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A tabela periódica, camadas eletrônicas e orbitais

Introdução

Em algum momento em seu aprendizado de química você deve ter conhecido alguma canção que ajudasse a memorizar os nomes de todos os elementos. Assim como eu, pode ser que você tenha conseguido decorar a tal canção com o intuito de tirar uma boa nota. Se foi esse o caso, é possível que você ainda se lembre dos nomes de todos os elementos, o que é um feito impressionante (sem contar que é uma ótima música para se cantar em festas!).
Se você tiver memorizado todos os nomes dos elementos, isso significa que você nunca mais vai precisar de uma tabela periódica? Bem... Acho que não. Isso porque a tabela periódica não é um balde que contém todos os elementos. Ao invés disso, é mais como um sistema de arquivos. A posição de cada elemento na tabela nos tá informações importantes sobre sua estrutura, propriedades e comportamento em reações químicas. Especificamente, a posição de um elemento na tabela periótica ajuda a descobrir sua configuração eletrônica, a maneira como os elétrons estão organizados em volta do núcleo. Os átomos usam seus elétrons para participar em reações químicas, assim se sabemos a configuração eletrônica de um elemento, podemos prever sua reatividade - se, e como, ele interage com os átomos de outros elementos.
Neste artigo, vamos estudar a tabela periódica mais detalhadamente, como os átomos organizam seus elétrons, e como isso nos permite prever a reatividade dos elementos.

A tabela periódica

Por convenção, os elementos são organizados na tabela periódica, que é uma estrutura com padrões importantes que se relacionam com seu comportamento. Desenvolvida pelo químico russo Dmitri Mendeleev (1834-1907) em 1869, a tabela organiza os elementos em colunas - grupos - e linhas - períodos - que compartilham algumas propriedades. Essas propriedades determinam o estado físico de um elemento a temperatura ambiente - gás, sólido ou líquido - bem como sua reatividade química, ou seja, sua habilidade de formar ligações químicas com outros átomos.
Além de listar o número atômico para cada elemento, a tabela periódica também mostra a massa atômica relativa do elemento, que é a média de peso dos seus isótopos que ocorrem naturalmente na Terra. Olhando para o hidrogênio, por exemplo, seu símbolo, H, e nome aparecem, bem como seu número atômico um—no canto superior esquerdo—e sua massa atômica relativa de 1,01.
A tabela periódica dos elementos
Crédito da imagem: modificada de OpenStax Biology. Uma versão acessível da tabela periódica está disponível aqui.
As diferenças de reatividade química entre elementos baseiam-se no número e na distribuição espacial de seus elétrons. Se dois átomos têm padrões eletrônicos complementares, eles podem reagir e formar uma ligação química, criando uma molécula ou um composto. Como vamos ver a seguir, a tabela periódica organiza os elementos de forma que isso reflita seu número e padrão de elétrons, o que faz com que a tabela seja útil para prever a reatividade de um elemento: qual a probabilidade deste elemento formar ligações, e com quais outros elementos.

Camadas eletrônicas e o modelo de Bohr

Um dos modelos iniciais do átomo foi desenvolvido em 1913 pelo cientista dinamarquês Niels Bohr (1885-1962). O modelo de Bohr mostra o átomo como um núcleo central contendo prótons e nêutrons, com os elétrons em camadas eletrônicas circulares a distâncias específicas do núcleo, similar aos planetas orbitando o sol. Cada camada eletrônica tem um diferente nível de energia, com as camadas mais próximas do núcleo sendo de menor energia do que as mais distantes do núcleo. Por convenção, é designado um número e o símbolo n para cada camada—por exemplo, a camada eletrônica mais próxima do núcleo é chamada de 1n. De modo a se mover entre as camadas, um elétron deve absorver ou liberar uma quantidade de energia exatamente correspondente à diferença de energia entre as camadas. Por exemplo, se um elétron absorver energia de um fóton, pode tornar-se excitado e mover-se para uma camada de maior energia; inversamente, quando um elétron excitado retorna a uma camada de menor energia, ele libera energia, comumente na forma de calor.
Modelo de Bohr de um átomo, mostrando os níveis de energia como círculos concêntricos ao redor do núcleo. A energia deve ser acrescentada para mover um elétron para uma camada mais externa, em direção a um nível maior de energia, e a energia é liberada quando um elétron cai de um nível maior de energia para um nível mais interno.
Crédito da imagem: modificada de OpenStax Biology
Átomos, como outras coisas governadas pelas leis da física, tendem a assumir a configuração mais estável e de menor energia que conseguirem. Assim, as camadas eletrônicas de um átomo são ocupadas de dentro para fora, com os elétrons preenchendo as camadas de menor energia perto do núcleo antes de irem para as camadas mais distantes de maior energia. A camada mais próxima do núcleo, 1n, pode conter dois elétrons, enquanto a próxima camada, 2n, pode conter oito, e a terceira camada, 3n, pode conter até 18.
O número de elétrons na camada mais externa de um determinado átomo determina a sua reatividade, ou tendência de formar ligações químicas com outros átomos. A camada mais externa é conhecida como camada de valência, e os elétrons nela encontrados são chamados de elétrons de valência. Geralmente, os átomos estão mais estáveis, menos reativos, quando sua camada mais externa está cheia. A maioria dos elementos importantes em biologia necessitam de oito elétrons em sua camada mais externa para que se tornem estáveis, e esse princípio prático é conhecido como a regra do octeto . Alguns átomos podem ser estáveis com um octeto mesmo que sua camada de valência seja a camada 3n, que pode conter até 18 elétrons. Nós exploraremos a razão disso quando discutirmos orbitais eletrônicos abaixo.
Exemplos de alguns átomos neutros e suas configurações eletrônicas estão mostrados abaixo. Nesta tabela, você pode ver que o hélio tem a camada de valência cheia, com dois elétrons em sua primeira e única camada, 1n. Semelhantemente, o neônio tem uma camada externa 2n completa contendo oito elétrons. Essas configurações eletrônicas tornam o hélio e o neônio muito estáveis. Embora o argônio tecnicamente não tenha uma camada externa cheia, visto que a camada 3n pode conter até dezoito elétrons, ele é estável como o neônio e o hélio porque ele tem oito elétrons na camada 3n e, portanto, satisfaz a regra do octeto. Diferentemente, o cloro tem apenas sete elétrons em sua camada mais externa, enquanto o sódio tem apenas um. Esse padrões não preenchem a camada mais externa nem satisfazem a regra do octeto, fazendo com que sódio e cloro sejam reativos, ávidos para ganhar ou perder elétrons para atingirem uma configuração mais estável.
Diagrama de Bohr de vários elementos
Crédito da imagem: OpenStax Biology

Configurações eletrônicas e a tabela periódica

Os elementos são ordenados na tabela periódica de acordo com seu número atômico, a quantidade de prótons que eles têm. Em um átomo neutro, o número de elétrons é igual ao número de prótons, então é fácil determinar o número de elétrons pelo número atômico. Além disso, a posição de um elemento na tabela periódica - sua coluna ou grupo e sua fileira ou período - nos dão informações muito úteis sobre como esses elétrons estão organizados.
Se considerarmos apenas as três primeiras linhas da tabela, que incluem os principais elementos importantes para a vida, cada linha corresponde ao preenchimento de uma camada eletrônica diferente: hélio e hidrogênio colocam seus elétrons na camada 1n, enquanto elementos da segunda linha, como Li, começam a preencher a camada 2n e elementos da terceira linha, como Na, continuam com a camada 3n. Semelhantemente, o número da coluna de um elemento dá informação acerca do seu número de elétrons de valência e reatividade. Em geral, o número de elétrons de valência é o mesmo dentro de uma coluna e aumenta da esquerda para a direita dentro de uma linha. Elementos do grupo 1 têm apenas um elétron de valência e elementos do grupo 18 têm oito, com exceção do hélio, que tem somente dois elétrons no total. Assim. o número do grupo é um bom preditor do quão reativo cada elemento será:
  • Hélio (He), neônio (Ne), e argônio (Ar), como elementos do grupo 18, têm camadas eletrônicas externas que estão cheias ou que satisfazem a regra do octeto. Isso os torna altamente estáveis como átomos individuais. Por causa de sua não reatividade, eles são chamados de gases inertes ou gases nobres.
  • Hidrogênio (H), lítio (Li), e sódio (Na), como elementos do grupo 1, têm apenas um elétron na camada de valência. Eles são instáveis como átomos individuais, mas podem se tornar estáveis perdendo ou compartilhando o elétron de valência. Se esses elementos perderem completamente um elétron—como Li e Na tipicamente fazem—eles se tornam íons positivamente carregados: Li+ and Na+.
  • Flúor (F) e cloro (Cl), como elementos do grupo 17, têm sete elétrons na camada de valência. Eles tendem a atingir um octeto completo tirando um elétron de outros átomos, tornando-se íons negativamente carregados: F and Cl.
  • O Carbono (C), como um elemento do grupo 14, tem quatro elétrons na camada de valência. O carbono tipicamente compartilha elétrons para atingir uma camada de valência completa, formando ligações com vários outros átomos.
Assim, as colunas da tabela periódica refletem o número de elétrons encontrados na camada de valência de cada elemento, que, por sua vez, determina como este vai reagir.

Sub-camadas e orbitais

O modelo de Bohr é útil para explicar a reatividade e ligação química de vários elementos, mas na verdade, ele não fornece uma descrição muito precisa de como os elétrons estão distribuídos espacialmente ao redor do núcleo. Especificamente, os elétrons não circulam realmente ao redor do núcleo, mas passam a maior parte do tempo em regiões de formato às vezes complexo do espaço ao redor do núcleo, conhecidas como orbitais eletrônicas. Não é possível, de fato, saber onde um elétron se encontra em um determinado momento, mas podemos determinar matematicamente o volume espacial onde há maior probabilidade de ele se encontrar (digamos, o volume espacial no qual ele vai passar 90% de seu tempo). Esta região de alta probabilidade compõe uma orbital, e cada orbital pode conter até dois elétrons.
Então, como estes orbitais definidos matematicamente se encaixam nas camadas eletrônicas vistas no modelo de Bohr? Podemos decompor cada camada eletrônica em uma ou mais subcamadas, que são simples conjuntos de um ou mais orbitais. As subcamadas são designadas pelas letras s, p, d e f, e cada letra indica um formato diferente. Por exemplo, as subcamadas s possuem um único orbital esférico, enquanto que as subcamadas p contêm três orbitais em formato de halteres posicionados em ângulo reto entre si. A maior parte da química orgânica - a química dos compostos do elemento carbono, que são centrais em biologia - envolve interações entre os elétrons nas subcamadas s e p, por isso estes são os tipos de subcamada mais importantes a serem estudados. Entretanto, átomos com muitos elétrons podem colocar alguns de seus elétrons nas subcamadas d e f. As subcamadas d e f possuem formatos mais complexos e contêm cinco e sete orbitais, respectivamente.
Diagrama tridimensional de orbitais esféricos 1s e 2s e orbitais em forma de halteres 2p. Há três orbitais 2p, e eles formam ângulos retos uns com os outros.
Crédito da imagem: modificada de OpenStax Biology
A primeira camada eletrônica, 1n, corresponde a um único orbital 1s . O orbital 1s é o mais próximo do núcleo e é o primeiro a ser preenchido com elétrons, antes de qualquer outro orbital. O hidrogênio possui apenas um elétron, então, ele tem apenas uma posição preenchida no orbital 1s. Isto pode ser escrito de forma abreviada chamada de configuração eletrônica como 1s1, onde o 1 sobrescrito refere-se ao um elétron no orbital 1s. O hélio tem dois elétrons, então, ele preenche completamente o orbital 1s com seus dois elétrons. Isto é escrito como 1s2, referindo-se aos dois elétrons de hélio no orbital 1s. Na tabela periódica, o hidrogênio e o hélio são os dois únicos elementos na primeira linha, ou período, o que significa que eles possuem elétrons apenas em sua primeira camada. O hidrogênio e o hélio são os dois únicos elementos que têm elétrons exclusivamente no orbital 1s em seu estado neutro, sem carga.
A segunda camada eletrônica, 2n, contém outro orbital esférico s e mais três orbitais p em forma de halteres, cada um podendo conter dois elétrons. Após o preenchimento do orbital 1s, a segunda camada eletrônica começa a ser preenchida, com os elétrons indo primeiro para o orbital 2s e depois para os três orbitais p. Os elementos da segunda linha da tabela periódica colocam seus elétrons na camada 2n, bem como na camada 1n. Por exemplo, o lítio (Li) possui três elétrons: dois preenchem o orbital 1s e o terceiro é colocado no orbital 2s, formando uma configuração eletrônica de 1s2 2s1. O neônio (Ne), por sua vez, tem um total de dez elétrons: dois estão no orbital mais interno 1s e oito preenchem a segunda camada - dois no orbital 2s e dois em cada um dos três orbitais p, 1s2 2s2 2p6. Como sua camada 2n está preenchida, ele é energeticamente estável como um átomo único e raramente fará ligações químicas com outros átomos.
A terceira camada eletrônica, 3n, também contém um orbital s e três orbitais p, e os elementos na terceira linha da tabela periódica colocam seus elétrons nestes orbitais, assim como os elementos da segunda linha fazem com a camada 2n. A camada 3n também contém um orbital d, mas este orbital tem energia consideravelmente mais alta que os orbitais 3s e 3p e começa a ser preenchida só a partir da quarta linha da tabela periódica. Esta é a razão pela qual os elementos da terceira linha, como o argônio por exemplo, podem ser estáveis com apenas oito elétrons de valência: suas subcamadas s e p estão preenchidas, embora a camada 3n não esteja inteiramente preenchida.
Enquanto as camadas e os orbitais eletrônicos estão estreitamente relacionados, os orbitais fornecem uma imagem mais precisa da configuração eletrônica de um átomo. Isto porque os orbitais realmente especificam a forma e a posição das regiões espaciais ocupadas pelos elétrons.

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  • Avatar aqualine ultimate style do usuário Anderson Victor
    Seria triste ter de entender o assunto pelos vídeos, pois se não fosse este artigo eu não conseguiria. Não sei se foi só eu, mas já estava me sentindo extremamente burro depois de assistir os vídeos várias vezes e não entender nada!
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  • Avatar piceratops sapling style do usuário patrick.stobias
    Por que os orbitais de uma mesma camada possuem energias diferentes?
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  • Avatar orange juice squid orange style do usuário Maria Diniz Costa
    Nos orbitais da subcamada s, que são esféricos, há uma maior probabilidade de se encontrar elétrons no centro da esfera, e essa probabilidade vai diminuindo à medida que você vai se distanciando do centro da esfera. Mas e nos orbitais p, com forma de halteres, onde há uma maior probabilidade de se encontrar elétrons? No ponto mais fino? Nas duas extremidades mais grossas?
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  • Avatar male robot hal style do usuário tsmatheusgcampos
    Olá ? Vocês sabem como ganhar muitos pontos ?
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  • Avatar male robot hal style do usuário Pedroluca Silva de Matos
    qual é a terceira camada eletrônica?
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  • Avatar piceratops seed style do usuário cibeli sandra
    O que é uma família na tabela periódica, e o que os elementos de uma família têm em comum?
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  • Avatar female robot grace style do usuário ile
    Não entendi por que o artigo só trata de 3 camadas eletrônicas. Fiquei achando que só existiam 3 até ver os vídeos novamente.
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    • Avatar piceratops ultimate style do usuário Thiago Medeiros
      É porque essa parte aqui é a química relacionada a biologia e os elementos essenciais para vida estão em sua maioria enquadrados nos três primeiros período (linhas) da tabela períodica. Essa é a resposta curta.

      A resposta mais longa, é que na natureza há os elementos primordiais criados no início do universo espontaneamente e após a sua expansão, no caso uma grande quantidade de hidrogênio e uma quantidade ínfima de hélio, que têm somente 1 e 2 prótons respectivamente, para elementos com número atômico superior era preciso que estrelas fizesse essa "forja", já que elas são tão grandes que a massa dela gera uma pressão tão forte que vai fundindo hidrogênio com hidrogênio em hélio, e hélio com hidrogênio em lítio, ou dois núcleos de hélio em berílio, e assim por diante... Quanto maior a estrela maior o número de elementos novo que ela pode criar, até que ela a fusão nuclear dela comece a produzir ferro (Z = 26), onde a energia obtida obtida é menor do que a fornecida e a estrela entre em colapso, explodindo e gerando alguns resquícios dos elementos mais pesos mais pesados como cobre e ouro. Além disso os outros elementos são muito eletronegativos e o custo de energia para quebrar e criar ligações com químicas com eles é muito alto, assim é provável que a natureza tenha selecionado somente organismos que prezem pela eficiência energética, a maior parte do elementos mais pesado que o ferro é ignorado pelos metabolismo dos seres vivos ou é tóxico para eles, como no caso do mercúrio que se ingerido na forma de metálica passa sem reagir, porém se consumido na forma de sal pode ser muito tóxico.
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  • Avatar blobby green style do usuário americosytoe
    qual a orbitais de valência do elemento astato
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  • Avatar blobby green style do usuário Camila
    Por que no potássio, que tem 19 elétrons, a distribuição é K = 2 L=8 M = 8 N = 1 ao invés de 9 na M, já que essa camada possui espaço para 18 elétrons?
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  • Avatar blobby green style do usuário Christiane Meire
    Como consigo determinar a energia associada ao elétron em cada camada?
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    • Avatar starky ultimate style do usuário Felipe Dias
      Oi Christiane,

      Segundo o tópico "Nível de Energia" no Wikipédia:

      Na química e na física atômica, uma camada eletrônica, ou um nível de energia principal, pode ser pensado como uma órbita de elétrons girando ao redor do núcleo do átomo. A camada mais próxima do núcleo é chamada de "camada 1" (também chamada de "camada K"), seguida da" camada 2" (ou "camada L"), depois a "camada 3" (ou "camada M"), e assim por diante, conforme se afasta do núcleo. As camadas correspondem aos números quânticos principais (n = 1,2,3,4...) ou são nomeadas na ordem alfabética com letras usadas na rotação de raio-x (K, L, M,...).
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