ELÉTRON DIFERENCIAL: NÚMEROS QUÂNTICOS E EXEMPLOS - QUÍMICA - 2025

O elétron diferencial ou diferenciador é o último elétron colocado na seqüência da configuração eletrônica de um átomo. Qual o nome disso? Para responder a essa pergunta, a estrutura básica de um átomo é necessária: seu núcleo, o vácuo e os elétrons.

O núcleo é um agregado denso e compacto de partículas positivas chamadas prótons e de partículas neutras chamadas nêutrons. Os prótons definem o número atômico Z e, junto com os nêutrons, formam a massa atômica. No entanto, um átomo não pode carregar apenas cargas positivas; portanto, os elétrons orbitam ao redor do núcleo para neutralizá-lo.

Assim, para cada próton que se junta ao núcleo, um novo elétron se junta a seus orbitais para neutralizar a carga positiva crescente. Desta forma, o elétron recém-adicionado, o elétron diferencial, está intimamente relacionado ao número atômico Z.

O elétron diferencial está na camada eletrônica mais externa: a camada de valência. Portanto, quanto mais longe você estiver do núcleo, maior será a energia associada a ele. É esta energia a responsável pela sua participação, assim como a dos restantes elétrons de valência, nas reações químicas características dos elementos.

Números quânticos

Como o resto dos elétrons, o elétron diferencial pode ser identificado por seus quatro números quânticos. Mas o que são números quânticos? Eles são "n", "l", "m" e "s".

O número quântico "n" denota o tamanho do átomo e os níveis de energia (K, L, M, N, O, P, Q). «L» é o número quântico secundário ou azimutal, que indica a forma dos orbitais atômicos e assume valores de 0, 1, 2 e 3 para os orbitais «s», «p», «d» e «f», respectivamente.

"M" é o número quântico magnético e indica a orientação espacial dos orbitais sob um campo magnético. Assim, 0 para o orbital «s»; -1, 0, +1, para o orbital "p"; -2, -1, 0, +1, +2, para o orbital "d"; e -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, para o orbital "f". Finalmente, o número quântico de spin «s» (+1/2 para ↑ e -1/2 para ↓).

Portanto, um elétron diferencial associou os números quânticos anteriores ("n", "l", "m", "s"). Como ele neutraliza a nova carga positiva gerada pelo próton extra, ele também fornece o número atômico Z do elemento.

Como saber o elétron diferencial?

A imagem acima representa as configurações de elétrons para elementos de hidrogênio a gás neon (H → Ne).

Neste, os elétrons das camadas abertas são indicados pela cor vermelha, enquanto os das camadas fechadas são indicados pela cor azul. As camadas referem-se ao número quântico "n", o primeiro dos quatro.

Desta forma, a configuração de valência de H (↑ em vermelho) adiciona outro elétron com orientação oposta para se tornar o de He (↓ ↑, ambos azuis porque agora o nível 1 está fechado). Este elétron adicionado é então o elétron diferencial.

Assim, graficamente pode-se ver como o elétron diferencial se soma à camada de valência (setas vermelhas) dos elementos, diferenciando-os uns dos outros. Os elétrons preenchem os orbitais respeitando a regra de Hund e o princípio de exclusão de Pauling (perfeitamente observado de B a Ne).

E quanto aos números quânticos? Estes definem cada seta - ou seja, cada elétron - e seus valores podem ser corroborados com a configuração do elétron para saber se são ou não os do elétron diferencial.

Exemplos em vários elementos

Cloro

No caso do cloro (Cl), seu número atômico Z é igual a 17. A configuração eletrônica é então 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁵. Os orbitais marcados em vermelho correspondem aos da concha de valência, que possui um nível aberto 3.

O elétron diferencial é o último elétron a ser colocado na configuração eletrônica, e o átomo de cloro é o do orbital 3p, cujo arranjo é o seguinte:

↑ ↓

3px 3py 3pz

(-1) (0) (+1)

Respeitando a regra de Hund, os orbitais 3p de energia igual são preenchidos primeiro (uma seta para cima em cada orbital). Em segundo lugar, os outros elétrons emparelham-se com os elétrons isolados da esquerda para a direita. O elétron diferencial é representado em uma moldura verde.

Assim, o elétron diferencial para o cloro tem os seguintes números quânticos: (3, 1, 0, -1/2). Ou seja, "n" é 3; "L" é 1, orbital "p"; "M" é 0, porque é o orbital "p" do meio; e "s" é -1/2, já que a seta aponta para baixo.

Magnésio

A configuração de elétrons para o átomo de magnésio é 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ², representando o orbital e seu elétron de valência da mesma forma:

↑ ↓

3s

0

Desta vez, o elétron diferencial tem os números quânticos 3, 0, 0, -1/2. A única diferença neste caso com respeito ao cloro é que o número quântico "l" é 0 porque o elétron ocupa um orbital "s" (os 3s).

Zircônio

A configuração do elétron para o átomo de zircônio (metal de transição) é 1s ² 2s ² sp ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ². Da mesma forma que nos casos anteriores, a representação dos orbitais e elétrons de valência é a seguinte:

Assim, os números quânticos para o elétron diferencial marcado em verde são: 4, 2, -1, +1/2. Aqui, como o elétron ocupa o segundo orbital "d", ele tem um número quântico "m" igual a -1. Além disso, como a seta aponta para cima, seu número de giro "s" é igual a +1/2.

Elemento desconhecido

Os números quânticos diferenciais de elétrons para um elemento desconhecido são 3, 2, +2, -1/2. Qual é o número atômico Z do elemento? Conhecendo Z, você pode descobrir o que é o elemento.

Desta vez, como "n" é igual a 3, significa que o elemento está no terceiro período da tabela periódica, com orbitais "d" como camada de valência ("l" igual a 2). Portanto, os orbitais são representados como no exemplo anterior:

↑ ↓

Os números quânticos "m" igual a +2 e "s" igual a -1/2 são a chave para localizar corretamente o elétron diferencial no último orbital 3d.

Assim, o elemento procurado possui orbitais 3d ¹⁰ completos, bem como seus invólucros eletrônicos internos. Em conclusão, o elemento é o metal zinco (Zn).

No entanto, os números quânticos do elétron diferencial não podem distinguir entre zinco e cobre, porque o último elemento também tem orbitais 3d completos. Por quê? Porque o cobre é um metal que não cumpre as regras de preenchimento de elétrons por motivos quânticos.

Referências

1. Jim Branson. (2013). Regras de Hund. Obtido em 21 de abril de 2018, em: quantummechanics.ucsd.edu
2. Aula 27: Regras de Hund. Obtido em 21 de abril de 2018, em: ph.qmul.ac.uk
3. Universidade de Purdue. Números quânticos e configurações de elétrons. Obtido em 21 de abril de 2018, em: chemed.chem.purdue.edu
4. Salvat Encyclopedia of Sciences. (1968). Física Salvat, SA de Ediciones Pamplona, ​​volume 12, Espanha, páginas 314-322.
5. Walter J. Moore. (1963). Química Física. Em partículas e ondas. Quarta edição, Longmans.