Energia de ionização: tendência de famílias

RKA5GM - A energia de ionização é a energia necessária para retirar 1 elétron de 1 átomo neutro. Então, se olharmos aqui, essa é a representação de um átomo neutro. Em que o número de prótons é igual ao número de elétrons. E uma vez que o núcleo está positivamente carregado, ele irá atrair os elétrons que estão negativamente carregados. Então para retirar 1 elétron que está sendo atraído pelo núcleo será necessário uma certa energia. E essa é a energia de ionização. Uma vez retirado 1 elétron, o número de prótons será maior do que o número de elétrons restantes. O que nos dá um caráter mais positivo a esse átomo. Logo, nós teremos 1 íon positivo. Então, a energia de ionização sempre será positiva, já que sempre cederemos energia para retirar 1 elétron do átomo. A unidade de medida de energia de ionização é o quilojoule por mol (kJ/mol). Neste vídeo, vamos nos focar em estudar a primeira energia de ionização. Assim temos "EI", ou seja, a primeira energia de ionização. Então vamos analisar aqui os valores da energia de ionização para os elementos do grupo 1. Para o hidrogênio (H) é necessário uma energia igual a 1.312 kJ/mol para retirar um elétron dele. Para o lítio (Li) é necessário uma energia igual a 520 kJ/mol para retirar um elétron. Como podemos perceber, conforme vamos nos movendo para baixo, a energia necessária para retirar um elétron desses elementos diminui. Assim, para o sódio (Na), temos 496, para o potássio (K). 419. Veja como essa tendência é tão clara. Conforme vamos descendo na tabela periódica, há uma diminuição da energia de ionização. Logo, deve ser muito mais fácil retirar um elétron desses átomos aqui, não é? Agora, por que isso acontece? Vamos analisar esses dois elementos aqui, o hidrogênio (H) e o lítio (Li). Vamos representar esses dois elementos aqui, ok? Nesse primeiro esquema, vamos representar o hidrogênio (H). Como o hidrogênio (H) tem um número atômico igual a 1, ele tem apenas 1 próton no núcleo, e para o hidrogênio (H) ser um átomo neutro, ele terá apenas 1 elétron também. Então vamos colocar esse elétron aqui. A configuração eletrônica desse átomo, a gente já sabe que é 1s¹. Assim, ele só tem 1 elétron no orbital "s" no primeiro nível de energia. Esse elétron, que é carregado negativamente, está sendo fortemente atraído pela carga positiva do núcleo. Então para retirarmos esse elétron, teremos que fornecer energia para esse sistema. A energia necessária para isso é igual a 1.312 kJ/mol. Então, feito isso, teremos apenas uma carga positiva no núcleo, já que não há elétrons em torno dele. Aí, assim, nós não teremos um átomo neutro, e sim, um íon. Nós teremos um íon H⁺, com apenas a carga positiva do núcleo e nenhum elétron. E essa energia cedida ao sistema para retirar 1 elétron de um átomo neutro, é a nossa energia de ionização. Agora, vamos fazer o mesmo com lítio (Li), vamos representar aqui o lítio (Li). O lítio (Li) tem uma carga atômica igual a +3. Logo, ele terá 3 prótons no núcleo, e como ele é neutro, vai ter que ter 3 elétrons também. Sua configuração eletrônica é 1s², 2s¹. Portanto, a gente vai ter aqui 2 elétrons no orbital "s", no primeiro nível de energia, e 1 elétron também no orbital "s", mas no segundo nível de energia. Agora, vamos representar isso aqui. Então temos esses 2 elétrons aqui, no primeiro nível de energia, e 1 elétron no segundo nível de energia. Assim, para o lítio (Li), se fôssemos retirar o elétron, devemos antes pensar em qual desses 3 elétrons seria o mais suscetível a abandoná-lo. Neste caso, seria o elétron mais externo ao núcleo, o elétron do orbital 2s, pois como ele está mais distante do núcleo, a atração entre ele é menor, e por isso, a chance dele ser retirado é maior. Então, se você cedeu uma energia igual a 520 kJ/mol nesse sistema, você poderá retirar esse elétron mais distante. Feito isso, a gente vai ter uma carga positiva de +3 no núcleo, e ainda temos 2 elétrons no orbital 1s. Vamos representar isso aqui. Como não temos mais 1 elétron, este átomo não está neutro. E temos, portanto, um íon de lítio (Li) ou lítio (Li) +1, pois temos 3 cargas positivas no núcleo e 2 cargas negativas dos elétrons. E como 3 - 2 é igual a 1, temos um cátion lítio (Li) +1. Agora, a configuração desse cátion de lítio (Li) é 1s², porque não temos mais o elétron no orbital 2s. Então aqui temos um esquema de ionização dos átomos de hidrogênio (H) e do lítio (Li). Depois de ter visto essas ideias, vamos analisar alguns dos fatores que podem influenciar na energia de ionização. E a primeira coisa que nós vamos falar é sobre a carga nuclear. Eu vou escrever a carga nuclear aqui, ok? A ideia para esse fator é de que, quanto maior for a carga nuclear, maior será a carga positiva no núcleo. E, portanto, maior será a atração entre o núcleo e os elétrons, uma vez que os elétrons apresentam carga negativa. E como sabemos, carga positiva atrai carga negativa. Com isso, será mais difícil de retirar um elétron desse átomo, já que a atração entre o núcleo com uma grande carga positiva e seus elétrons é muito forte. Com isso, podemos deduzir que, quanto maior for a carga nuclear, maior será a energia de ionização, porque, repetindo: a força de atração entre o núcleo e os elétrons desse caso é muito grande. Vamos pensar agora nesse fator e analisar o que acontece tanto com hidrogênio (H) e com lítio (Li). Primeiro, vamos ver o hidrogênio (H). O hidrogênio (H) tem uma carga positiva no núcleo, esse elétron aqui está sendo atraído por essa única carga positiva. Agora, o lítio (Li) tem 3 cargas positivas no núcleo. Logo, a carga nuclear do lítio (Li) é maior do que a do hidrogênio (H). Ora, então se pensarmos apenas na carga nuclear, era de se esperar que o elétron do átomo de hidrogênio (H) seria muito mais fácil de retirar do que a do lítio (Li), já que a carga nuclear do lítio (Li) é bem maior, não é? Neste caso, se seguimos esse raciocínio, como o lítio (Li) tem uma força de atração entre o núcleo e os elétrons bem maior, consequentemente, a energia necessária para retirar um elétron do lítio (Li) também deveria ser bem maior. Então, pensando apenas na carga nuclear, poderíamos pensar em um aumento de energia de ionização. Então, por esse motivo, é legal a gente pensar em um outro fator, a blindagem eletrônica. A blindagem é o efeito que os elétrons mais próximos ao núcleo exercem sobre os elétrons mais distantes. Esses elétrons, que estão próximos ao núcleo, criam uma espécie de barreira que impede a atração entre o núcleo e esses elétrons que estão mais distantes. Vamos, então, analisar o lítio (Li) e ver um exemplo disso. Aqui nós temos 2 elétrons na camada mais interna. Esses elétrons irão repelir o elétron da camada mais externa. Então esse elétron aqui, em azul, vai repelir esse elétron em verde, e esse outro elétron aqui também em azul vai repelir esse elétron em verde. Isso cria uma barreira, ou seja, eles vão criar uma espécie de escudo para esse elétron externo em relação à atração desse núcleo +3. Isso ocorre porque, como sabemos, cargas de mesmo sinal se repelem, ou seja, elétrons repelem outros elétrons. Então essa seria a ideia de blindagem eletrônica. Se pensarmos apenas nesse fator, esses 2 elétrons do lítio (Li) vão criar um escudo para esse elétron exterior aqui, certo? E vão realizar uma força de repulsão sobre ele, e com isso, seria mais fácil retirar esse elétron externo. Então pensando apenas na blindagem, seria mais fácil tirar o elétron externo do átomo de lítio (Li), e com isso, seria necessário menos energia para fazer isso. Assim haveria um decréscimo de energia de ionização se estivéssemos pensando apenas nesse fator. Porém, a carga nuclear e a blindagem eletrônica andam de mãos dadas. E uma maneira mais fácil de relacioná-las seria pensando no que chamamos de "carga nuclear efetiva". Então vamos seguir em frente aqui e escrever a carga nuclear efetiva, ok? Bem, "z" seria carga nuclear, sem levar em consideração o efeito da blindagem, ok? Então vamos olhar para os elementos e tentar encontrar a carga nuclear efetiva. Bem, vamos fazer uma matemática simples, e inicialmente calcular a carga nuclear efetiva para o hidrogênio (H), e depois a carga nuclear efetiva para o lítio (Li), ok? O hidrogênio (H) tem uma carga igual a +1 em seu núcleo. Logo, essa daqui é a carga nuclear "z", e o hidrogênio (H) tem zero elétrons de blindagem. E óbvio que isso é uma vantagem. Logo, a carga nuclear efetiva é igual a +1. Agora, já para o lítio (Li), temos 3 prótons, assim, "z" seria igual a +3. No entanto, ele tem 2 elétrons de blindagem. Esses 2 elétrons de blindagem aqui, ok? Portanto, teríamos +3 - 2, e isso me daria a carga nuclear efetiva, que é igual a +1. Então, se você pensar apenas nesses termos, a carga nuclear efetiva sobre o elétron do hidrogênio (H) é quase a mesma que a carga nuclear efetiva sobre o elétron externo do lítio (Li), porque, em ambos os casos, temos uma carga nuclear efetiva igual a +1. Assim, o fato do lítio (Li) ter essa blindagem de elétrons, faz com que o efeito da carga nuclear seja atenuado, mas, claro, essa é uma forma muito simples de realizar o cálculo da carga nuclear efetiva. Na verdade, se for realizado um cálculo um pouco mais apurado, o valor da carga nuclear efetiva para o lítio (Li) vai ser igual a 1,3. Mas podemos dizer que a carga nuclear efetiva é aproximadamente igual a 1, ok? Mas se você precisar de uma medida mais precisa, é necessário usar 1,3. Mas enfim, o nosso objetivo aqui é saber que os elétrons de blindagem do lítio (Li) cancelam o aumento de carga nuclear, ok? Antes de terminar o vídeo, precisamos ainda ver mais um fator, que é a distância entre o elétron externo e o núcleo. Então vamos pensar sobre isso? O elétron do átomo de hidrogênio (H) está muito perto do núcleo, e quanto mais perto ele estiver, maior será a força de atração entre ele e o núcleo. Resgatando um pouco de física, de acordo com a Lei de Coulomb, a força eletrostática depende da distância, ou seja, quanto mais perto duas cargas estiverem uma da outra, maior será a força de atração. Quando são cargas de sinais contrários, não é? Dessa forma, o elétron do hidrogênio (H) sente uma força atrativa muito grande, o que torna muito difícil arrancar esse elétron desse orbital. Agora, para o elétron do lítio (Li), que se encontra na camada externa, a distância média entre ele o núcleo é bem maior. E por isso, a força atrativa entre ele o núcleo não é tão grande como no caso do hidrogênio (H). Assim, a força de atração entre ele e o núcleo não é tão grande assim. Isso faz com que seja mais fácil arrancar esse elétron externo. E isso naturalmente faz com que haja uma diminuição na energia de ionização. Assim, devido à distância, podemos dizer que é mais fácil retirar esse elétron do lítio (Li), que está na camada externa, porque ele está mais distante do núcleo. Então, pensando nesses três fatores ao mesmo tempo, a carga nuclear e a blindagem se anulam mutuamente. Por isso, podemos pensar apenas sobre o fator da distância para explicar a tendência que vemos em grupos para diminuição da energia de ionização.