Números quânticos
Podemos pensar em um átomo como um hotel. Assim como há um número fixo de quartos onde os hóspedes podem ficar, há locais fixos onde provavelmente encontraremos elétrons. Essas localizações fixas são chamadas de orbitais e sua localização é definida por seu número quântico.
Os números quânticos nos permitem definir a localização de um elétron dentro da estrutura atômica. O primeiro número quântico, n , é a camada de elétrons e fornece os níveis de energia da estrutura atômica. Você pode pensar nisso como os andares do hotel e, quanto mais baixo for o andar (ou seja, quanto menor o valor de n ), menor será a energia dessa camada de elétrons.
Dentro de cada camada, encontramos as sub-camadas dadas pelo segundo número quântico, l . Essas subcamadas têm formas diferentes dependendo de seu nível de energia. Pense nessas subconchas como os quartos do nosso hotel, e cada um desses quartos pode conter um número diferente de orbitais. Cada um desses orbitais contém exatamente dois elétrons, e o número de orbitais por subcamada é dado pelo terceiro número quântico, m l . Para os primeiros quatro subshells ( s , p , d e f ), isso se divide da seguinte forma:
- s é 1 orbital, 2 elétrons
- p é 3 orbitais, 6 elétrons
- d é 5 orbitais, 10 elétrons
- f é 7 orbitais, 14 elétrons
Ao escrever a subcamada de um átomo, colocamos o valor n da camada na frente dele. Por exemplo, a sub camada d da terceira camada é 3 d . Os elétrons de um átomo não preenchem suas camadas e subcamadas aleatoriamente, mas, em vez disso, seguem uma ordem muito específica. Esta ordem é governada por três regras diferentes.
Princípio de Exclusão de Pauli
 |
A primeira dessas regras é conhecida como princípio de exclusão de Pauli , e afirma que dois elétrons em um átomo não podem ter exatamente os mesmos números quânticos. Até agora, sabemos que cada camada contém várias sub-camadas e cada sub-camada tem pelo menos um orbital que pode conter dois elétrons. Isso significa que esses dois elétrons podem ter exatamente os mesmos números quânticos n , l e m l . Para que o princípio de exclusão de Pauli seja verdadeiro, deve haver outro número quântico para diferenciar esses dois elétrons.
Este quarto número quântico, m s , dá o spin de um elétron. O spin de um elétron é seu momento angular intrínseco e pode vir em um valor de 1/2, conhecido como spin para cima, ou -1/2, conhecido como spin para baixo. Como um orbital pode conter exatamente dois elétrons com os mesmos primeiros três números quânticos, o princípio de exclusão de Pauli nos diz que ambos os elétrons devem ter spins opostos para que não tenham exatamente os mesmos números quânticos.
Regra de Hund
 |
O princípio de exclusão de Pauli nos permite saber como um único orbital é preenchido por elétrons. No entanto, muitas sub-camadas contêm mais de um orbital. O método pelo qual uma subcamada contendo orbitais múltiplos é preenchida é dado pelas duas partes da regra de Hund.
Como os elétrons são carregados negativamente, há uma certa repulsão que os impede de querer preencher o mesmo espaço. Portanto, de acordo com a primeira parte da regra de Hund , os elétrons cairão em orbitais vazios da mesma energia antes que os elétrons comecem a formar pares no mesmo orbital.
Por exemplo, uma subcamada p tem três orbitais, e cada um deles será preenchido com um único elétron antes que um segundo elétron seja colocado em um orbital. Saber a ordem em que os elétrons preenchem uma subcamada nos permite prever se um átomo terá um elétron desemparelhado ou não. Isso é importante para as propriedades do átomo. Por exemplo, se houver um elétron desemparelhado, esse átomo é paramagnético; com todos os elétrons emparelhados, o átomo é diamagnético.
A segunda parte da regra de Hund afirma que, para maximizar o spin, os elétrons que caem em cada orbital vazio terão todos o mesmo spin. Isso significa que, se o primeiro elétron que cair em um orbital p tiver spin-up, o mesmo acontecerá com os próximos dois elétrons que cair nos outros dois orbitais vazios. Se, em vez disso, houver spin-down, os próximos dois elétrons também terão spin-down.
Princípio Aufbau
Até agora vimos como os elétrons preenchem um único orbital, com o princípio de exclusão de Pauli, e como eles preenchem uma subcamada contendo orbitais múltiplos, com a regra de Hund. A última coisa que precisamos entender é a ordem em que as diferentes subcamadas são preenchidas, já que a maioria dos átomos tem mais de uma subcamada. Essa ordem é dada pelo princípio de Aufbau , que afirma que os elétrons preencherão os orbitais de menor nível de energia antes de se moverem para orbitais de maior energia.
Em geral, os níveis de energia dos orbitais aumentam com o primeiro e o segundo números quânticos, que são a camada e a sub camada. No entanto, à medida que você começa a obter energias mais altas, essa relação fica mais complicada porque as subcamadas s de níveis mais altos podem ter energia mais baixa do que as subcamadas d e f de níveis inferiores. Para ver a ordem em que os subshells são preenchidos, podemos seguir um diagrama como este aqui:
 |
Para seguir este diagrama, seguimos a direção das setas que preenchem os subshells conforme passamos por eles. Fazemos isso começando com a seta no topo do diagrama e descemos. Seguindo o diagrama, podemos ver que as sub-camadas são preenchidas na ordem 1 s , 2 s , 2 p , 3 s , 3 p , 4 s , 3 d , e assim por diante. Você não precisa memorizar essa ordem, mas apenas lembre-se de que, quando começar a atingir os níveis de energia mais elevados, consulte um gráfico como este para obter ajuda.
Resumo da lição
Usamos números quânticos para nos ajudar a definir a posição de um elétron dentro de uma estrutura atômica. O primeiro número quântico ( n ) fornece a casca; o segundo ( l ) fornece a subcamada; o terceiro ( m l ), o número de orbitais em uma subcamada; e o quarto ( m s ), o spin do elétron. Usando-os com nossas três regras, podemos determinar a ordem em que as camadas e subcamadas de um átomo são preenchidas com elétrons.
Primeiro, o princípio de exclusão de Pauli nos permite saber que dois elétrons não podem ter exatamente os mesmos números quânticos. Isso significa que dois elétrons em um único orbital devem ter spins opostos.
Em segundo lugar, a regra de Hund nos diz que os elétrons cairão em orbitais vazios da mesma energia antes que os elétrons comecem a se emparelhar no mesmo orbital, e que esses elétrons caindo em orbitais vazios terão todos o mesmo valor de spin.
Finalmente, o Princípio de Aufbau afirma que os elétrons preenchem os orbitais de baixa energia antes de se moverem para os orbitais de alta energia.
Com essas três regras, podemos dizer a ordem em que as sub camadas e camadas são preenchidas, exatamente como os elétrons preenchem cada sub camada e como eles preenchem um único orbital.