Os Números Quânticos
No capítulo anterior, aprendemos como os elétrons se organizam na eletrosfera por meio da distribuição eletrônica.
Mas como descrever a localização e o comportamento de cada elétron com ainda mais precisão?
É aqui que entram os números quânticos, que são como um endereço completo para cada elétron de um átomo.
Os números quânticos indicam:
1️⃣ O nível de energia do elétron.
2️⃣ O formato do orbital onde ele está.
3️⃣ A orientação espacial do orbital.
4️⃣ O sentido de rotação do elétron em torno de si mesmo (spin).
Vamos explorar cada um desses números.
1. Número Quântico Principal (n)
O número quântico principal (“n”) indica o nível de energia do elétron e está relacionado à distância entre o elétron e o núcleo.
Esses níveis são os mesmos que vimos na distribuição eletrônica, sendo numerados de 1 até 7, representando os níveis K, L, M, N, O, P e Q.
Quanto maior o valor de n, maior a energia do elétron e mais afastado ele está do núcleo. Nunca esqueça disso!
Os valores de n são inteiros positivos: 1, 2, 3, 4, e assim por diante.
Os níveis de energia correspondem às camadas da eletrosfera, que você já conhece:
n = 1 → Camada K
n = 2 → Camada L
n = 3 → Camada M
n = 4 → Camada N
2. Número Quântico Secundário ou Azimutal (ℓ)
O número quântico secundário (“ℓ”) determina o formato do orbital onde o elétron está localizado. Cada formato está associado a um subnível de energia.
Os valores de ℓ dependem do número quântico principal (n):
ℓ = 0 até n – 1.
Os subníveis correspondentes são:
ℓ = 0 → Subnível s (esférico)
ℓ = 1 → Subnível p (forma de halteres)
ℓ = 2 → Subnível d (formas complexas, como trevos)
ℓ = 3 → Subnível f (formas ainda mais complexas)
Por exemplo:
Para n = 1, o valor de ℓ pode ser apenas: 0 (subnível s, único que ele possui).
Para n = 3, os valores de ℓ podem ser: 0, 1, 2 (subníveis s, p e d).
3. Número Quântico Magnético (mℓ ou m)
O número quântico magnético (“mℓ” ou simplesmente “m”) indica a orientação espacial de um orbital em torno do núcleo.
Os valores de mℓ variam de –ℓ até +ℓ, incluindo o zero.
Isso significa que, para cada valor de ℓ, temos um conjunto de orbitais diferentes com orientações específicas.
Por exemplo:
Para ℓ = 0 (subnível s), mℓ pode ser: 0. Isso significa que o subnível s tem apenas um orbital.
Para ℓ = 1 (subnível p), mℓ pode ser: –1, 0, +1. Isso significa que o subnível p tem três orbitais.
Para ℓ = 2 (subnível d), mℓ pode ser: –2, –1, 0, +1, +2, possuindo cinco orbitais.
Para ℓ = 3 (subnível f), mℓ pode ser: –3, -2, –1, 0, +1, +2, +3, possuindo sete orbitais.
Aqui vai uma dica para você: o número de valores possíveis de mℓ é igual ao número de orbitais do subnível.
E como cada orbital comporta até dois elétrons, o número de elétrons que o subnível pode conter é o dobro da quantidade de valores de mℓ possível para cada subnível.
Isso será importantíssimo para entender o quarto número quântico.
4. Número Quântico de Spin (ms ou s)
O número quântico de spin (“ms” ou simplesmente “s”) descreve o sentido de rotação do elétron em torno de si mesmo.
Ele pode assumir apenas dois valores:
- 1/2: rotação em um sentido.
+ 1/2: rotação no sentido oposto.
Esse movimento de rotação gera um campo magnético, o que permite que dois elétrons ocupem o mesmo orbital, desde que seus spins sejam opostos.
Deixando claro, quando dois elétrons estão em um mesmo orbital, eles obrigatoriamente têm spins opostos.
5. O Princípio da Exclusão de Pauli
O cientista Wolfgang Pauli formulou um princípio essencial para compreender os números quânticos:
“Dois elétrons em um mesmo átomo não podem ter os quatro números quânticos iguais.”
Isso significa que cada elétron em um átomo deve ter pelo menos um número quântico diferente de qualquer outro.
Na prática, o princípio de Pauli explica por que cada orbital comporta no máximo dois elétrons e por que esses dois elétrons sempre têm spins opostos.
6. Representando os orbitais: as famosas caixinhas
Para visualizar os orbitais de um subnível, utilizamos caixinhas que representam cada orbital.
Por exemplo, para o subnível p:
Com 3 orbitais, desenhamos 3 caixinhas alinhadas: | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
Cada seta é um elétron. Se o subnível “p” comporta 6é, então ele tem 3 caixinhas (orbitais) e 6 setinhas (elétrons) quando ele estiver todo preenchido.
7. Como Preencher os Orbitais: Regra de Hund
Ao preencher os orbitais:
1️⃣ Preencha sempre um elétron por vez
Coloque um elétron em cada orbital do subnível com spins iguais (setas para cima).
Apenas depois de preencher todos os orbitais individualmente, começamos a emparelhá-los (setas para baixo).
Se você adota o sentido para cima primeiro, só coloque a preencher com setas para baixo depois que todas as setas para cima já tiverem sido preenchidas.
Exemplo para o subnível p com 3 elétrons: | ↑ | ↑ | ↑ |
Exemplo para o subnível p com 6 elétrons: | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
2️⃣ Atenção ao spin dos elétrons
Por convenção, o primeiro elétron que entra em um orbital geralmente tem spin negativo (-1/2), representado por uma seta para cima (↑).
O segundo elétron, com spin positivo (+1/2), é representado por uma seta para baixo (↓).
8. Exemplos de Números Quânticos
Vamos aplicar o conceito com um exemplo prático: o átomo de oxigênio (8O).
A distribuição eletrônica é: 1s² 2s² 2p⁴.
O elétron mais externo está no subnível 2p e ele é o quarto elétron do subnível. Portanto:
n = 2 (segundo nível de energia).
ℓ = 1 (subnível p).
Preenchendo as caixinhas, primeiro todos os elétrons para cima: | ↑ | ↑ | ↑ |
Preenchemos apenas 3é até agora, então vamos colocar um para baixo: | ↑↓ | ↑ | ↑ |
mℓ = -1 (o último elétron está no primeiro orbital do subnível “p”, que é o orbital -1).
ms = +1/2 (se a convenção é de que o elétron ↑ tem spin -1/2, então o nosso elétron ↓ tem spin +1/2.
Perfeito! Achamos os 4 números quânticos do subnível mais energético do oxigênio!
Com isso, conseguimos identificar precisamente onde cada elétron está e como ele se comporta.
No próximo capítulo, exploraremos como essas características dos elétrons influenciam as propriedades físicas e químicas dos materiais.
