O que é uma configuração eletrónica?
Uma configuração eletrónica é a lista de endereços de cada electrão de um átomo — em que camadas, em que subcamadas e em que orbitais vivem. Os electrões dos átomos não são visitantes: a química é quase inteiramente a história dos electrões mais externos a encontrarem disposições de menor energia, por isso saber onde se situam os electrões é saber porque é que a tabela periódica tem a forma que tem, porque é que o sódio se liga uma vez e o carbono quatro vezes, e porque é que o ferro é magnético. A contagem trabalha de fora para dentro: os átomos neutros têm exatamente Z electrões, e só Z determina a lista inteira.
A regra a reter: os electrões ocupam a disposição de menor energia disponível, de acordo com dois limites — cada orbital comporta no máximo 2 electrões com spins opostos (Pauli), e os orbitais de igual energia preenchem-se primeiro com um electrão cada antes de emparelhar (Hund).
Camadas, subcamadas, orbitais
As camadas são os níveis de energia rotulados n = 1, 2, 3...; cada camada contém subcamadas rotuladas s, p, d, f; cada subcamada é formada por orbitais — regiões onde é mais provável encontrar um electrão. Um orbital não é uma trajetória: é uma nuvem de probabilidade, esférica para s, em forma de haltere para p, em forma de trevo para a maioria dos orbitais d (o painel de Formas acima desenha-os). A capacidade acumula-se depressa:
| Subcamada | Orbitais | Electrões | Número quântico l |
|---|
| s | 1 | 2 | 0 |
| p | 3 | 6 | 1 |
| d | 5 | 10 | 2 |
| f | 7 | 14 | 3 |
Os quatro números quânticos dão a cada electrão um endereço único: n (camada), l (subcamada), ml (que orbital, de −l a +l), ms (spin, ±½). O princípio da exclusão de Pauli é simplesmente a afirmação de que nenhum par de electrões num átomo partilha os quatro.
A ordem de preenchimento e as suas surpresas
A ordem de construção 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d... não é uma contagem decrescente de camadas — o primeiro orbital 3d fica acima do 4s em energia, por isso o potássio (Z=19) e o cálcio (20) preenchem o 4s antes de começar o bloco 3d. O ferro (Z=26) fica em [Ar]4s²3d⁶ com quatro electrões desemparelhados, o que é exatamente a razão de ser fortemente paramagnético — a página calcula isto com um clique. Cerca de vinte elementos desobedecem depois às previsões: o crómio fica com [Ar]4s¹3d⁵ e o cobre com [Ar]4s¹3d¹⁰, trocando um electrão 4s por uma subcamada d semipreenchida ou completa, ambas invulgarmente estáveis. A formação de iões inverte o sentido do truque: os electrões 4s saem primeiro, por isso o Fe²⁺ é [Ar]3d⁶. A forma da tabela periódica é esta ordem desenhada em grande: cada bloco é o preenchimento de uma subcamada, e a química repete-se porque as configurações de valência se repetem.
Valência vs. cerne
Os electrões do cerne (as camadas internas, sepultadas na notação abreviada de gás nobre como [Ar]) são espetadores; os electrões de valência — os das subcamadas s e p mais externas (mais o d parcialmente preenchido) — fazem toda a ligação. O número do grupo dos elementos representativos é a contagem de valência: 1 para o Na, 2 para o Mg, ... 7 para o Cl. É por isso que a notação abreviada do painel de configuração importa: [Ar]4s²3d⁶ diz-lhe de relance que a química do ferro vive nessa camada 3d. Os electrões de valência desemparelhados também decidem o veredito magnético: qualquer electrão desemparelhado (o Fe tem 4) torna o átomo paramagnético, atraído para dentro de um campo magnético; os átomos todos emparelhados, como o Zn ([Ar]3d104s2), são diamagnéticos e fracamente repelidos.
Ideias erradas comuns
- Os electrões orbitam como planetas. Um orbital é uma nuvem de probabilidade — a fronteira de 90% de onde o electrão provavelmente está — e os electrões só « se movem » no sentido de a nuvem não ser estática no tempo.
- O 4s preenche-se primeiro, por isso ioniza-se por último. Quando chegam os electrões 3d, empurram o 4s para cima em energia, e os catiões perdem primeiro o 4s (Fe²⁺, Cu⁺).
- As subcamadas completas causam paramagnetismo. É o contrário: completa significa todos os electrões emparelhados, logo diamagnético — o Zn ([Ar]3d104s2) é diamagnético, enquanto o Cu atómico mantém o seu electrão 4s1 desemparelhado e é paramagnético, exatamente como indica a amostra de Cu da página.
- As camadas semipreenchidas são mágicas para todos. O bónus de estabilidade aplica-se a orbitais degenerados (como os cinco 3d); s, p, d, f preenchem-se sempre pelas mesmas três regras — não existe uma « regra quântica » separada para cada elemento.
Ferramentas relacionadas: Tabela periódica (ver os blocos que a ordem de preenchimento cria), Ligação e VSEPR (o que esses electrões de valência constroem) e Química nuclear (o núcleo que Z conta).
