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Por que os elétrons se movem nos átomos de uma maneira tão única?
Na física atômica e na química quântica, o movimento dos elétrons é único, e sua estrutura e comportamento são parte dele. A maneira como os elétrons são distribuídos em átomos ou moléculas afeta muito muitas propriedades físicas e químicas. Este artigo explorará em profundidade como a distribuição e o movimento dos elétrons afetam a estrutura e as propriedades químicas.
Configuração eletrônica e estrutura atômica
A chamada configuração eletrônica descreve a distribuição de elétrons em vários orbitais atômicos em um átomo ou molécula. Por exemplo, a configuração eletrônica de um átomo de néon é 1s2 2s2 2p6, o que significa que as subcamadas 1s, 2s e 2p são ocupadas por dois, dois e seis elétrons, respectivamente. Essas configurações mostram cada elétron se movendo em uma órbita separada, influenciado pelo campo médio criado pelo núcleo e pelos outros elétrons.
De acordo com as leis da mecânica quântica, cada configuração eletrônica está associada a um nível de energia.
O conceito de camadas e subcamadas de elétrons
A configuração dos elétrons foi proposta inicialmente com base no modelo de Bohr. Apesar da crescente compreensão das propriedades mecânicas quânticas dos elétrons, os conceitos de camadas e subcamadas de elétrons ainda são frequentemente mencionados. O número quântico principal n de cada camada define os estados permitidos. Por exemplo, a primeira camada pode conter até dois elétrons, enquanto a segunda camada pode conter oito elétrons, e o número de elétrons aumenta à medida que o número de camadas aumenta. A existência desse padrão está relacionada ao spin dos elétrons. Cada orbital atômico pode acomodar dois elétrons com spins opostos.
Energia e estados excitados dos elétrons
Os elétrons obtêm energia de suas órbitas, então, em diferentes configurações, os elétrons podem transferir energia absorvendo-a ou emitindo-a. Por exemplo, a configuração do estado fundamental de um átomo de sódio é 1s2 2s2 2p6 3s1, e seu primeiro estado excitado é promover um elétron 3s para o orbital 3p, formando uma configuração de 1s2 2s2 2p6 3p1.
Contexto históricoEm uma lâmpada de vapor de sódio, os átomos de sódio são excitados até o nível 3p por descarga elétrica e então emitem luz amarela quando retornam ao estado fundamental.
Um desenvolvimento de teorias sobre configurações eletrônicas, propostas pela primeira vez por Irving Langmuir em 1919, que lançou as bases para a compreensão da estrutura atômica. Posteriormente, Niels Bohr expandiu ainda mais o conceito de configuração eletrônica em 1923. Com base no modelo de Bohr, ele propôs que a periodicidade das propriedades atômicas poderia ser explicada pela estrutura dos elétrons.
Princípio de Aufbau e regra de Madelung
Outro princípio fundamental é o princípio de Aufbau, que afirma que, ao preencher elétrons, a ordem de energia deve ser seguida de baixa para alta. Essa teoria fornece orientação sobre a ordem em que os elétrons devem ser preenchidos no estado fundamental dos 118 elementos conhecidos. De acordo com a regra de Madelung, o preenchimento da subcamada depende do tamanho de n+l, onde n representa o número quântico principal e l representa o número quântico secundário.
Isso forma uma ordem de preenchimento: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p...etc., o que torna a periodicidade dos elementos intimamente relacionada à configuração eletrônica.
Efeitos na estrutura química
A configuração eletrônica dos elementos afeta diretamente suas propriedades químicas. Por exemplo, semelhanças na tabela periódica de elementos químicos geralmente estão relacionadas à configuração de seus elétrons mais externos, o que também explica como os elementos se comportam em reações químicas. Para muitos elementos, os elétrons de valência mais externos determinam sua reatividade química, um fenômeno que os cientistas observam há gerações.
ConclusãoA natureza única de como os elétrons se movem através dos átomos tem implicações não apenas para o ajuste e os estados de energia dos elétrons, mas também para nossa compreensão da química do mundo e como ele reage. Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia no futuro, podemos ter uma compreensão mais profunda das leis de movimento dessas minúsculas partículas. Que impacto isso terá na comunidade científica?
