corretamente o elétron diferencial no último orbital 3d.

Assim, o elemento que está sendo procurado possui os orbitais 3d 10 completos, bem como suas camadas eletrônicas internas. Em conclusão, o elemento é metal zinco (Zn).

No entanto, os números quânticos do elétron diferencial não podem distinguir entre zinco e cobre, porque o último elemento também possui orbitais 3D completos. Porque Porque o cobre é um metal que não cumpre as regras de preenchimento de elétrons por razões quânticas.

Referências

  1. Jim Branson (2013). Regras de Hund. Retirado em 21 de abril de 2018, de: quantummechanics.ucsd.edu
  2. Aula 27: Regras de Hund. Recuperado em 21 de abril de 2018, de: ph.qmul.ac.uk
  3. Universidade de Purdue. Números quânticos e configurações eletrônicas. Recuperado em 21 de abril de 2018, de: chemed.chem.purdue.edu
  4. Enciclopédia das Ciências Salvat. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​volume 12, Espanha, página 314-322.
  5. Walter J. Moore (1963). Química Física Em partículas e ondas . Quarta edição, Longmans.

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