2.2: Configurações Electrónicas

Core e Valence Electrons

Como continuamos através da tabela periódica desta forma, escrevendo as configurações electrónicas de átomos cada vez maiores, torna-se enfadonho continuar a copiar as configurações das subcasas interiores preenchidas. Na prática, os químicos simplificam a notação, usando um símbolo de gás nobre entre parênteses para representar a configuração do gás nobre da linha anterior, pois todos os orbitais de um gás nobre são preenchidos. Por exemplo, representa a configuração eletrônica 1s2 2s2 2p6 de néon (Z = 10), portanto a configuração eletrônica de sódio, com Z = 11, que é 1s2 2s2 2p6 3s1, é escrito como 3s1

		Configuração Electrónica Completa	Nobel Gas Shorthand
Neon	Z = 10	Ne: 1s2 2s2 2p6	Ne: 2s2 2p6
Sódio	Z = 11	Na: 1s2 2s2 2p6 3s1	Na: 3s1

Electrões em orbitais interiores cheios estão mais próximos do núcleo e mais firmemente ligados a ele, e por isso raramente estão envolvidos em reacções químicas. Vamos chamar esses núcleos de elétrons. Para os elementos representativos (colunas 1, 2, e 13-18 da Tabela Periódica), os elétrons do núcleo são todos elétrons com um valor n inferior ao valor n máximo na configuração eletrônica. Por exemplo, no átomo de sódio o maior valor de n é 3. Assim, os elétrons do núcleo são aqueles dos orbitais atômicos com n < 3, ou seja, aqueles dos orbitais 1s, 2s e 2p. Assim, o sódio tem 10 elétrons do núcleo. Mais tarde revisaremos esta definição de elétrons do núcleo para metais de transição.

Isto significa que a química de um átomo depende principalmente dos elétrons em sua casca mais externa, aqueles com o maior valor de n, que são chamados de elétrons de valência. A notação simplificada permite-nos ver mais facilmente a configuração valência-electrão. Usando esta notação para comparar as configurações de elétrons de sódio e lítio, nós temos:

Sódio	1s2 2s2 2p6 3s1	3s1
Lithium	1s2 2s1	2s1

É facilmente visível que tanto o sódio como o lítio têm um electrão na sua casca de valência. Portanto, poderíamos prever que o sódio e o lítio têm uma química muito semelhante, o que é de fato o caso.

Como continuamos a construir os oito elementos do período 3, os orbitais 3s e 3p são preenchidos, um elétron de cada vez. Esta linha conclui com o argônio de gás nobre, que tem a configuração eletrônica 3s2 3p6, correspondente a uma concha de valência preenchida.

A ordem geral em que os orbitais são preenchidos é mostrada na Figura 2.2.1. As subcasas correspondentes a cada valor de n são escritas da esquerda para a direita em linhas horizontais sucessivas, onde cada linha representa uma linha na tabela periódica. A ordem na qual as orbitais são preenchidas é indicada pelas linhas diagonais que vão da parte superior direita para a parte inferior esquerda. Assim, o orbital 4s é preenchido antes do orbital 3d, devido aos efeitos de blindagem e penetração. Consequentemente, a configuração eletrônica do potássio, que inicia o quarto período, é 4s1, e a configuração do cálcio é 4s2. Cinco orbitais 3d são preenchidos pelos 10 elementos seguintes, os metais de transição, seguidos por três orbitais 4p. Note que o último membro desta linha é o krypton de gás nobre (Z = 36), Kr: 4s2 3d10 4p6, que preencheu as orbitais 4s, 3d, e 4p. A quinta linha da tabela periódica é essencialmente a mesma que a quarta, exceto que os orbitais 5s, 4d e 5p são preenchidos sequencialmente.

A sexta linha da tabela periódica será diferente das duas anteriores porque os 4f orbitais, que podem conter 14 elétrons, são preenchidos entre os 6s e os 5d orbitais. Os elementos que contêm 4f orbitais em sua casca de valência são os lanthanides. Quando as orbitais 6p estão finalmente preenchidas, chegamos ao próximo (e último conhecido) gás nobre, rádon (Z = 86), Rn: 6s2 4f14 5d10 6p6. Na última linha, os 5f orbitais são preenchidos entre os 7s e os 6d orbitais, o que dá os 14 elementos actinídeos. Como o grande número de prótons torna seus núcleos instáveis, todos os actinídeos são radioativos.

As configurações eletrônicas dos elementos são apresentadas na Figura 2.2.3, que lista os orbitais na ordem em que são preenchidos. Em vários casos, as configurações dos elétrons de estado de terra são diferentes das previstas na Figura 2.2.1. Algumas destas anomalias ocorrem quando as orbitais 3d são preenchidas. Por exemplo, a configuração dos elétrons de cromo observada é 4s1 3d5 e não a prevista 4s2 3d4. Da mesma forma, a configuração eletrônica de cobre observada é 4s1 3d10 em vez de s2 3d9. A configuração electrónica real pode ser racionalizada em termos de uma estabilidade adicional associada a uma subesfera meio preenchida (ns1, np3, nd5, nf7) ou cheia (ns2, np6, nd10, nf14). Dadas as pequenas diferenças entre níveis de energia mais elevados, esta estabilidade acrescentada é suficiente para deslocar um electrão de um orbital para outro. Em elementos mais pesados, outros efeitos mais complexos também podem ser importantes, levando a algumas das anomalias adicionais indicadas na Figura 2.2.3. Por exemplo, o cério tem uma configuração eletrônica de 6s2 4f1 5d1, que é impossível de racionalizar em termos simples. Na maioria dos casos, porém, estas anomalias aparentes não têm consequências químicas importantes.