Propriedades periódicas e a lei de Coulomb

RKA21MC - Olá, meu amigo, tudo bem com você? Seja muito bem-vindo a mais um vídeo da Khan Academy Brasil. Neste vídeo, vamos conversar sobre as tendências na tabela periódica dos elementos em relação algumas dimensões, tais como a energia de ionização, os raios atômicos, a afinidade eletrônica e a eletronegatividade. Para fazer isso, vamos começar com uma ideia muito fundamental em química ou física, que é a lei de Coulomb. Para o nosso ponto de vista, podemos dizer que a lei de Coulomb diz que a magnitude ou o módulo da força entre duas partículas carregadas é proporcional (esse símbolo aqui significa proporcional) à carga da primeira partícula vezes a carga da segunda partícula dividido pela distância entre essas duas partículas ao quadrado. Quando estamos pensando sobre isso no contexto da tabela periódica dos elementos e vários átomos, Você pode ver q₁ como a carga positiva efetiva dos prótons no núcleo de um átomo, e ver q₂ como a carga de um elétron. Agora, qualquer elétron terá a mesma carga negativa, mas quando tentamos tendências na tabela dos elementos, precisamos nos concentrar em observar os elétrons da última camada na maioria das vezes, porque são os elétrons de valência e são muito interessantes nesse caso. São esses elétrons que descrevem a reatividade. Assim, quando pensamos sobre a distância entre duas cargas nós vamos nos concentrar na distância entre o núcleo e os elétrons mais externos, os elétrons de valência. Pensando nisso, vamos conversar sobre essa carga efetiva que a gente representa como zₑf, e você pode ver isso como o número atômico ou o número de prótons que um determinado elemento ou átomo desse elemento possui. Então, será a diferença entre isso e o que muitas vezes é conhecido como constante de blindagem, que nós representamos com um S. Bem, existem modelos complicados para isso, mas para uma aula introdutória de química, isso costuma ser aproximado ao número de elétrons das camadas internas, também chamados de elétrons centrais. Não se esqueça, estamos querendo pensar sobre o que está acontecendo com os elétrons de valência, então se você imaginar um núcleo aqui, que vamos representar com uma cor laranja, tem prótons aqui nesse núcleo, e aí temos os elétrons centrais. Vamos dizer que temos alguns elétrons aqui na primeira camada, e temos alguns elétrons aqui na segunda camada, e aí temos os elétrons de valência na terceira camada, então esses elétrons são os elétrons de valência que estão nesses orbitais. Esses elétrons de valência possuem uma carga negativa e por isso serão atraídos pela carga positiva do núcleo, porém eles também serão repelidos por todos esses elétrons centrais que estão entre eles E é por isso que uma aproximação da carga efetiva que esses elétrons de valência vão experimentar será a carga do núcleo menos (e como eu disse, isso é uma aproximação), o número de elétrons centrais que temos aqui. Então se usamos essa aproximação como uma forma de pensar sobre o z eficaz, como ficarão as tendências na tabela periódica dos elementos? Bem, vamos observar isso aqui agora. Qual será a carga efetiva para os elementos do grupo 1? O hidrogênio não tem elétron centrais e tem o número atômico igual a 1, então teremos 1 menos 0, ou seja, o elétron terá uma carga efetiva de aproximadamente 1. Agora o lítio tem o número atômico igual a 3, então teremos aqui 3 menos 2 elétrons centrais que estão em 1s. Sendo assim, temos que a carga efetiva do lítio é igual a 3 menos 2 que é igual a 1. Grosso modo, todos os elementos do grupo têm uma carga efetiva igual a 1. Agora, se estivéssemos falando dos halogênios, qual é a carga efetiva deles? Se você olhar aqui para o flúor, teremos um número atômico igual a 9. O flúor tem dois elétrons centrais na primeira camada, logo a carga efetiva é igual a 9 menos 2, que é igual a 7. O cloro também tem uma carga efetiva igual a 7 pela mesma razão, ele tem o número atômico de 17 e 10 elétrons centrais. Se você for ainda mais para a direita, para os gases nobres, você vai ver que o hélio tem uma carga efetiva igual a 2, o número atômico é 2. Isso menos zero elétron central, teremos um valor igual a 2. Só que quando você chega no neon, temos um número atômico igual a 10, tendo 2 elétrons centrais. 10 menos 2 é igual a 8. Você verá isso realmente. À medida que você avança, os gases nobres que estão além do hélio possuem uma carga efetiva igual a 8. Observando isso tudo aqui, a tendência geral é que a carga efetiva seja baixa à esquerda, onde a menor carga efetiva vai estar no grupo 1. À medida que a gente avança para a direita aqui na tabela periódica, vamos ter um z efetivo cada vez maior. Observe que aqui dentro de um determinado período, ou dentro de uma determinada linha na tabela periódica dos elementos, os elétrons externos, os elétrons de valência, estão na mesma camada, mas a carga efetiva aumenta à medida que você vai da esquerda para a direita. Então esse q₁ aqui vai aumentar. Sendo assim, o que vai acontecer com o raio atômico? A lei de Coulomb diz que o módulo da força atrativa entre as cargas opostas será mais intenso, ou seja, mais forte, e mesmo que você esteja adicionando elétrons conforme você vai da esquerda para a direita em uma linha, dentro de um período, os átomos em geral vão ficar realmente menores. Bem, deixa eu escrever isso aqui dessa forma. Conforme você vai da esquerda para a direita, de modo geral o raio diminui. Agora, qual é a tendência em uma coluna? Uma maneira de pensar sobre isso é que conforme você desce em uma coluna, conforme você desce em um grupo, você está enchendo camadas que estão mais distantes do núcleo. Pensando assim, você espera que o raio aumente conforme você desce em uma coluna ou desce em um grupo, ou ainda que o raio diminua conforme você sobe em um grupo. Então, em geral, qual é a tendência na tabela periódica dos elementos? Bem, o raio vai diminuir conforme você avança para cima e para a direita, então você pode desenhar uma seta mais ou menos assim, e é realmente o caso que, pela maioria das medidas, o hélio é considerado o menor a átomo. Claro, estou falando de um átomo de hélio neutro. Já o frâncio é considerado o maior átomo entre todos. Ok, está conseguindo compreender direitinho? Agora eu quero lhe fazer uma pergunta: Será que podemos usar isso que vimos aqui para pensar sobre outras tendências na tabela periódica dos elementos? Que tal, por exemplo, a energia de ionização? Apenas como um lembrete, a primeira energia de ionização é a energia mínima necessária para remover o primeiro elétron de uma versão neutra desse elemento. E uma vez que é a energia mínima, nós estamos falando dos elétrons mais externos, um dos elétrons de valência. Sabendo disso, podemos encontrar a tendência para energia de ionização? Como você pode imaginar, a energia de ionização vai ser alta nos casos em que as forças de Coulomb são altas. E quais são as situações onde as forças de Coulomb são altas? Isso vai ocorrer onde temos uma carga efetiva alta e onde temos um raio baixo. O raio baixo torna força de Coulomb alta, e a carga efetiva alta torna a força de Coulomb e alta, Então onde isso é verdade? Bem, você tem o raio menor aqui no canto superior direito e você tem uma carga efetiva maior aqui à direita, então você espera que as energias de ionização sejam mais altas aqui no canto superior direito, e isso realmente faz sentido de forma intuitiva. Esses gases nobres são muito estáveis, eles não querem liberar um elétron. Então, vai ser preciso muita energia para tirar um elétron e um desses elementos. O flúor ou o cloro estão perto de completar uma camada, então a última coisa que eles querem é perder um elétron. Então, mais uma vez, é preciso muita energia para tirar o primeiro elétron. Por outro lado, se você for para algo aqui como o frâncio, que tem o elétron de valência, e é um elétron de valência que está muito longe do núcleo, e que além disso possui uma carga efetiva baixa, mesmo tendo muitos prótons, porque tem uma blindagem de todos os elétrons centrais, não é nada surpreendente que não seja necessária uma tonelada de energia para retirar o primeiro elétron do frâncio. Compreendeu isso aqui direitinho? Agora, uma outra tendência que podemos pensar, que de certa forma é o oposto disso que vimos, é a afinidade de elétrons. A energia de ionização está falando sobre a energia necessária para remover um elétron. Agora, a afinidade de elétrons pensa sobre quanto de energia é liberado se adicionarmos um elétron a uma versão neutra de um determinado elemento. Elementos de alta afinidade com elétrons são os que realmente querem elétrons, portanto eles devem ter uma grande força de Coulomb entre o seu núcleo e os elétrons mais externos. Isso significa que eles devem ter um z efetivo alto, e isso também significa que eles devem ter um raio baixo. Então, uma forma de pensar sobre isso é pensar em uma tendência semelhante, com a única diferença que os gases nobres não gostam de ganhar ou perder elétrons, mas sabemos que o flúor e o cloro podem se tornar mais estáveis se ganharem um elétron. Com isso, eles podem realmente liberar energia. Observando isso, podemos dizer que temos altas afinidades de elétrons no canto superior direito, especialmente os halogênios, e temos uma baixa afinidade de elétrons aqui no canto inferior esquerdo. Agora, existe uma pequena peculiaridade nas convenções de química. As pessoas geralmente dirão que o flúor e o cloro, e as coisas aqui no topo direito que não são gases nobres, têm uma alta afinidade eletrônica e que a energia é liberada quando você adiciona um elétron a uma versão neutra deles. Acontece que pela convenção, e isso pode ser um pouco confuso, quando você libera energia, você tem uma afinidade eletrônica negativa, mas de um modo geral, quando eles falam sobre uma alta afinidade de elétrons, significa que essa coisa vai liberar energia quando capturar um elétron. Agora também tem algo que costuma ser muito relacionado à afinidade de elétrons, que é a eletronegatividade, e apesar de serem coisas de levemente diferentes, isso pode acabar gerando uma confusão em alguns momentos. A eletronegatividade está relacionada aos casos em que um átomo compartilha um par de elétrons com outro átomo. Assim, a eletronegatividade vai dizer qual é a probabilidade de um átomo 1 atrair um par de elétrons de um átomo 2, contra a probabilidade do átomo 2 atrair um par de elétrons do átomo 1. Porém, apesar de a eletronegatividade ser diferente da afinidade de elétrons, eles se correlacionam fortemente. Coisas que liberam energia quando eles são capazes de ser ionizadas para pegar um elétron, se eles formarem um vínculo e eles estiverem compartilhando um par de elétrons, é muito provável que eles monopolizem esses elétrons. A afinidade eletrônica é mais fácil de medir. Você pode realmente ver isso acontecendo quando, por exemplo, temos um elemento no estado gasoso, e aí se você adicionar elétrons, muita energia será liberada. Essa energia é normalmente medida em quilojoules por mol do átomo em questão. Agora, a eletronegatividade não é tão clara sobre como medi-la, mas pode ser um conceito útil em vídeos futuros, quando pensarmos sobre os diferentes átomos compartilhando pares de elétrons, e onde os elétrons passam a maior parte do tempo. Então eu vou deixar isso como uma indicação de estudo, ok? Neste vídeo, começamos com as forças de Coulomb e fomos capazes de fazer inferências sobre várias tendências apenas pensando na lei de Coulomb e na tabela periódica dos elementos. Eu espero que você tenha compreendido tudo direitinho o que conversamos aqui, e mais uma vez eu quero deixar para você um grande abraço e até a próxima!