Exame de Física e Química A 2025 · 2.ª fase — item 6.2, resolvido

O ponto de partida. «Estado fundamental» é o estado de menor energia do átomo. Há três regras que o garantem, e cada opção errada viola uma delas:

• Princípio da Construção (Aufbau) — as orbitais preenchem-se por ordem crescente de energia: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, … Só se passa à seguinte quando a anterior está cheia;
• Princípio de Exclusão de Pauli — cada orbital tem, no máximo, $2$ eletrões (de spins opostos);
• Regra de Hund — em orbitais com a mesma energia (as três $2p$: $2{\mathrm{p}}_{\mathrm{x}}$, $2{\mathrm{p}}_{\mathrm{y}}$, $2{\mathrm{p}}_{\mathrm{z}}$), os eletrões distribuem-se primeiro um por orbital, com spins paralelos, e só depois emparelham.

1.º — quantos eletrões e por onde vão

O oxigénio tem número atómico $Z=8$ (Tabela Periódica): o átomo neutro tem $8$ eletrões. Pela ordem de energia: $2$ na $1s$, $2$ na $2s$, e sobram $4$ para as orbitais $2p$, que comportam até $6$. Não há razão nenhuma para ocupar a $3s$:

2.º — como se repartem os quatro eletrões $2p$

Pela regra de Hund, os três primeiros eletrões vão um para cada orbital $2p$ ($2{\mathrm{p}}_{\mathrm{x}}^{1}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{y}}^{1}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{z}}^1$); o quarto já não tem orbital vazia de igual energia e emparelha numa delas. Fica uma orbital com $2$ eletrões e duas com $1$:

Qual das três orbitais $2p$ fica cheia é indiferente — têm a mesma energia. O que interessa é que haja dois eletrões desemparelhados.

Resposta: opção (B).

a origem de cada opção errada

• (A) $1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{x}}^{2}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{y}}^2$ — tem os $8$ eletrões e a ordem de energia certa, mas viola a regra de Hund: emparelha os eletrões na $2{\mathrm{p}}_{\mathrm{x}}$ e na $2{\mathrm{p}}_{\mathrm{y}}$ deixando a $2{\mathrm{p}}_{\mathrm{z}}$ vazia. Emparelhar custa energia (os dois eletrões repelem-se na mesma orbital); havendo uma orbital vazia com a mesma energia, o estado de menor energia é o que a ocupa. É uma configuração possível, mas de um estado excitado.
• (C) $1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{x}}^{1}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{y}}^{1}2{\mathrm{p}}_{\mathrm{z}}^{1}3{\mathrm{s}}^1$ — aplica a regra de Hund e depois põe o quarto eletrão na $3s$ em vez de o emparelhar numa $2p$. Viola o Princípio da Construção: a $3s$ tem mais energia do que as $2p$, e estas ainda têm lugar. É quem leva a regra de Hund longe de mais — «nunca emparelhar» —, quando ela só vale entre orbitais de igual energia. Estado excitado.
• (D) $1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}^{2}3{\mathrm{s}}^2$ — ocupa a $3s$ com $2$ eletrões e deixa só $2$ nas $2p$, que comportavam $6$. Também viola o Princípio da Construção: é outro estado excitado, com $8$ eletrões mas fora da ordem de energia.

Repara que as quatro opções têm $8$ eletrões. Contar eletrões não chega: o item testa se sabes onde os pôr.

onde se perdem pontos

Item de escolha múltipla, dicotómico: $10$ pontos ou zero.

• Confundir «estado fundamental» com «configuração possível». As quatro configurações existem; só uma é a de menor energia.
• Aplicar a regra de Hund a orbitais de energias diferentes. É o que leva à (C): a regra só manda distribuir eletrões entre as orbitais da mesma subcamada.
• Esquecer a regra de Hund quando as orbitais estão discriminadas (${\mathrm{p}}_{\mathrm{x}}$, ${\mathrm{p}}_{\mathrm{y}}$, ${\mathrm{p}}_{\mathrm{z}}$). Escrita como $2{\mathrm{p}}^4$, a configuração não mostra a distribuição; escrita orbital a orbital, mostra — e a (A) falha precisamente aí.
• Assinalar duas opções. Só conta a que surgir em primeiro lugar.
• Não indicar a versão da prova. Sem indicação inequívoca da versão, as respostas aos itens de seleção são classificadas com zero pontos.

a regra a fixar

Para a configuração do estado fundamental: conta os eletrões pelo $Z$, enche as subcamadas pela ordem de energia, e dentro de uma subcamada $\mathrm{p}$ põe primeiro um eletrão em cada orbital antes de emparelhar. Uma orbital de energia superior ocupada enquanto há lugar abaixo — ou uma orbital $\mathrm{p}$ vazia ao lado de outra cheia — denuncia sempre um estado excitado.