Como serão distribuídos os elétrons em torno dos núcleos de ligação?

No nível atômico, o mundo funciona de acordo com os princípios da mecânica quântica. O conhecimento das informações básicas sobre a estrutura do átomo é necessário para uma compreensão adequada de nossa realidade e é a base para um maior aprendizado sobre o mundo da química e suas dependências.

O átomo e sua estrutura

As partículas individuais que compõem a matéria são os átomos. Tudo o que nos rodeia são átomos. Os elementos são a soma de seus átomos – o ferro é feito de átomos de ferro, o cobre é feito de átomos de cobre, etc. Então, do que consiste um átomo? A maioria de nós sabe a resposta: prótons carregados positivamente, elétrons carregados negativamente e nêutrons sem nenhuma carga. Esta é a resposta correta? Com certeza, mas se olharmos para um átomo como um químico o faz, responderemos que o átomo consiste em dois elementos básicos: o núcleo e a nuvem de elétrons circundante.

Núcleo atômico

O núcleo do átomo é o seu centro e constitui a sua parte mais importante. Consiste em prótons (carregados positivamente) e nêutrons (eletricamente neutros). Estes não são componentes indivisíveis. Tanto os prótons quanto os nêutrons têm uma estrutura interna – eles são feitos de partículas menores chamadas quarks. Um próton é feito de dois quarks superiores e um quark inferior. Um nêutron, no entanto, tem um quark superior e dois quarks inferiores em sua estrutura.

Nuvem de elétrons

Um átomo não tem uma borda claramente definida – isso se deve à presença de uma nuvem de elétrons. Uma nuvem de elétrons é a área de maior probabilidade da presença de um elétron (importante: o caminho ao longo do qual o elétron se move não pode ser claramente determinado. Só é possível determinar a probabilidade de encontrá-lo em diferentes áreas do espaço). Uma nuvem de elétrons consiste em elétrons orbitando em torno de um núcleo atômico. Bem próximo ao núcleo, a densidade da nuvem de elétrons é maior, enquanto quanto mais longe do núcleo, mais difusa é a nuvem.

Descrição quântica do átomo

O estado de cada elétron em um átomo é descrito pelas funções de onda. As funções de onda são uma solução matemática para a equação de Schrödinger. Por sua vez, esta equação pode ser resolvida se várias condições básicas forem introduzidas. Por esta razão, os números quânticos têm sido usados. Os números quânticos que descrevem exclusivamente o estado quântico de cada elétron em um determinado átomo são brevemente caracterizados abaixo:

• número quântico principal n :

é responsável pela energia do elétron. Tem os valores de sucessivos números naturais. Pode variar de 1 ao infinito. Na prática, este não é o caso e na maioria das vezes n varia de 1 a 7. Níveis com o mesmo número quântico principal são chamados de camada eletrônica.

• número quântico azimutal l :

define as energias com mais precisão. O valor do número quântico azimutal determina a subcamada de uma determinada camada atômica. A forma dos orbitais atômicos também depende do valor desse número. O número quântico azimutal tem valores de zero a ( n -1).

• número quântico magnético m :

o valor de um número quântico magnético depende do número quântico azimutal. O número quântico magnético m tem valores de – l a l (incluindo 0). Graças ao conhecimento do número quântico magnético, são determinadas as posições mútuas dos orbitais no espaço, o que fornece informações sobre o número de orbitais em um determinado subnível.

• número quântico de rotação:

enquanto se movem em torno do núcleo atômico, os elétrons também se movem em torno de seu próprio eixo. Esse movimento é chamado de spin e o número quântico do spin está associado a ele. Possui apenas dois valores: + ½ e – ½. Cada orbital atômico pode conter dois elétrons com valor diferente do número quântico de spin. Ao descrever os números quânticos, é impossível não mencionar uma das leis fundamentais da química, ou seja, o princípio de exclusão de Pauli . De acordo com este princípio, um átomo não pode conter dois elétrons com os mesmos números quânticos. Os elétrons no átomo devem diferir em valor de pelo menos um número quântico.

Camadas e subcamadas eletrônicas

O núcleo atômico é cercado por uma nuvem de elétrons na qual, com certa probabilidade, um elétron pode ser encontrado. Esses elétrons são arranjados em camadas de elétrons apropriadas. Simplificando, as camadas eletrônicas são níveis com o mesmo número quântico principal n . A camada mais distante do núcleo atômico é chamada de camada de valência – os elétrons que orbitam nesta camada são chamados de elétrons de valência (eles criam ligações químicas entre átomos de diferentes elementos ou átomos do mesmo elemento). Cada camada de elétron é identificada por uma letra. Assim, para n = 1, a letra é K, para n = 2 a letra é L, etc (para n 1 a 7, as letras são: K a Q). Cada uma das camadas de elétrons em um átomo consiste em subcamadas. Os subníveis são definidos pelos números quânticos azimutais l . Nas subcamadas, existem elétrons que têm valores de energia iguais e precisamente definidos. As subcamadas também têm uma ‘capacidade’ específica – elas podem conter 2*(2* l +1), onde l é o número quântico azimutal. Os subníveis também têm suas designações de letras: s, p, d, f, g, h, etc.

Para a determinação correta da configuração eletrônica em um átomo, é necessário conhecer a ordem dos níveis de energia (a ordem das subcamadas e camadas individuais de acordo com o valor crescente de energia). A configuração é apenas a atribuição de elétrons individuais aos níveis de energia. Existem dois estados de energia de um átomo: o estado fundamental e o estado excitado . Observamos o estado fundamental quando os elétrons são distribuídos em orbitais individuais de acordo com as regras de expansão. Ele então tem a energia mais baixa. Se o átomo recebe uma certa quantidade de energia, então o elétron pode ser transferido do orbital de menor energia para o orbital livre de maior energia – então estamos falando sobre o estado excitado do átomo. Assim, para encontrar a configuração eletrônica correta de um átomo no estado fundamental, os orbitais individuais devem ser preenchidos de acordo com o aumento da energia, observando o princípio de exclusão de Pauli. De acordo com esses princípios, é criada a chamada notação de configuração completa com os números de camadas sucessivas, designações de letras de subcamadas sucessivas e uma notação do número de elétrons em orbitais específicos. A notação de configuração eletrônica abreviada inicialmente contém o núcleo na forma de uma configuração eletrônica de um gás nobre , que é complementada pelos elétrons restantes.

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