Elétron Diferencial: Números Quânticos e Exemplos - Ciência - 2023

Contente

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

O núcleo é um agregado denso e compacto de partículas positivas chamadas prótons e de partículas neutras chamadas nêutrons. Os prótons definem o número atômico Z e, junto com os nêutrons, formam a massa atômica. No entanto, um átomo não pode carregar apenas cargas positivas; portanto, os elétrons orbitam ao redor do núcleo para neutralizá-lo.

Assim, para cada próton que se junta ao núcleo, um novo elétron se junta a seus orbitais para neutralizar a carga positiva crescente. Assim, o elétron recém-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 a responsável por sua participação, assim como a dos demais elétrons de valência, nas reações químicas características dos elementos.

Números quânticos

Como o resto dos elétrons, o elétron diferencial pode ser identificado por seus quatro números quânticos. Mas o que são números quânticos? Eles são "n", "l", "m" e "s".

O número quântico "n" denota 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 assume 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 ↓).

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

Como saber o elétron diferencial?

A imagem acima representa as configurações de elétrons para elementos de hidrogênio a gás neon (H → Ne).

Neste, os elétrons das camadas abertas são indicados pela cor vermelha, enquanto os das camadas fechadas são indicados pela cor azul. As camadas referem-se ao número quântico "n", o primeiro dos quatro.

Desta forma, a configuração de valência de H (↑ em vermelho) adiciona outro elétron com orientação oposta para se tornar o de He (↓ ↑, ambos azuis porque agora o nível 1 está fechado). Este elétron adicionado é então o elétron diferencial.

Assim, pode-se observar graficamente como o elétron diferencial se soma à camada de valência (setas vermelhas) dos elementos, diferenciando-os uns dos outros. Os elétrons preenchem 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? Estes definem cada seta - ou seja, cada elétron - e seus valores podem ser corroborados com a configuração do elétron para saber se são ou não os do 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 1s²2s²sp⁶3s²3p⁵. Os orbitais marcados em vermelho correspondem aos da concha de valência, que possui um nível aberto 3.

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

↑↓ ↑↓ ↑_

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Respeitando a regra de Hund, os orbitais 3p de energia igual são preenchidos primeiro (uma seta para cima em cada orbital). Em segundo lugar, os outros elétrons emparelham 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 tem 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, já que a seta aponta para baixo.

Magnésio

A configuração de elétrons para o átomo de magnésio é 1s²2s²sp⁶3s², representando o orbital e seu elétron de valência da mesma maneira:

↑↓

Desta vez, o elétron diferencial tem os números quânticos 3, 0, 0, -1/2. A única diferença neste caso com respeito ao cloro é que o número quântico "l" é 0 porque o elétron ocupa um orbital "s" (os 3s).

Zircônio

A configuração do elétron para o átomo de zircônio (metal de transição) é 1s²2s²sp⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d². Da mesma forma que nos casos anteriores, a representação dos orbitais e elétrons de valência é a seguinte:

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 giro "s" é igual a +1/2.

Elemento desconhecido

Os números quânticos diferenciais de elétrons para um elemento desconhecido são 3, 2, +2, -1/2. Qual é o número atômico Z do elemento? Conhecendo Z, você pode descobrir o que é o elemento.

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

↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓

Os números quânticos "m" igual a +2 e "s" igual a -1/2 são a chave para localizar corretamente o elétron diferencial no último orbital 3d.

Assim, o elemento que está sendo pesquisado tem os orbitais 3d¹⁰ cheio, assim como seus invólucros eletrônicos internos. Em conclusão, o elemento é o metal zinco (Zn).

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

Referências

Jim Branson. (2013). Regras de Hund. Obtido em 21 de abril de 2018, em: quantummechanics.ucsd.edu
Aula 27: Regras de Hund. Obtido em 21 de abril de 2018, em: ph.qmul.ac.uk
Universidade de Purdue. Números quânticos e configurações de elétrons. Obtido em 21 de abril de 2018, em: chemed.chem.purdue.edu
Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Physics Salvat, S.A. de Ediciones Pamplona, volume 12, Espanha, páginas 314-322.
Walter J. Moore. (1963). Química Física. No partículas e ondas. Quarta edição, Longmans.