Energia dos eletrões nos átomos

Este resumo segue a ordem das Aprendizagens Essenciais: a energia dos fotões e o espetro eletromagnético, os espetros do átomo de hidrogénio e a quantização da energia, os espetros de outros elementos, a energia de remoção e a configuração eletrónica dos átomos polieletrónicos. Os conceitos aqui são a base da Tabela Periódica e da ligação química.

1. Energia dos fotões e espetro eletromagnético

A luz é feita de fotões, e cada fotão tem uma energia que depende da frequência da radiação.

Quanto maior a frequência, maior a energia do fotão. Por ordem crescente de energia, as zonas mais comuns do espetro são o infravermelho, o visível e o ultravioleta.

2. Níveis de energia e espetros

Num átomo, a energia dos eletrões está quantizada: os eletrões só podem ter certos valores de energia, os níveis de energia, que se identificam pelo número quântico principal $n = 1, 2, 3, \dots$

• Quando um eletrão passa de um nível de maior energia para um de menor energia, emite um fotão.
• Quando absorve energia adequada, passa para um nível de maior energia: há absorção de um fotão.

Para o átomo de hidrogénio, a energia do nível $n$ é:

As transições do átomo de hidrogénio agrupam-se em séries espetrais, conforme o nível em que terminam:

A energia de ionização do hidrogénio corresponde à transição $n = 1 \to n = \infty$, em que o eletrão é removido do átomo:

3. Espetros de emissão e de absorção

• Espetro de emissão contínuo: todas as radiações visíveis, como o da luz de um corpo muito quente.
• Espetro de emissão descontínuo (de riscas): só algumas radiações, que aparecem como riscas luminosas sobre um fundo escuro.
• Espetro de absorção: uma gama contínua de radiações com riscas negras, correspondentes às radiações absorvidas.

Cada elemento tem os seus níveis de energia, e por isso tem um espetro característico: a posição das riscas serve para identificar o elemento. A espetroscopia atómica usa-se, por exemplo, para identificar os elementos químicos nas estrelas e para determinar quantidades vestigiais em ciência forense.

4. Átomos com vários eletrões

Num átomo com vários eletrões há duas interações: a atração entre os eletrões e o núcleo, que diminui a energia dos eletrões, e a repulsão entre os eletrões, que a aumenta. Por isso, os níveis de energia dividem-se em subníveis (s, p, d), com energias diferentes.

O modelo da nuvem eletrónica descreve o eletrão por uma distribuição de probabilidade: as orbitais (s, p, d) são regiões onde é mais provável encontrar o eletrão, e não trajetórias. As orbitais de um mesmo subnível têm a mesma energia e dizem-se degeneradas.

A energia de remoção é a energia mínima necessária para remover um eletrão de um átomo, num dado nível ou subnível. Os eletrões mais internos estão mais perto do núcleo e são mais atraídos, por isso têm maior energia de remoção do que os mais externos.

5. Configuração eletrónica

A configuração eletrónica descreve a distribuição dos eletrões pelos níveis, subníveis e orbitais. Para o estado fundamental, em átomos até $Z = 23$, seguem-se três regras:

• Princípio da Construção: os eletrões ocupam primeiro as orbitais de menor energia. A ordem de preenchimento é $1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d$.
• Princípio da Exclusão de Pauli: cada orbital pode ter, no máximo, dois eletrões, com spins opostos.
• Regra de Hund: em orbitais degeneradas, os eletrões ocupam primeiro orbitais diferentes, com spins paralelos, de modo a maximizar o número de eletrões desemparelhados.

Os eletrões de valência são os eletrões do nível de energia mais elevado (o mais externo). Nas caixas, cada orbital é uma caixa e cada eletrão é uma seta, para cima ou para baixo consoante o spin.

Praticar com exames

Os exercícios de exame deste tema têm a resolução passo a passo. Começa pelos que pedem as transições do hidrogénio e a configuração eletrónica.