Construindo Nosso Universo
Qual você acha que é o material de construção mais importante? É madeira, aço, tijolos, concreto ou outra coisa? Se você me perguntar, é algo muito mais básico do que qualquer um desses materiais: átomos. Os átomos são os blocos de construção de nosso universo. Tudo o que você pode ver e tocar é feito deles.
Os átomos são categorizados em diferentes tipos chamados elementos. Cada elemento é definido pelo número de prótons naquele átomo. Chamamos isso de número atômico, que pode ser visto na tabela periódica.
 |
Um átomo neutro tem o mesmo número de elétrons que prótons. Esses elétrons são o que permitem que os átomos funcionem como blocos de construção para tudo no universo. Nem você, eu, nem qualquer objeto ou pessoa em que possa pensar em sua vida cotidiana existiria sem elétrons. Como os elétrons são tão importantes, vamos nos aprofundar no aprendizado de como eles são estruturados em um átomo.
Configuração Eletrônica
Para ver como os elétrons estão estruturados em torno do núcleo do átomo, usamos algo chamado configuração eletrônica . Vamos mergulhar direto e aprender sobre as configurações de elétrons olhando um elemento de exemplo.
 |
Nesta configuração eletrônica, temos um monte de letras e números elevados a diferentes potências. Cada par de letras e números representa um grupo de orbitais de elétrons no átomo. Um orbital nos diz as posições aproximadas em que os elétrons circundam o núcleo. Os números em sobrescrito representam o número de elétrons em cada grupo orbital. O número total de elétrons que cada grupo pode ter é determinado pela letra: s pode ter 2 elétrons, p pode ter 6, d pode ter 10 e f pode ter 14.
Então, como vamos preencher uma configuração eletrônica nós mesmos? Os grupos orbitais são preenchidos em ordem de acordo com a regra de Madelung , que pode ser melhor visualizada por um gráfico.
 |
Vamos tentar usar este gráfico para preencher um exemplo de configuração de elétrons para um átomo de selênio (Se). O selênio tem um número atômico de 34 e, portanto, 34 elétrons para se encaixar em seus grupos orbitais adequados. Para escrever a configuração de elétrons do selênio, basta seguir as setas começando no topo e descer no gráfico de configuração de elétrons. Seguindo essas instruções, descobrimos que o selênio tem a seguinte configuração de elétrons.
 |
Quatro Números Quânticos
Vimos como escrever configurações de elétrons, mas até agora não explicamos o que significam esses números e letras nas configurações. Chamamos esses números e letras de números quânticos , e eles nos falam sobre as diferentes propriedades dos elétrons e seus orbitais. Há um total de quatro números quânticos. Vamos examinar cada um deles.
O primeiro número quântico é o número quântico principal ( n ) . Este é o número que vemos em cada par de grupos orbitais de letras e números em uma configuração eletrônica. O número quântico principal nos diz duas coisas. Primeiro, ele nos diz o nível de energia do elétron, que frequentemente chamamos de sua camada. Em segundo lugar, ele nos diz o tamanho do orbital. Os números quânticos principais são representados como inteiros com o menor valor possível de 1.
n = 1, 2, 3, etc.
Aqui, n = 1 é o nível de energia mais baixo de um elétron, também conhecido como estado fundamental. Então, n = 2, n = 3 e assim por diante são estados excitados com energias mais altas. Além disso, à medida que n aumenta , também aumenta o tamanho do orbital.
O número quântico do momento angular ( l ) é a letra que segue o número quântico principal na configuração eletrônica de um átomo. Nós as consideramos sub-camadas das camadas do nível de energia do elétron. Essas letras representam as várias formas que os orbitais assumem.
 |
Podemos encontrar a forma de um orbital se soubermos o valor de l , que sempre começa com um valor de 0 e vai até um máximo de n – 1.
Vejamos o exemplo de n = 3. Isso significa que l consistirá em inteiros de 0 a n – 1.
n – 1 = 3 -1 = 2
e
l = 0, 1, 2
Cada valor de l corresponde a uma forma orbital diferente. Aqui temos l = 0 que corresponde à forma orbital s , l = 1 corresponde à forma orbital p e l = 2 a forma orbital d .
Nossos dois números quânticos finais não são representados visualmente na configuração do elétron. A primeira destas duas é o número quântico magnético ( m l ) . Isso informa a orientação de um orbital em torno do núcleo. O número de orientações orbitais depende do número quântico do momento angular do elétron. Especificamente, os valores para m l são inteiros no intervalo de – l a + l .
Por exemplo, se tivéssemos um orbital p cujo valor l é 1, isso nos daria m l = -1, 0, 1. Portanto, há três orbitais p orientados de forma diferente ao redor do núcleo.
 |
Finalmente, o último número quântico é chamado de número quântico de spin ( m s ) . O spin do elétron não é o tipo tradicional de spin em que você pensa, como uma roda girando. Em vez disso, é um valor intrínseco de um elétron. Os elétrons podem ter spin para cima, m s = +1/2, ou podem ter spin para baixo, m s = -1/2.
O spin é importante porque permite que os elétrons sustentem o princípio de exclusão de Pauli , que nos diz que nenhum elétron em um átomo pode ter os mesmos valores para todos os quatro números quânticos (ou seja , n , l , m l , m s ). Um único orbital geralmente consiste em dois electrões com os mesmos valores de n , L , e m l . No entanto, esses dois elétrons manterão o princípio de exclusão de Pauli porque eles sempre têm valores opostos para spin.
Resumo da lição
Ok, vamos revisar o que aprendemos ao longo desta lição. Os átomos consistem em um núcleo rodeado por uma nuvem de elétrons. Os elétrons preenchem essa nuvem em uma estrutura específica. Chamamos isso de configuração eletrônica do átomo , que consiste em uma série de orbitais que nos informam as posições aproximadas dos elétrons ao redor do núcleo. Cada grupo orbital é escrito como um número e um par de letras elevado a uma potência. Esse poder é o número de elétrons nesse grupo orbital. Podemos preencher a configuração eletrônica de um átomo seguindo a regra de Madelung .
O número e os pares de letras em uma configuração de elétron representam dois dos quatro números quânticos do elétron. Esses números quânticos nos fornecem mais informações sobre as propriedades dos elétrons e seus orbitais.
O principal número quântico ( n ) nos diz o nível de energia de um elétron e seu tamanho. O número quântico do momento angular ( l ) nos permite saber a forma do orbital de um elétron. O número quântico magnético ( m l ) nos dá a orientação do orbital ao redor do núcleo. Finalmente, o número quântico de spin ( m s ) é um valor intrínseco do elétron. Os elétrons emparelhados em um orbital sempre têm spins opostos.