Mais sobre orbitais e configuração eletrónica

Noções mais intuitivas de orbitais. Primeira abordagem à configuração eletrónica.

Nos últimos vídeos aprendemos

que a configuração dos eletrões num átomo
não ocorre

numa configuração simples
de órbita Newtoniana clássica.

Esse é o modelo de Bohr do eletrão.

Vou continuar a revê-lo,

porque acho que é um
ponto importante.

Se isto for o núcleo - recordemos que
é apenas um ponto minúsculo

quando comparado com o volume total
do átomo.

E em vez de o eletrão orbitar em torno dele,

que seria como um planeta orbita o sol,

em vez de andar em órbita
em torno dele, é descrito por orbitais

as quais são funções de
densidade de probabilidade.

Assim, uma orbital - suponhamos que
isto é o núcleo - descreveria,

se escolhermos qualquer ponto do espaço
à volta do núcleo,

a probabilidade de encontrar o eletrão.

Então, na verdade, em qualquer volume
de espaço à volta do núcleo,

dar-nos-á a probabilidade de encontrar

o eletrão nesse volume.

Assim, se tirássemos muitas fotos
de eletrões

- por exemplo na orbital 1s.

E é este o aspeto da orbital 1s.

Mal se consegue vê-la ali,
mas é uma esfera à volta do núcleo,

e este é o menor estado de energia
em que um eletrão se pode encontrar.

Se tirássemos uma série de
fotos de eletrões.

Suponhamos que vamos tirar
uma série de fotos do hélio,

que tem dois eletrões.

Ambos estão na orbital 1s.

Seria parecido com isto.

Se tirarmos uma foto,
talvez ele esteja aqui,

na foto seguinte, talvez
o eletrão esteja aqui.

Depois o eletrão estará aqui.

Depois o eletrão estará aqui.

Depois aqui.

E se continuássemos a tirar fotos,

teríamos uma multidão deles
muito próximos.

E vai-se tornando um pouco mais espaçado
à medida que nos afastamos,

cada vez mais para longe do núcleo.

Mas, como vemos, é muito
mais provável

encontrar o eletrão próximo do centro do átomo
do que mais afastado.

Embora possamos ter observado o eletrão

aqui por fora, ou por aqui.

Ele poderia estar em qualquer lado,

mas se fizermos várias observações,

veremos o que descreve a
função de probabilidade.

E o que mostra é que há uma
probabilidade muito menor de

encontrar o eletrão neste
pequeno cubo de volume de espaço

do que neste pequeno cubo
de volume de espaço.

E quando vemos estes diagramas
que desenham esta orbital assim...

Como se fosse uma camada, ou uma esfera.

Vou tentar fazer com que
pareça tridimensional.

Então, digamos que isto é o exterior,
e o núcleo

fica algures no interior.

Elas representam
- apenas definem um limite -

onde podemos encontrar
o eletrão 90% das vezes.

Assim, significam: OK,

podemos encontrar o eletrão 90% das vezes
dentro deste círculo,

se fizermos um corte transversal.

Mas de vez em quando o eletrão
pode aparecer fora, certo?

Porque são tudo probabilidades.

Então, isto também pode acontecer.

Ainda podemos encontrar o eletrão

se isto for a orbital de que
estamos a falar.

Certo?

E no último vídeo dissemos, OK,

os eletrões preenchem as orbitais

a partir de um estado de baixa energia
até um estado de alta energia.

Podemos imaginar.

Se eu estiver a jogar Tetris - bem,
não sei o Tetris é um bom exemplo -

mas se estiver a empilhar cubos,
começo com os cubos a partir de energia baixa ,

se isto for o chão, coloco o primeiro cubo
no estado de menor energia.

E poderia colocar o segundo cubo
num estado de energia baixo

Mas só temos este espaço para trabalhar.

E então temos que colocar o terceiro cubo
no estado de energia seguinte.

Neste caso, a energia seria descrita

como energia potencial, certo?

Este é apenas um exemplo clássico,
de física Newtoniana.

Mas a ideia é a mesma com os eletrões.

Quando tivermos dois eletrões
nesta orbital 1s

- a configuração electrónica do hélio é 1s2 -

já não podemos colocar aqui o terceiro eletrão

porque só há espaço
para dois eletrões.

Uma maneira de ver é que estes dois eletrões

vão repelir o terceiro
que queremos acrescentar.

Então temos que ir para a orbital 2s.

E se agora traçarmos a orbital 2s
em cima desta,

será parecida com isto, onde temos

uma probabilidade elevada de encontrar
os eletrões nesta camada

que está essencialmente
a envolver a orbital 1s, certo?

Então, se considerarmos agora o lítio.

Só com mais um eletrão extra.

Este eletrão extra, isto pode ser

onde observámos aquele eletrão extra.

Mas de vez em quando ele poderá aparecer aqui,

por aqui, e por aqui,

mas a maior probabilidade é aqui.

Então quando dizemos: onde
é que vai estar 90% das vezes?

Estará como numa camada
à volta do centro.

Lembremo-nos de que
a três dimensões

vamos cobrir praticamente tudo.

Então teremos esta camada.

Então isso é o que
está aqui desenhado.

Temos a 1s.

É apenas uma camada a vermelho.

E depois a 2s.

A segunda camada de energia é apenas
esta camada azul por cima.

E , na verdade, podemos ver um pouco melhor

as orbitais de energia mais elevada,
as camadas de maior energia,

onde a sétima camada s de energia
é esta área vermelha.

Então temos a área azul,
depois a vermelha, e depois a azul.

E acho que dá para perceber que
cada uma destas é uma camada de energia.

E vamos sobrepondo as orbitais de energia
umas dentro das outras.

Mas provavelmente já repararam nestas
outras coisas por aqui.

E lembrem-se, o princípio geral é que

os eletrões preenchem as orbitais

da orbital de menor energia
até à de maior energia.

Assim, a primeira a preencher é a 1s.

Este é o 1.

Esta é o s.

Então esta é a 1s.

Podem caber dois eletrões.

E a seguinte a preencher é a 2s.

Pode receber mais dois eletrões.

E depois a próxima, e aqui começa
a ficar interessante,

preenche-se a orbital 2p.

Que é esta, aqui mesmo.

Orbitais 2p.

E reparem que as orbitais p têm algo,
p índice z, p índice x, p índice y.

O que significa isto?

Bem, se olharmos para as orbitais p,
elas têm a forma de um haltere.

Elas parecem um pouco artificiais,
mas acho que nos vídeos seguintes

vamos mostrar como elas são análogas
a ondas estacionárias.

Mas se olharmos para estas,
existem três maneiras

em que podemos orientar
estes halteres.

Uma é na direção z, para cima e para baixo.

Uma é na direção x, esquerda ou direita.

E uma é na direção y, por aqui,

para a frente e para trás, certo?

E se desenharmos

- suponhamos que queremos
desenhar as orbitais p.

Então esta é a que vamos preencher a seguir.

E, na verdade, preenchemos um eletrão aqui,

outro eletrão aqui, e depois um outro eletrão aqui.

Depois preenchemos um outro eletrão,

e mais tarde falaremos de spin
e outras coisas do género.

Mas, aqui, aqui, e aqui.

E isto na realidade é a chamada regra de Hund.

Talvez eu faça um vídeo inteiro sobre a regra de Hund,

mas isto não é relevante para
uma aula de química do primeiro ano.

Mas isto preenche-se por esta ordem,
e mais uma vez,

quero que tenham a intuição
de qual seria o aspeto disto.

Vejam.

Eu deveria colocar 'vejam' entre aspas,

porque isto é muito abstrato.

Mas se quisermos visualizar as orbitais p

- digamos que estamos a ver a configuração eletrónica,

por exemplo, para o carbono.

Assim, na configuração eletrónica do carbono,

os primeiros dois eletrões vão para 1s1, e 1s2.

Depois preenche-se
- desculpem, não conseguem ver tudo.

Depois preenche-se a 1s2, na configuração do carbono.

Preenche-se a 1s1 e depois a 1s2.

E esta é a configuração do hélio.

E depois seguimos para a segunda camada,

que é o segundo período, certo?

É por isso que se chama de tabela periódica.

Vamos falar sobre períodos e grupos mais tarde.

E depois vamos para aqui.

Portanto, este é o preenchimento das 2s.

Estamos no segundo período aqui.

Este é o segundo período.

Um, dois.

Tenho que mover,
para que se possa ver tudo.

Depois, preenchem-se estes dois.

As 2s2.

E depois começamos
a preencher as orbitais p.

E começamos a preencher a 1p
e em seguida a 2p.

E ainda estamos na segunda camada, portanto 2s2, 2p2.

E a questão é, qual seria o aspeto disto

se só quiséssemos visualizar esta orbital,

aqui, as orbitais p?

Portanto, temos dois eletrões.

E um eletrão vai ficar em
- Vamos supor que se isto,

Vou tentar desenhar uns eixos.

Isto é muito fino.

Então, se eu desenhar
um volume tridimensional

com uma espécie de eixos.

Se eu fizesse um monte
de observações de, digamos,

um dos eletrões nas orbitais p,

por exemplo na dimensão pz,

por vezes pode estar aqui,

por vezes pode estar aqui, ou então aqui.

E se continuarmos a fazer
um monte de observações,

vamos ficar com algo parecido
com esta forma de sino,

esta forma de haltere aqui.

E depois para o outro eletrão
que está talvez na direção x,

vamos fazer um monte de observações.

Deixe-me fazê-lo com
uma cor mesmo diferente.

Será parecido com isto.

Vamos fazer um monte
de observações, e notamos:

uau, é muito mais provável encontrar

este eletrão nesta espécie de haltere,
nesta forma de haltere.

Mas podemos encontrá-lo fora.

Podemos encontrá-lo aqui.

Podemos encontrá-lo aqui.

Apenas há uma probabilidade muito maior

de encontrá-lo aqui do que aqui fora.

E esta é a melhor maneira que
consigo lembrar-me para visualizar.

O que estamos aqui a fazer,

isto é uma configuração eletrónica.

E a maneira de o fazer - e há várias maneiras

que são ensinadas em aulas de química -

mas a maneira que mais gosto de fazer é,

pegarmos na tabela periódica e dizer,
estes grupos,

e quando digo grupos quero dizer as colunas,

estas vão preencher o sub-nível s ou as orbitais s.

Estes aqui em cima -
Podemos escrever s aqui em cima.

Estes aqui vão preencher as orbitais p.

Na verdade, vamos retirar o hélio do grupo.

As orbitais p.

Vamos fazer isso.

Vamos retirar o hélio da figura.

Estes têm os orbitais p.

E na verdade, para melhor compreendermos estes,

devíamos pegar no hélio e colocá-lo ali.

Certo?

A tabela periódica é apenas
uma maneira de organizar as coisas

de modo a fazer sentido,
mas para percebermos as orbitais,

podemos pegar no hélio.

Vamos a isso.

A magia dos computadores.

Vamos recortá-lo, e depois colá-lo aqui, certo?

E agora vemos que o hélio, temos 1s e depois 2s,

portanto a configuração do hélio é

- Perdão, temos 1s1, e depois 1s2.

Estamos na primeira camada de energia.

Certo?

Assim, a configuração do hidrogénio é 1s1.

Só temos um eletrão no sub-nível s
da primeira camada de energia.

A configuração do hélio é 1s2.

E depois começamos a preencher
a segunda camada de energia.

A configuração do lítio é 1s2.

É para aí que vão os dois primeiros eletrões .

E depois o terceiro vai para 2s1, certo?

E depois acho que já começam a ver o padrão.

E quando vamos ao azoto vemos,

OK, tem três eletrões na sub-orbital p.

Portanto quase podemos
andar para trás, certo?

Estamos no segundo período, certo?

Portanto, esta é a 2p3.

Vamos escrever isto.

Então, posso escrever primeiro isto: 2p3.

Então é aqui que vão os últimos três elétrons
para a orbital p.

Depois temos estes dois
que vão para a orbital 2s2.

E depois os dois primeiros,
ou os eletrões de energia mais baixa,

serão 1s2.

Portanto, esta é a configuração
electrónica do azoto.

E só para ter certeza que
a configuração está correta,

o que fazemos é contar o número de eletrões.

Portanto 2 mais 2 são 4, mais 3 é 7.

E estamos a falar de átomos neutros,

portanto o número de eletrões deve
ser igual ao número de protões.

O número atómico é o número de protões.

Então está certo.

Sete protões.

Portanto, até agora, quando estamos
a lidar apenas com as s e p,

isto é bastante direto.

E se eu quisesse descobrir a configuração do silício,

aqui, qual seria?

Bem, estamos no terceiro período.

Um, dois, três.

Esta é a terceira linha.

E este é o bloco p aqui.

Então esta é a segunda linha no bloco p, certo?

Um, dois, três, quatro, cinco, seis.

Certo.

Estamos na segunda linha do bloco p,

portanto começamos com 3p2.

E depois temos 3s2.

E depois preencheu-se todo o bloco p.

Então é 2p6.

E depois, 2s2.

E depois, claro, preencheu a
primeira camada

antes de preencher
estas outras camadas.

Portanto, 1s2.

Portanto, esta é a configuração electrónica para o silício.

E podemos confirmar que
deveríamos ter 14 eletrões.

2 mais 2 são 4, mais 6 é 10.

10 + 2 é 12, mais 2 é 14.

Então, acertámos com o silício.

Acho que estou a ficar com pouco tempo,

portanto no vídeo seguinte
vamos começar a abordar

o que acontece quando vamos
para estes elementos, no bloco d.

E já podemos começar
a adivinhar o que acontece.

Vamos começar a preencher
estas orbitais d aqui

que têm formas ainda mais estranhas.

E a minha maneira de ver isto,
para não perdermos muito tempo,

é que, à medida que nos afastamos do núcleo,

há mais espaço entre as
orbitais de energia mais baixa

para preencher mais destas
orbitais de formas estranhas.

Mas estes são uma espécie de equilíbrio

- vou falar sobre ondas estacionárias adiante -

mas estas são uma espécie de equilíbrio entre

tentar chegar perto do núcleo e dos protões

e dessas cargas positivas,

porque as cargas dos eletrões atraem-nas,

evitando ao mesmo tempo as cargas dos outros eletrões,

ou pelo menos as suas
funções de distribuição de massa.

Enfim, até ao próximo vídeo.