Estrutura atômica

Tudo é feito de átomos 原子. Um átomo é principalmente espaço vazio. Em seu centro está um pequeno e pesado núcleo 原子核. O núcleo contém dois tipos de partícula: prótons 质子 e nêutrons 中子. Ao redor do núcleo, no espaço vazio, movem-se os elétrons 电子. Os elétrons ficam em camadas 壳层 — camadas a distâncias definidas do núcleo.

O núcleo é muito pequeno, mas detém quase toda a massa. Os elétrons ocupam quase todo o espaço, mas têm quase nenhuma massa.

Carga relativa e massa relativa

Comparamos as três partículas usando carga relativa 相对电荷 e massa relativa 相对质量. São números simples, não unidades reais.

Um próton e um nêutron têm massas quase iguais. Um elétron é cerca de 1836 vezes mais leve. O próton é positivo, o elétron é negativo, e o nêutron não tem carga — ele é neutro 中性.

Número atômico e número de massa

Dois números descrevem o núcleo:

• o número atômico 质子数 (também chamado de número atômico 原子序数), símbolo $Z$ — o número de prótons.
• o número de massa 核子数 (também chamado de número de massa 质量数), símbolo $A$ — o número total de prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons são ambos núcleons 核子.

Então o número de nêutrons é $A - Z$.

Contando partículas em um átomo ou íon

Para um átomo neutro, o número de elétrons é igual ao número de prótons, que é igual a $Z$.

Um íon 离子 é um átomo que perdeu ou ganhou elétrons, portanto possui uma carga:

• um íon positivo tem menos elétrons do que prótons.
• um íon negativo tem mais elétrons do que prótons.

Exemplo: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ tem $13$ prótons, $27 - 13 = 14$ nêutrons e $13 - 3 = 10$ elétrons (perdeu 3 elétrons para se tornar $3+$).

Como a massa e a carga estão distribuídas

Quase toda a massa está no núcleo, porque prótons e nêutrons são pesados e elétrons são muito leves. Toda a carga positiva está no núcleo (os prótons). A carga negativa está distribuída nas camadas (os elétrons).

Feixes de partículas em um campo elétrico

Imagine feixes de prótons, nêutrons e elétrons movendo-se à mesma velocidade em direção a um campo elétrico 电场 entre duas placas carregadas:

• o feixe de prótons desvia em direção à placa negativa (prótons são positivos).
• o feixe de elétrons desvia na direção oposta, em direção à placa positiva. Ele desvia muito mais, porque o elétron é muito mais leve — a mesma força causa uma maior deflexão 偏转 em uma massa menor.
• o feixe de nêutrons passa reto. Não possui carga, então o campo não exerce nenhuma força sobre ele.

Raio atômico e raio iônico

O raio atômico 原子半径 é o tamanho de um átomo. O raio iônico 离子半径 é o tamanho de um íon.

Ao longo de um período 周期 (da esquerda para a direita), o raio atômico fica menor. A carga nuclear 核电荷 (a atração dos prótons) aumenta, mas os elétrons entram na mesma camada externa, então o blindagem 屏蔽 pelas camadas internas permanece aproximadamente a mesma. A atração mais forte puxa a camada externa para dentro.

Abaixo em um grupo 族 (de cima para baixo), o raio atômico fica maior. Cada passo para baixo adiciona uma nova camada, então os elétrons externos ficam mais distantes e sentem mais blindagem do núcleo.

Para íons:

• um íon positivo (catião 阳离子) é menor que seu átomo. Perdeu sua camada externa, e os elétrons restantes sentem uma atração mais forte cada um.
• um íon negativo (anion 阴离子) é maior que seu átomo. Ganhou elétrons, então há mais repulsão 排斥 entre os elétrons.
• entre íons que têm o mesmo número de elétrons, aquele com mais prótons é menor.

Isótopos 同位素 são átomos do mesmo elemento com o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. Portanto, isótopos têm o mesmo número atômico $Z$, mas um número de massa diferente $A$.

Escrevemos um isótopo como $^{A}_{Z}\text{X}$: o número de massa $A$ em cima, o número atômico $Z$ embaixo. Por exemplo, o cloro tem dois isótopos principais, $^{35}_{17}\text{Cl}$ e $^{37}_{17}\text{Cl}$.

Mesmas propriedades químicas

Propriedades químicas 化学性质 dependem dos elétrons, especialmente dos elétrons externos. Isótopos de um mesmo elemento têm o mesmo número de elétrons organizados da mesma forma. Portanto, reagem exatamente da mesma maneira — possuem as mesmas propriedades químicas.

Diferentes propriedades físicas

Algumas propriedades físicas 物理性质 dependem da massa, então diferem entre isótopos. Um isótopo mais pesado tem mais nêutrons, logo mais massa, e consequentemente maior densidade 密度. (O programa limita essa diferença à massa e densidade.)

Os elétrons estão organizados em camadas, subcamadas e orbitais.

Camadas e número quântico principal

Cada camada é rotulada pelo número quântico principal 主量子数 $n = 1, 2, 3, \dots$. Um $n$ maior significa uma camada mais distante do núcleo e com maior energia.

Subcamadas e orbitais

Cada camada é dividida em subcamadas 亚层, nomeadas s, p e d. Cada subcamada é composta por orbitais 轨道. Um orbital é uma pequena região que pode acomodar até dois elétrons.

Assim, uma subcamada s acomoda 2 elétrons, uma subcamada p acomoda 6, e uma subcamada d acomoda 10.

Ordem de energia crescente

Os elétrons preenchem primeiro a subcamada de menor energia. Para as primeiras três camadas, além de 4s e 4p, a ordem de aumento de energia é:

Observe a surpresa: 4s tem ligeiramente menor energia que 3d, então 4s é preenchido primeiro.

Configuração eletrônica

A configuração eletrônica 电子排bul lista quantos elétrons estão em cada subcamada. A disposição de menor energia é o estado fundamental 基态.

Para o ferro (Fe, $Z = 26$):

Você pode escrever uma abreviação usando o gás nobre 稀有气体 mais próximo entre colchetes:

Aqui $[\text{Ar}]$ representa a configuração completa do argônio.

Para íons, você adiciona ou remove elétrons. Uma regra importante: quando um metal de transição forma um íon positivo, ele perde seus elétrons 4s antes dos elétrons 3d. Então $\text{Fe}^{3+}$ torna-se $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

Elétrons em caixas

A notação elétrons em caixas desenha cada orbital como uma caixa e cada elétron como uma seta. Dois elétrons no mesmo orbital devem apontar em direções opostas, porque cada elétron possui uma propriedade chamada spin 自旋, e um orbital compartilhado precisa de spins opostos.

Dentro de uma subcamada, elétrons preenchem orbitais vazios um de cada vez, com setas paralelas, antes que qualquer orbital receba um segundo elétron. Espalhar-se dessa forma mantém os elétrons separados e reduz a repulsão entre eles.

Por que a configuração assume esta forma

Os elétrons preenchem de baixa energia para alta energia porque isso resulta no átomo mais estável (de menor energia). Dentro de uma subcamada, eles se espalham primeiramente de forma individual para reduzir a repulsão entre os elétrons negativos.

Formas de orbitais s e p

• um orbital s é uma esfera 球形 centrada no núcleo.
• um orbital p tem dois lóbulos, como uma haltere, apontando ao longo de um eixo. Os três orbitais p apontam em três direções perpendiculares (os eixos $x$, $y$ e $z$).

Radicais livres

Um radical livre 自由基 é uma espécie com um ou mais elétrons desemparelhados 未成对电子. Radicais livres são muito reativos.

Primeira energia de ionização

A primeira energia de ionização 第一电离能 (IE) é a energia necessária para remover um elétron de cada átomo em um mol de átomos gasosos, formando um mol de íons gasosos $+1$.

Usamos átomos gasosos para que não haja forças entre as partículas. A unidade é $\text{kJ mol}^{-1}$. Como equação, para um elemento X:

O $(\text{g})$ indica que a espécie é um gás.

Energias de ionização sucessivas

Após remover um elétron, você pode remover outro. A segunda energia de ionização remove um elétron de cada íon $+1$:

Você pode continuar. Estas são as energias de ionização sucessivas 逐级电离能. Cada uma é maior que a anterior, porque cada elétron é arrancado de um íon mais positivo.

No que a energia de ionização depende

A energia de ionização decorre da atração entre o núcleo positivo e o elétron externo. Três fatores principais determinam a intensidade dessa atração:

• carga nuclear: mais prótons atraem os elétrons com maior força, resultando em uma energia de ionização mais alta.
• raio atômico: quanto mais distante o elétron externo estiver do núcleo, menor é a atração, resultando em uma energia de ionização mais baixa.
• blindagem: camadas internas bloqueiam parte da atração sobre o elétron externo. Mais camadas internas significam mais blindagem e uma energia de ionização mais baixa.

Há também um efeito menor — repulsão por par de spins 自旋成对排斥. Quando dois elétrons compartilham um orbital, eles se repelem ligeiramente, tornando um deles mais fácil de remover.

Tendências na primeira energia de ionização

Ao longo de um período, a primeira energia de ionização geralmente aumenta. A carga nuclear cresce enquanto a blindagem permanece aproximadamente constante, mantendo os elétrons externos mais firmemente ligados.

Ao longo de um grupo, a primeira energia de ionização diminui. Elementos mais baixos possuem mais camadas, resultando em maior blindagem e raio maior, tornando o elétron externo mais fácil de remover.

As quedas são evidência de subníveis

O aumento ao longo de um período não é suave. Duas pequenas quedas aparecem, e você deve ser capaz de explicar ambas:

• Grupo 2 para Grupo 13 (por exemplo, Mg para Al): o elétron removido do Al vem de um subnível 3p, que está em nível de energia mais alto do que o subnível 3s cheio no Mg. Um elétron 3p é mais fácil de remover, então o valor cai.
• Grupo 15 para Grupo 16 (por exemplo, P para S): no S, um orbital 3p agora contém um par de elétrons. A repulsão por par de spins torna um deles mais fácil de remover, então o valor cai.

Essas quedas são evidência da existência de subníveis.

Energias de ionização sucessivas são evidência de camadas

Se você plotar as energias de ionização sucessivas de um elemento, os valores aumentam, com saltos grandes em certos pontos. Um salto grande ocorre quando o próximo elétron deve vir de uma camada mais próxima do núcleo.

Conte quantos elétrons saem facilmente antes do primeiro salto grande — esse é o número de elétrons na camada externa, o que indica o grupo do qual o elemento faz parte. Você também pode usar o padrão para determinar a configuração eletrônica e a posição do elemento na Tabela Periódica.

Exemplo resolvido. As primeiras cinco energias de ionização sucessivas de um elemento são $590$, $1150$, $4940$, $6480$ e $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Em qual grupo ele está? Procure pelo salto grande, não pelo maior número. Da 1ª para a 2ª energia, o valor duplica aproximadamente, o que é um aumento normal. Da 2ª ($1150$) para a 3ª ($4940$), ele quadruplica mais do que isso: esse é o salto. Portanto, dois elétrons saem facilmente antes dele, a camada externa tem 2 elétrons, e o elemento está no Grupo 2. Conte os elétrons removidos antes do salto e explique o salto corretamente: o próximo elétron está sendo puxado de uma camada mais próxima do núcleo, não de um elemento diferente.

• Defina isótopos completamente: átomos do mesmo elemento com o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons — o gabarito exige ambas as partes.
• O 4s preenche antes do 3d, mas os elétrons são removidos do 4s primeiro ao formar íons, então $\text{Fe}^{3+}$ é $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (não $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
• Nas energias de ionização sucessivas, um salto grande marca o início de uma nova camada (interna) — use os saltos para posicionar o elemento em seu grupo.
• Explique todas as tendências de energia de ionização usando os mesmos três fatores: carga nuclear, distância e blindagem, além dos efeitos de subníveis para as pequenas quedas.
• Aprenda a razão exata pela qual a primeira energia de ionização do oxigênio está abaixo da do nitrogênio: os elétrons 2p pareados do oxigênio se repelem, tornando um deles mais fácil de remover.