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Diagrama de distribuição eletrônica

Este material é parte integrante do Jogo do Prêmio Nobel de Atomística
© Carlos Alberto dos Santos, Eliabe Maxsuel de Aquino, Farnésio Vieira Diniz

Na página sobre as propriedades atômicas, discutimos o preenchimento eletrônico das camadas de valência. Para tanto tivemos que recordar o conceito de nível ou camada atômica (K, L, M, N, etc) do modelo de Bohr. Tivemos também que introduzir os conceitos de termos espectroscópicos (s, p, d, f) e orbitais.
Vamos agora aprender como distribuir os elétrons em todos os níveis eletrônicos. Costumamos denominar essa distribuicão como configuração eletrônica.

Se você ainda não leu as páginas mencionadas, você deve lê-las imediatamente. Agora, se você já leu e quer apenas relembrar o essencial, então aqui vai:

Cada elétron circula em torno do núcleo em determinado orbital, que pertence a determinado termo espectroscópico (s,p,d,f . . .), que por sua vez pertence a determinada camada (K,L,M,N . . .).
Cada orbital só comporta dois elétrons. Isso resulta do princípio de exclusão de Pauli . . . teoria quântica.
A teoria quântica também mostra que:
s contém 1 orbital, portanto, no máximo 2 elétrons;
p contém 3 orbitais, portanto, no máximo 6 elétrons;
d contém 5 orbitais, portanto, no máximo 10 elétrons;
f contém 7 orbitais, portanto, no máximo 14 elétrons.

O chinês Pao-Fang Yi inventou um esquema simples para o prenchimento das camadas eletrônicas. Não se sabe porquê, o esquema ficou conhecido como diagrama de Pauling. Observe atentamente a figura ao lado, que é uma das formas de apresentar o esquema. A primeira camada a ser preenchida é a 1s. Depois vem na sequência: 2s-2p-3s-3p.

"Diagrama de Pauling"

Depois da 3p, o "esperado" seria preencher a 3d. Mas a natureza escolheu outro caminho e começou a preencher a 4s. Quem explica isso é a mecânica quântica, e a explicação tem a ver com a energia envolvida no preenchimento das camadas eletrônicas. Ou seja o átomo fica em um estado de menor energia (como gosta a natureza) quando coloca o elétron na camada 4s, em vez de colocar na 3d.
Então, a partir da 4s a sequência é assim: 4s-3d-4p-5s-4d-5p-6s-4f-5d-6p-5f-6d.
Vamos agora determinar as configurações eletrônicas de alguns elementos.

Vamos considerar o último elemento do 3o. período, o argônio, Ar, que tem 18 elétrons, ou seja Z=18. De acordo com o diagrama de Pauling, sua configuração eletrônica é: 1s2-2s2-2p6-3s2-3p6.
O primeiro elemento do 4o. período, o potássio, K, que tem 19 elétrons, ou seja Z=19, tem configuração eletrônica: 1s2-2s2-2p6-3s2-3p6-4s.
Veja que essa configuração é igual à do Ar, acrescida de 4s.

É sempre assim: a configuração dos elementos de um período é igual à configuração do gás nobre do período anterior, acrescida de algumas camadas.

Então, é mais simples representar a configuração eletrônica do potássio assim:
[Ar]4s1.
Veja que a configuração do potássio passa de 3p6 para 4s. Ou seja não preenche a 3d antes da 4s. É aqui que a "ordem natural" começa a ser alterada.

Preste atenção: do hidrogênio até o argônio, era tudo NORMAL. Ou seja, as camadas eram preenchidas na ordem 1s-2s-3s-3p. Quando chegou a vez da 3d, deu zebra. A camada 4s começou a ser preenchida antes.

Mais adiante vamos ver elementos com Z entre 21 e 30. Preste atenção nesses elementos, o ENEM está cheio de questões a respeito deles.
Mas, antes disso convém examinar o desenho abaixo.

Alguns elementos estão organizados em blocos: s, p, d. Ainda tem o bloco f, mas ele é muito complexo para o nosso nível de estudo. O Que significa um elemento ser do bloco s ou do bloco p? Os elementos do bloco s são aqueles que estão preenchendo os orbitais s. Os elementos do bloco p estão preenchendo os orbitais p. O mesmo pode ser dito para os elementos do bloco d, ou seja eles preenchem os orbitais d.
Observe a tabela periódica. O bloco d é composto pelos períodos 4, 5 e 6. Os elementos do período 4 são denominados elementos 3d, porque preenchem os orbitais 3d. Analogamente, tem-se os elementos 4d e 5d.
Vamos ver como é mesmo essa história, começando pelo escândio, o primeiro elemento 3d, com Z=21. Pelo diagrama de Pauling, a configuração eletrônica será: [Ar]3d1-4s2, ou [Ar]3d4s2.
Se você determinar as configurações eletrônicas dos elementos com Z=22 até Z=28, vai perceber que basta acrescentar sequencialmente 1 elétron na camada 3d. Ou seja a configuração do níquel, Z=28, será [Ar]3d8-4s2.
Então, entre Z=22 e Z=28 o preenchimento segue o diagrama de Pauling.

Mas, para o cobre, Z=29, a mecânica quântica exige que o diagrama de Pauling seja violado. Em vez de [Ar]3d9-4s2, a configuração do cobre é [Ar]3d10-4s1. Ou seja, em vez de simplesmente colocar o 9o. elétron na camada 3d, a natureza, por razões energéticas, tem que completar a camada 3d, com um elétron da camada 4s.
Finalmente, a camada 4s é completada no zinco, Z=30, que tem configuração [Ar]3d10-4s2.

Situação similar ocorre com os elementos 4d e 5d. Ou seja, a configuração da prata, Z=47, não é [Kr]4d9-5s2, como previsto pelo diagrama de Pauling. A configuração correta é [Kr]4d10-5s1.
Da mesma forma, a configuração do ouro, Z=79, não é [Xe]5d9-6s2, mas [Xe]5d10-6s1.

ATENÇÃO: Algumas tabelas periódicas publicadas na internet apresentam as configurações desses elementos de transição (Z=29, 30, 47, 48, 79, 80), como se o diagrama de Pauling fosse válido. Por exemplo, essa tabela apresenta as configurações erradas.

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