ELETROSFERA: PRINCÍPIO DA DUALIDADE PARTÍCULA-ONDA
Qualquer aparelho usado para visualizar um elétron em movimento deve iluminá-lo. Ao receber a luz, o elétron excita-se, sendo promovido para um nível mais energético, o que torna impossível determinar, simultaneamente, sua posição e energia.
A idéia do elétron como partícula em órbitas definidas (modelo de Bohr) não esclarece satisfatoriamente as ligações químicas em que os elétrons se comportam como nuvens de carga negativa ao redor do núcleo. Experiências com feixes eletrônicos revelaram que, eventualmente, os elétrons se comportam como ondas (como a luz), obedecendo às leis da ondulatória.
Essas observações levaram De Broglie a enunciar o princípio da dualidade partícula-onda. O elétron pode ser considerado partícula material ou uma onda.
Jamais podemos determinar com exatidão a posição e a energia de um elétron simultaneamente. Esse princípio elimina a possibilidade de se aceitarem órbitas bem-definidas para os elétrons de um átomo. Se fosse admitida uma órbita conhecida para um elétron num átomo, simultaneamente se definiriam sua posição e energia.
Admitida a incerteza na determinação da órbita de um elétron, o austríaco Schrodinger calculou, matematicamente, a região do átomo em que há maior probabilidade de se localizar um elétron - o orbital. Orbital é a região do átomo onde é máxima a probabilidade de se localizar um elétron. São importantes as formas s (esférica) e p (halteres).
Assim, o átomo teria sua eletrosfera formada por um conjunto de diferentes orbitais e cada elétron do átomo, a máxima probabilidade de se encontrar dentro de um desses orbitais.
Número quântico magnético (ml ou m)
De acordo com a teoria dos orbitais, cada subnível de energia é formado por um conjunto de orbitais e cada orbital, representado por um número quântico magnético (ml ou m), que pode assumir valores compreendidos entre -l e +l, passando pelo zero. $$\text{m}l = -l ... 0 ... +l$$ Segue quadro dos orbitais de cada subnível, as respectivas características e os números quânticos magnéticos.
| Subníveis | Nº orbitais | Nº quânticos magnéticos | Forma |
|---|---|---|---|
| $\text{s}$ | $\text{1}$ | $\text{0}$ | esférica |
| $\text{p}$ | $\text{3}$ | $\text{-1 0 1}$ | halteres |
| $\text{d}$ | $\text{5}$ | $\text{-2 -1 0 1 2}$ | complexa |
| $\text{f}$ | $\text{7}$ | $\text{-3 -2 -1 0 1 2 3}$ | complexa |
Os orbitais de um mesmo subnível têm a mesma forma geométrica, mas diferentes orientações no espaço. Os três orbitais p, por exemplo, têm a mesma forma de halteres com orientações espaciais diferentes, segundo os eixos x, y e z. O número quântico magnético caracteriza o magnetismo criado pelo elétron em seu movimento ao redor do núcleo e está relacionado com a orientação do orbital no espaço.
Spin é a rotação de um elétron em relação ao próprio eixo. Produz efeitos magnéticos e, como consequência, efeitos de atração ou repulsão. Elétrons com spins iguais (paralelos) repelem-se e elétrons com spins contrários (antiparalelos) atraem-se.
Número quântico spin (ms ou s)
Representam-se os spins pelo número quântico spin (ms ou s), cujos valores possíveis são -1/2 e +1/2.
Num átomo não pode haver dois elétrons com os quatro números quânticos iguais. Consequentemente um orbital comporta, no máximo, dois elétrons, que devem ter spins contrários.
Orbital vazio
Orbital semipreenchido com um elétron
Orbital preenchido com dois elétrons
Esse princípio estabelece, então: dois elétrons de um mesmo átomo devem ter conjuntos diferentes dos quatro números quânticos - n, l, ml, ms. O conjunto caracteriza perfeitamente o elétron, fornecendo o nível de energia, o subnível, o orbital e o sentido de sua rotação. O quadro a seguir relaciona subníveis e orbitais.
| $l$ | Subníveis | Orbitais | Elétrons | Notação |
|---|---|---|---|---|
| 0 | $\text{s}$ | 1 | 2 | $\text{s}^2$ |
| 1 | $\text{p}$ | 3 | 6 | $\text{p}^6$ |
| 2 | $\text{d}$ | 5 | 10 | $\text{d}^{10}$ |
| 3 | $\text{f}$ | 7 | 14 | $\text{f}^{14}$ |
As camadas (níveis) são formadas por subníveis, que se constituem de orbitais. O quadro a seguir mostra a relação que há entre níveis, subníveis, orbitais e elétrons.
| Camada | Níveis | Subníveis ($l$) | Nº máximo de | ||
|---|---|---|---|---|---|
| ($n$) | $\text{s}$ $\text{p}$ $\text{d}$ $\text{f}$ | Subníveis | Orbitais | $\text{e}^-$ reais | |
| K | 1 | $1\text{s}$ | 1 | 1 | 2 |
| L | 2 | $2\text{s}$ $2\text{p}$ | 2 | 4 | 8 |
| M | 3 | $3\text{s}$ $3\text{p}$ $3\text{d}$ | 3 | 9 | 18 |
| N | 4 | $4\text{s}$ $4\text{p}$ $4\text{d}$ $4\text{f}$ | 4 | 16 | 32 |
| O | 5 | $5\text{s}$ $5\text{p}$ $5\text{d}$ $5\text{f}$ | 4 | 16 | 32 |
| P | 6 | $6\text{s}$ $6\text{p}$ $6\text{d}$ | 3 | 9 | 18 |
| Q | 7 | $7\text{s}$ | 1 | 1 | 2 |