Elétrons

O elétron (e^-) é uma partícula subatômica que está localizada na eletrosfera do átomo - mais especificamente, nos subníveis de energia, circundando o núcleo atômico. Possui carga negativa e peso desprezível, de 1/1836 da massa do próton.

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O elétron foi descoberto em 1897, por Joseph John Thomson, durante um experimento utilizando um tubo de raios catódicos. Dentro deste tubo de vidro, havia uma pequena quantidade de gás e dois eletrodos ligados a uma fonte elétrica externa.

Quando Thomson ligava o circuito, o cátodo (eletrodo negativo) liberava um feixe de raios que se dirigia para o ânodo (eletrodo positivo). Ele percebeu que esses raios eram desviados na direção do pólo positivo de um campo elétrico.

Thomson concluiu, com os resultados deste experimento, que os raios eram partículas menores que os átomos e que apresentavam carga elétrica negativa. Essas partículas receberam o nome de elétrons (e^-).

No final do século XIX, diversos fenômenos que envolviam os elétrons não podiam ser explicados com base na mecânica clássica. Surgiu, então, um conjunto de princípios e leis que regem os sistemas atômicos e subatômicos, que ficou conhecido como mecânica quântica.

Um dos precursores da mecânica quântica foi o modelo atômico de Böhr. Neste sistema, os elétrons circulam ao redor do núcleo atômico em orbitais discretos e a posição de cada um dos elétrons está bem definida em termos do seu orbital, como mostrado na figura abaixo.

Representação esquemática do átomo de Böhr.

Um dos princípios da mecânica quântica é a quantização das energias dos elétrons. A energia do elétron pode mudar e, para isso, o elétron precisa mudar de orbital através de um salto quântico, tanto para um estado de energia permitido mais elevado (com absorção de energia), quanto para um estado de energia mais baixo (com liberação de energia).

O modelo de Böhr não conseguia explicar todos os fenômenos que envolviam os elétrons. Foi então que surgiu o modelo mecânico-ondulatório, que considera que o elétron apresenta características tanto de partícula quanto de onda. Nesse modelo, a posição do elétron é tratada como sendo uma distribuição de probabilidades de o elétron estar em diversos locais ao redor do núcleo atômico, ou uma nuvem eletrônica. A figura abaixo representa os modelos de Böhr e mecânico-ondulatório.

No modelo mecânico-ondulatório, cada elétron é caracterizado por 4 parâmetros chamados números quânticos. A tabela abaixo mostra os vários números quânticos que existem e suas atribuições.

Número Quântico Principal, n

Assume números a partir de 1 e é, algumas vezes, designado pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Está relacionado com a distância do elétron a partir do núcleo (equivalente às camadas do modelo de Böhr), indicando o nível de energia do elétron.

n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7

Número Quântico Secundário (ou orbital), l

Especifica os subníveis de energia dentro dos níveis principais. É identificado por letras minúsculas: s, p, d, f. Está relacionado à forma da subcamada eletrônica. A quantidade dessas subcamadas está restrita pela magnitude de n, como mostrado a seguir:

Os valores permitidos de l são:

l = 0, 1, 2, 3, ..., n-1

Número Quântico Magnético, m_l

É o número de estados energéticos para cada subcamada. Para uma subcamada s existe apenas um estado energético, enquanto para as camadas p, d e f existem, respectivamente três, cinco e sete estados energéticos ou orbitais. Indica a orientação espacial de um dado orbital.

O orbital está associado à região de maior probabilidade de se encontrar um elétron. Cada orbital comporta no máximo dois elétrons e é representado por □ ou ○. Os valores de m_l variam de -l a +l, conforme demonstra a tabela abaixo:

Número Quântico de Spin, m_s

Especifica dois sentidos possíveis de rotação do elétron em torno de seu próprio eixo. O número quântico de spin é usado para diferenciar os elétrons de um mesmo orbital. Existem dois valores possíveis: +½, -½.

A representação gráfica dos elétrons em um mesmo orbital pode ser feita de duas maneiras:

É comum adotar que o primeiro elétron de um orbital seja representado por uma seta para cima (↑) e que seu valor de spin seja -½.

A configuração eletrônica tem a ver com a forma como os elétrons estão dispostos nos orbitais do átomo, que é definido pelo Princípio de Exclusão de Pauli. Este princípio estipula que cada estado ou orbital eletrônico pode comportar no máximo dois elétrons, que devem possuir valores de spin opostos.

Além disso, temos a Regra de Hund, segundo a qual os orbitais de um nível são preenchidos de modo que se obtenha o maior número de elétrons desemparelhados, ou seja, isolados. Veja os exemplos a seguir:

A quantidade máxima que cada orbital suporta de elétrons é ilustrada na figura abaixo:

O preenchimento das camadas eletrônicas se dá a partir dos orbitais energéticos mais baixos. Quando todos os elétrons ocupam as posições possíveis de menor energia, o átomo se encontra em seu estado fundamental.

Elétrons de valência são aqueles das camadas não completamente preenchidas, localizados na última camada eletrônica (a mais longe do núcleo). Os elétrons de valência são responsáveis pelas ligações químicas e tendem a controlar as propriedades químicas dos elementos.

Quando um átomo ganha ou perde elétrons, ele se transforma em um íon. Ao perder um ou mais elétrons, o átomo se torna positivamente carregado, pois a quantidade de prótons se torna maior que a quantidade de elétrons, e se transforma em um cátion.

Ao ganhar um ou mais elétrons, o átomo se torna negativamente carregado, pois a quantidade de elétrons se torna maior que a quantidade de prótons, e se transforma em um ânion.