Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

23Camadas eletrônicas e tabela periódica

O neônio brilha em vermelho-alaranjado num letreiro; o sódio, um metal mole, pega fogo na água; o cloro é um gás amarelo-esverdeado sufocante. No entanto, os átomos deles diferem por apenas um ou dois prótons: o neônio tem 10, o sódio 11, o cloro 17. Por que vizinhos na tabela periódica se comportam de modo tão diferente, enquanto o sódio e o potássio, distantes em número atômico, se comportam de modo tão parecido? A resposta está no modo como os elétrons de um átomo estão organizados.

O que você já sabe

Um átomo tem $Z$ prótons no núcleo e, quando neutro, $Z$ elétrons em volta dele (Capítulo 16). A tabela periódica ordena os elementos por $Z$ em períodos (linhas) e grupos (colunas); os elementos de um grupo se comportam de modo parecido (Capítulo 20). Os átomos ganham ou perdem elétrons e viram íons (Capítulo 17).

23.1 A configuração eletrônica

Definição 23.1 (Camadas, subníveis e configuração eletrônica)

Os elétrons de um átomo estão organizados em camadas, numeradas $n = 1, 2, 3, \ldots$ do núcleo para fora; quanto maior $n$ , mais longe do núcleo e menos presos estão os elétrons. Cada camada se divide em subníveis, designados por uma letra: a camada 1 tem um subnível s (1s), a camada 2 um subnível s e um p (2s, 2p), a camada 3 tem 3s e 3p (e 3d, visto mais tarde). Um subnível s comporta no máximo 2 elétrons, um subnível p no máximo 6. A configuração eletrônica de um átomo lista os seus subníveis ocupados, com os seus números de elétrons como expoentes: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ para o oxigênio.

Método 23.2 (Escrever uma configuração eletrônica, até $Z = 20$ )

Conte os elétrons: $Z$ para um átomo neutro.
Preencha os subníveis nesta ordem, cada um até o seu máximo antes de começar o seguinte:

$1\mathrm{s} \to 2\mathrm{s} \to 2\mathrm{p} \to 3\mathrm{s} \to 3\mathrm{p} \to 4\mathrm{s}.$
Verifique que os expoentes somam o número de elétrons.

Sódio, $Z = 11$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^1$ . Cloro, $Z = 17$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ . Cálcio, $Z = 20$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6\,4\mathrm{s}^2$ .

A ordem de preenchimento, até Z = 20. Cada caixinha é um lugar para um elétron: um subnível s tem 2 lugares, um subnível p tem 6. — A ordem de preenchimento, até $Z = 20$ . Cada caixinha é um lugar para um elétron: um subnível s tem 2 lugares, um subnível p tem 6.

23.2 Os elétrons de valência

Definição 23.3 (Elétrons de valência e elétrons internos)

Os elétrons da camada ocupada mais externa (a camada de maior $n$ ) são os elétrons de valência; os outros são os elétrons internos. Só os elétrons de valência participam das reações químicas.

Exemplo 23.4 (Contar os elétrons de valência)

Oxigênio, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ : camada externa $n = 2$ , $2 + 4 = 6$ elétrons de valência. Sódio, $\ldots 3\mathrm{s}^1$ : 1 elétron de valência. Cloro, $\ldots 3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ : 7. Neônio, $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ : 8, uma camada completa.

23.3 A tabela reconstruída a partir das configurações

Proposição 23.5 (Período e grupo a partir da configuração)

Para os elementos até $Z = 20$ :

o período de um elemento é o número $n$ da sua camada externa;
os elementos de um mesmo grupo têm o mesmo número de elétrons de valência — um no grupo 1, dois no grupo 2, de três a oito nos grupos 13 a 18 (o hélio, com 2, é uma exceção).

As duas colunas da esquerda, em que os últimos elétrons entram num subnível s, formam o bloco s; os grupos 13 a 18 formam o bloco p.

Os vinte primeiros elementos, com o número de elétrons em cada camada embaixo do símbolo (2.8.1 para o sódio: 2 na camada 1, 8 na camada 2, 1 na camada 3). As cores marcam os blocos s e p. — Os vinte primeiros elementos, com o número de elétrons em cada camada embaixo do símbolo ( $2.8.1$ para o sódio: 2 na camada 1, 8 na camada 2, 1 na camada 3). As cores marcam os blocos s e p.

23.4 As famílias

Definição 23.6 (Famílias químicas)

Uma família química é um grupo da tabela periódica cujos elementos compartilham as suas principais propriedades químicas. Três famílias têm nome: os metais alcalinos (o grupo 1, menos o hidrogênio: lítio, sódio, potássio…), metais moles que reagem fortemente com a água; os halogênios (grupo 17: flúor, cloro, bromo, iodo), não metais coloridos e reativos; e os gases nobres (grupo 18: hélio, neônio, argônio…), que quase não reagem com nada.

Proposição 23.7 (Por que uma família se comporta igual)

Os elementos de uma família têm o mesmo número de elétrons de valência, e a química é assunto dos elétrons de valência: o lítio, o sódio e o potássio têm todos um, os halogênios sete, os gases nobres uma camada externa completa.

As famílias da tabela periódica: metais alcalinos, metais alcalinoterrosos (grupo 2), halogênios e gases nobres.

O sódio, um metal alcalino, cortado com uma faca: mole e prateado quando recém-cortado, ele escurece na hora ao ar. Foto: Dnn87, CC BY-SA 3.0.

No laboratório — O sódio na água

Atrás de uma tela, o professor joga um pedaço de sódio do tamanho de um grão de arroz numa bacia grande com água. Ele flutua, derrete numa bolinha brilhante e dispara de um lado para o outro, chiando, até sumir; o gás liberado é o hidrogênio, e a água que fica é básica.

Segurança

Sódio: libera hidrogênio inflamável com a água (GHS02), provoca queimaduras graves (GHS05). Cloro: um gás oxidante (GHS03), tóxico se inalado (GHS06), também irritante e muito tóxico para os organismos aquáticos. Os dois só são manuseados pelo professor.

23.5 Os íons estáveis e a regra dos gases nobres

Definição 23.8 (Regras do dueto e do octeto)

Os gases nobres, com uma camada externa completa, quase não reagem: a configuração deles é especialmente estável. Quando os átomos dos primeiros elementos formam íons, eles ganham ou perdem elétrons de modo a alcançar a configuração do gás nobre mais próximo: dois elétrons na camada 1, como o hélio, para os átomos mais leves — a regra do dueto — e oito elétrons na camada externa, como o neônio ou o argônio, para os outros — a regra do octeto.

Exemplo 23.9 (Íons previstos pela regra)

O sódio, $2.8.1$ , perde o seu único elétron de valência: $\ce{Na+}$ , $2.8$ , como o neônio. O magnésio, $2.8.2$ , perde dois: $\ce{Mg^{2+}}$ . O alumínio, $2.8.3$ , perde três: $\ce{Al^{3+}}$ . O cloro, $2.8.7$ , ganha um: $\ce{Cl-}$ , $2.8.8$ , como o argônio. O oxigênio, $2.6$ , ganha dois: $\ce{O^{2-}}$ . O enxofre, $2.8.6$ : $\ce{S^{2-}}$ . O lítio, $2.1$ , perde um e fica com $2$ , como o hélio: $\ce{Li+}$ .

O íon sódio tem a configuração do neônio, o gás nobre mais próximo.

Observação 23.10 (Limites da regra)

A regra funciona bem para os vinte primeiros elementos e os seus íons simples. Muitos elementos, como o ferro ( $\ce{Fe^{2+}}$ e $\ce{Fe^{3+}}$ ), não a seguem; as razões, e uma descrição melhor dos elétrons, são dadas no volume do primeiro ano da universidade.

23.6 Exercícios

Exercício 23.1 ★

Escreva as configurações eletrônicas do carbono ( $Z = 6$ ), do nitrogênio ( $Z = 7$ ) e do magnésio ( $Z = 12$ ).

Solução

Solução de Exercício 23.1.

C: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^2$ . N: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^3$ . Mg: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ .

Exercício 23.2 ★

Quantos elétrons de valência têm o carbono, o nitrogênio e o magnésio?

Solução

Solução de Exercício 23.2.

Carbono 4, nitrogênio 5, magnésio 2.

Exercício 23.3 ★

Em que período e em que grupo está o elemento de configuração $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3$ ?

Solução

Solução de Exercício 23.3.

Camada externa $n = 3$ : período 3. $2 + 3 = 5$ elétrons de valência: grupo 15 (fósforo).

Exercício 23.4 ★

Dê o nome das três famílias deste capítulo e dois elementos de cada uma.

Solução

Solução de Exercício 23.4.

Metais alcalinos (lítio, sódio, potássio); halogênios (flúor, cloro, bromo, iodo); gases nobres (hélio, neônio, argônio).

Exercício 23.5 ★

Enuncie a regra do octeto.

Solução

Solução de Exercício 23.5.

Os átomos tendem a ganhar ou perder elétrons de modo a ter oito elétrons na camada externa, como o gás nobre mais próximo.

Exercício 23.6 ★★

Usando a regra dos gases nobres, dê o íon formado pelo potássio ( $Z = 19$ ) e pelo flúor ( $Z = 9$ ), com as suas configurações.

Solução

Solução de Exercício 23.6.

K, $2.8.8.1$ , perde um: $\ce{K+}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6$ (argônio). F, $2.7$ , ganha um: $\ce{F-}$ , $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ (neônio).

Exercício 23.7 ★★

Um elemento tem 2 elétrons na terceira camada, e a terceira camada é a sua camada externa. Dê a sua configuração, o seu número atômico e o seu nome.

Solução

Solução de Exercício 23.7.

$1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ : $Z = 12$ , magnésio.

Exercício 23.8 ★★

Usando os íons estáveis, escreva a fórmula do composto iônico formado pelo magnésio e pelo cloro, e depois pelo alumínio e pelo oxigênio.

Solução

Solução de Exercício 23.8.

$\ce{Mg^{2+}}$ e $\ce{Cl-}$ : $\ce{MgCl2}$ . $\ce{Al^{3+}}$ e $\ce{O^{2-}}$ : $\ce{Al2O3}$ .

Exercício 23.9 ★★

Olhe a tabela dos vinte primeiros elementos. Que elementos têm o mesmo número de elétrons de valência que o oxigênio?

Solução

Solução de Exercício 23.9.

O enxofre (6 elétrons de valência, $2.8.6$ ), no mesmo grupo, o 16.

Exercício 23.10 ★★

Por que o neônio, ao contrário do sódio e do cloro, não forma íons nas reações químicas?

Solução

Solução de Exercício 23.10.

A camada externa dele já está completa (oito elétrons): ele não tem nada a ganhar perdendo ou ganhando elétrons.

Exercício 23.11 ★★

O íon $\ce{X^{2+}}$ tem a configuração do argônio. Encontre $X$ .

Solução

Solução de Exercício 23.11.

O argônio tem 18 elétrons; $\ce{X^{2+}}$ perdeu 2, então X tem 20: o cálcio.

Exercício 23.12 ★★★

O hélio tem 2 elétrons de valência, mas fica no grupo 18, e não no grupo 2. Explique usando a sua configuração.

Solução

Solução de Exercício 23.12.

O hélio, $1\mathrm{s}^2$ , tem a camada externa completa (a camada 1 só comporta dois elétrons), como os outros gases nobres; ele não se comporta como os metais do grupo 2.

Exercício 23.13 ★★★

O potássio reage com a água de modo ainda mais violento que o sódio. Usando a distância do elétron de valência ao núcleo, sugira por quê.

Solução

Solução de Exercício 23.13.

O elétron de valência dele está na camada 4, mais longe do núcleo que o do sódio, na camada 3: menos preso, ele é perdido com mais facilidade.

Exercício 23.14 ★★★

Dê as configurações de $\ce{S^{2-}}$ , $\ce{Cl-}$ , $\ce{K+}$ e $\ce{Ca^{2+}}$ . O que elas têm em comum?

Solução

Solução de Exercício 23.14.

Os quatro têm 18 elétrons e a configuração do argônio:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6.

Exercício 23.15 ★★★

Um elemento do período 3 forma o íon $\ce{Y^{3-}}$ . Encontre o seu grupo, a sua configuração e o seu nome.

Solução

Solução de Exercício 23.15.

Ele ganha 3 elétrons para alcançar um octeto: tem 5 elétrons de valência, grupo 15. No período 3, é o fósforo:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3.

23.7 Problema: rubi, safira e coríndon

Problema 23.1

Problema de fim de semana — os elétrons por trás de uma pedra preciosa: de duas configurações ao número de elétrons transferidos num grama

Os rubis e as safiras são formas preciosas do coríndon, um composto iônico de alumínio e oxigênio; um traço de outros metais dá a eles as suas cores. O coríndon é duro o bastante para riscar quase tudo, e o coríndon em pó é usado para polir lentes. Tome a massa de um núcleon como $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ; o alumínio-27 tem 27 núcleons, o oxigênio-16 tem 16.

Parte I — Os átomos.

Dê os números de prótons e de elétrons de um átomo de alumínio ( $Z = 13$ ) e de um átomo de oxigênio ( $Z = 8$ ).
Escreva as suas configurações eletrônicas.
Quantos elétrons de valência tem cada um? Em que período e em que grupo está cada um?
O alumínio é um metal ou um não metal? E o oxigênio?

Parte II — Os íons.

Usando a regra do octeto, que íon o alumínio forma? Escreva a sua configuração.
Que íon o oxigênio forma? Escreva a sua configuração.
Que gás nobre tem a mesma configuração que os dois íons?
Quantos elétrons um átomo de alumínio perde, e quantos um átomo de oxigênio ganha?

Parte III — A fórmula.

Encontre a fórmula do coríndon, o composto neutro desses íons.
Numa unidade de fórmula, quantos elétrons são perdidos pelos átomos de alumínio? E ganhos pelos átomos de oxigênio?
Por que esses dois números têm de ser iguais?
Um rubi contém um traço de íons cromo $\ce{Cr^{3+}}$ no lugar de alguns $\ce{Al^{3+}}$ . Por que um íon $\ce{Cr^{3+}}$ pode tomar o lugar de um íon $\ce{Al^{3+}}$ sem desequilibrar as cargas?

Parte IV — Um grama de coríndon.

Quantos núcleons há numa unidade de fórmula de coríndon?
Calcule a massa de uma unidade de fórmula (desprezando os elétrons).
Quantas unidades de fórmula há em $1\,\mathrm{g}$ de coríndon?
Quantos íons $\ce{Al^{3+}}$ e quantos íons $\ce{O^{2-}}$ isso representa?
Por que os elétrons podem ser desprezados na questão 14?
Quantos elétrons foram transferidos do alumínio para o oxigênio para formar $1\,\mathrm{g}$ de coríndon?

Solução

Solução de Problema 23.1.

1. Alumínio: 13 prótons, 13 elétrons. Oxigênio: 8 prótons, 8 elétrons.

2. Al: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$ . O: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ .

3. Al: 3 elétrons de valência, período 3, grupo 13. O: 6, período 2, grupo 16.

4. O alumínio é um metal, o oxigênio um não metal.

5. $\ce{Al^{3+}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

6. $\ce{O^{2-}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

7. O neônio.

8. O alumínio perde 3, o oxigênio ganha 2.

9. $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ : $\ce{Al2O3}$ .

10. Perdidos: $2 \times 3 = 6$ . Ganhos: $3 \times 2 = 6$ .

11. Os elétrons não são criados nem destruídos: os que o alumínio perde são exatamente os que o oxigênio ganha, e o composto é neutro.

12. Ele tem a mesma carga, $+3$ : as cargas do cristal continuam equilibradas.

13. $2 \times 27 + 3 \times 16 = 102$ núcleons.

14. $102 \times 1.67 \times 10^{-27} = 1.70 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg}$ .

15. $10^{-3} / 1.70 \times 10^{-25} \approx 5.87 \times 10^{21}$ unidades de fórmula.

16. $2 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.17 \times 10^{22}$ íons $\ce{Al^{3+}}$ ; $3 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.76 \times 10^{22}$ íons $\ce{O^{2-}}$ .

17. Um elétron é cerca de 1836 vezes mais leve que um núcleon; os 50 elétrons de uma unidade de fórmula pesam menos de três centésimos de um núcleon.

18. $6 \times 5.87 \times 10^{21} \approx 3.5 \times 10^{22}$ elétrons transferidos para $1\,\mathrm{g}$ de coríndon.

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