Eletrônico Diferencial: Números Quânticos, Como Saber e Exemplos
O elétron diferencial ou diferenciado é o último elétron colocado na seqüência da configuração eletrônica de um átomo. Por que o nome dele é? Para responder a essa pergunta, a estrutura básica de um átomo é necessária: seu núcleo, vácuo e 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, compõem a massa atômica. No entanto, um átomo não pode carregar apenas cargas positivas; portanto, os elétrons orbitam em torno do núcleo para neutralizá-lo.
Assim, para cada próton que é adicionado ao núcleo, um novo elétron é incorporado em seus orbitais para neutralizar a carga positiva crescente. Desta forma, o novo elétron 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. Essa energia é responsável pela sua participação, assim como a do resto dos 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 quais são os 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 toma 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 "d" orbital; e -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, para o «f» orbital. Finalmente, o número quântico de spin «s» (+1/2 para ↑ e -1/2 para ↓).
Portanto, um elétron diferencial tem os números quânticos anteriores associados («n», «l», «m», «s»). Por neutralizar a nova carga positiva gerada pelo próton adicional, ela também fornece o número atômico Z do elemento.
Como conhecer o elétron diferencial?
Na imagem superior, as configurações eletrônicas para os elementos do hidrogênio ao gás neon (H → Ne) são representadas.
Neste, os elétrons das camadas abertas são indicados com a cor vermelha, enquanto aqueles das camadas fechadas são indicados com a cor azul. As camadas referem-se ao número quântico "n", o primeiro dos quatro.
Desta forma, a configuração de valência de H (↑ de cor vermelha) adiciona outro elétron com orientação oposta para se tornar aquele de He (↓ ↑, ambos azuis porque agora o nível 1 está fechado). Este elétron adicionado é então o elétron diferencial.
Assim, graficamente, pode-se observar como o elétron diferencial é adicionado à camada de valência (setas vermelhas) dos elementos, diferenciando-os um do outro. Os elétrons preenchem os orbitais respeitando a regra de Hund e o princípio de exclusão de Pauling (perfeitamente observado do B ao Ne).
E quanto aos números quânticos? Estes definem cada seta - ou seja, cada elétron - e seus valores podem ser corroborados com a configuração eletrônica para saber se eles são ou não o elétron diferencial.
Exemplos em vários elementos
Cloro
Para o caso de cloro (Cl), seu número atômico Z é igual a 17. A configuração eletrônica é então 1s22s2sp63s23p5. Os orbitais marcados em vermelho correspondem aos da camada de valência, que tem nível 3 aberto.
O elétron diferencial é o último elétron que é colocado na configuração eletrônica, e o átomo de cloro é o do orbital 3p, cuja disposição é a seguinte:
↑ ↓ ↑ ↓ ↑ _
3px 3py 3pz
(-1) (0) (+1)
Respeitando a regra de Hund, primeiro preencha os orbitais 3p de energia igual (uma seta para cima em cada orbital). Em segundo lugar, os outros elétrons fazem par com os elétrons solitários 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). Isto é, "n" é 3; «L» é 1, orbitário «p»; "M" é 0, porque é o orbital "p" do meio; e «s» é -1/2, uma vez que a seta aponta para baixo.
Magnésio
A configuração eletrônica para o átomo de magnésio é 1s22s2sp63s2, representando o orbital e seu elétron de valência da mesma maneira:
↑ ↓
3s
0
Desta vez, o elétron diferencial tem os números quânticos 3, 0, 0, -1/2. A única diferença neste caso com relação ao cloro é que o número quântico "l" é 0 porque o elétron ocupa um orbital "s" (o 3s).
Zircônio
A configuração eletrônica do átomo de zircônio (metal de transição) é 1s22s2sp63s23p64s23d104p65s24d2. Da mesma forma que os 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 giros «s» é igual a +1 / 2.
Elemento desconhecido
Os números quânticos do elétron diferencial para um elemento desconhecido são 3, 2, +2, -1/2. Qual é o número atômico Z do elemento? Conhecendo Z, você pode decifrar 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 chaves para localizar corretamente o elétron diferencial no último orbital 3d.
Assim, o elemento procurado tem os orbitais 3d10 cheios, assim como suas camadas eletrônicas internas. Em conclusão, o elemento é metal de zinco (Zn).
No entanto, os números quânticos do elétron diferencial não podem discernir entre zinco e cobre, porque o último também possui orbitais 3d completos. Por quê? Porque o cobre é um metal que não cumpre as regras para o preenchimento de elétrons por razões quânticas.
