Exercícios: Periodicidade das propriedades

Todos os elementos da coluna 1 da tabela, os metais alcalinos, terminam a sua configuração eletrónica em $s^1$.

1. a) O que têm em comum as configurações eletrónicas de todos os elementos de um mesmo grupo?
2. b) Que consequência tem essa semelhança nas suas propriedades químicas? Dá um exemplo concreto do grupo 1.

No laboratório, o sódio conserva-se mergulhado em óleo mineral porque reage violentamente com a água e até com a humidade do ar.

1. a) Descreve o que se observa ao deitar um pequeno pedaço de sódio numa cuba com água.
2. b) Que gás se liberta na reação? Que caráter, ácido ou básico, tem a solução resultante?

O hélio dos balões e o néon dos anúncios luminosos são gases nobres.

1. a) O que têm de especial as configurações eletrónicas dos gases nobres?
2. b) Por que razão quase não formam compostos químicos? Que vantagem oferece o hélio em relação ao hidrogénio, que é inflamável, para encher balões?

O cloro que desinfeta as piscinas e o iodo das farmácias são halogéneos (grupo 17).

1. a) Quantos eletrões de valência têm os halogéneos? Que ião formam ao ganhar um eletrão?
2. b) Explica, com base na transferência de eletrões entre ambos os átomos, por que razão o sódio e o cloro reagem formando cloreto de sódio, $\text{NaCl}$.

O terceiro período da tabela periódica, da esquerda para a direita, é: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl e Ar.

1. a) Indica quais destes elementos são metais, quais são não metais e qual é um semimetal.
2. b) Como varia o caráter metálico ao avançar da esquerda para a direita ao longo de um período?

Um fio de cobre conduz a corrente elétrica; um pedaço de enxofre, não.

1. a) Refere três propriedades típicas dos metais que não são partilhadas pelos não-metais.
2. b) Em que zonas da tabela periódica (esquerda, centro, direita) se situam os metais e os não-metais?

A partir do grupo a que pertence cada elemento, indica que ião forma e justifica com o número de eletrões que ganha ou perde para completar o seu último nível:

1. a) magnésio (grupo 2)
2. b) azoto (grupo 15)
3. c) potássio (grupo 1)

O sódio forma iões $\text{Na}^{+}$ e o oxigénio, iões $\text{O}^{2-}$.

1. a) Quantos iões $\text{Na}^{+}$ são necessários para compensar a carga de um ião $\text{O}^{2-}$?
2. b) Escreve a fórmula do óxido de sódio. Qual será a fórmula do óxido de potássio, que está no mesmo grupo que o sódio?

Ao deixar cair pequenos pedaços de lítio, sódio e potássio em três cubas com água, a reação é sucessivamente mais violenta. O esquema ilustra a estrutura em níveis de energia dos três átomos:

1. a) Ordena Li, Na, K e Rb por ordem crescente de reatividade com a água e acerta a equação da reação do sódio: $\text{Na} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaOH} + \text{H}_2$.
2. b) Explica a tendência: quanto mais abaixo se encontra o metal alcalino no grupo, mais fácil ou mais difícil é remover-lhe o seu eletrão de valência? Relaciona com a sua reatividade.

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

A reatividade dos halogéneos varia de forma oposta à dos metais alcalinos: o flúor é o mais reativo e o iodo, o menos reativo.

1. a) Ao borbulhar cloro numa solução de brometo de potássio, a solução fica acastanhada devido à formação de bromo: $\text{Cl}_2 + \text{KBr} \rightarrow \text{Br}_2 + \text{KCl}$. Acerta a equação e explica o que significa o cloro «deslocar» o bromo dos seus compostos.
2. b) Prevê se o iodo deslocaria o cloro de uma solução de $\text{NaCl}$. Justifica a resposta com a tendência ao longo do grupo.

Alguns raios atómicos medidos são: Li: $152\ \text{pm}$, Na: $186\ \text{pm}$ e K: $227\ \text{pm}$ no grupo 1; e Na: $186\ \text{pm}$, Mg: $160\ \text{pm}$ e Al: $143\ \text{pm}$ no terceiro período. A figura representa os seis átomos à escala:

1. a) Descreve, com base nestes dados, a tendência do raio atómico ao descer num grupo e ao avançar ao longo de um período.
2. b) Explica-a: o que é adicionado ao descer num grupo que faz aumentar o átomo, e o que aumenta ao avançar ao longo de um período que atrai mais fortemente a nuvem eletrónica?

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

A primeira energia de ionização (energia necessária para remover o eletrão mais externo, em $\text{kJ/mol}$) vale: Na: $496$, Mg: $738$, Al: $578$ e Cl: $1251$ no terceiro período; e Li: $520$, Na: $496$ e K: $419$ no grupo 1. O gráfico representa todos estes valores:

1. a) Enuncia as duas tendências da energia de ionização: ao avançar ao longo de um período e ao descer num grupo.
2. b) Relaciona a baixa energia de ionização dos metais alcalinos com a sua facilidade em formar iões $\text{X}^{+}$ e, simultaneamente, com a sua elevada reatividade.

Prevê a fórmula destes compostos iónicos a partir das cargas habituais dos iões, justificando a transferência de eletrões:

1. a) alumínio ($\text{Al}^{3+}$) com enxofre ($\text{S}^{2-}$)
2. b) cálcio ($\text{Ca}^{2+}$) com azoto ($\text{N}^{3-}$)

Um elemento é um gás incolor, inodoro e totalmente inerte; a indústria utiliza-o como atmosfera protetora na soldadura por arco e para preencher o espaço entre os vidros das janelas de vidro duplo.

1. a) A que grupo da tabela periódica pertence?
2. b) O seu átomo tem $18$ eletrões: de que elemento se trata? Escreve a sua configuração eletrónica e explica, a partir dela, por que razão é inerte.

A eletronegatividade mede a tendência de um átomo para atrair a si os eletrões de uma ligação. Alguns valores: F: $4,0$, O: $3,5$, Cl: $3,2$, S: $2,6$, Na: $0,9$ e Cs: $0,7$.

1. a) Verifica com base nestes dados que a eletronegatividade aumenta ao avançar ao longo de um período e diminui ao descer num grupo.
2. b) Que elemento da tabela periódica é o mais eletronegativo e em que posição se encontra? Onde se situam, por outro lado, os elementos menos eletronegativos?

Ordena por ordem decrescente de caráter metálico os elementos Na, Mg, S e Si.

1. a) Justifica a ordem a partir das suas posições no terceiro período.
2. b) Explica que propriedade macroscópica, como a condução da corrente elétrica, variaria ao percorrer a série nessa ordem.

Os óxidos dos elementos do terceiro período são: $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{SO}_3$ e $\text{Cl}_2\text{O}_7$. Ao reagirem com a água, os dois primeiros originam soluções básicas e os dois últimos, soluções ácidas; o $\text{Al}_2\text{O}_3$ e o $\text{SiO}_2$ são praticamente insolúveis, embora o $\text{SiO}_2$ tenha caráter ácido (reage com as bases).

1. a) Relaciona o caráter ácido ou básico do óxido com a posição do elemento no período e com o seu caráter metálico.
2. b) O óxido de alumínio é anfótero: reage como base face aos ácidos e como ácido face às bases. Enquadra-se este comportamento na sua posição intermédia no período? Justifica.
3. c) Prevê o caráter (ácido, básico ou anfótero) do óxido de potássio, $\text{K}_2\text{O}$, e do dióxido de selénio, $\text{SeO}_2$, a partir da posição do K e do Se na tabela periódica.

Raios medidos: Na: $186\ \text{pm}$ e $\text{Na}^{+}$: $95\ \text{pm}$; Cl: $99\ \text{pm}$ e $\text{Cl}^{-}$: $181\ \text{pm}$. A figura representa átomos e iões à escala:

1. a) Que ião é menor do que o seu átomo neutro e qual é maior? Compara numericamente cada par.
2. b) Explica ambas as variações contando eletrões e níveis de energia: o que perde o sódio ao ionizar-se e por que razão o cloro aumenta tanto ao ganhar um eletrão (pensa na repulsão entre eletrões)?
3. c) O ião $\text{Na}^{+}$ e o ião $\text{F}^{-}$ são isoeletrónicos (têm $10$ eletrões): prevê qual dos dois será maior e justifica comparando as suas cargas nucleares ($Z = 11$ para o Na e $Z = 9$ para o F).

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

As três primeiras energias de ionização sucessivas de um elemento do terceiro período são $E_{i,1} = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_{i,2} = 1451\ \text{kJ/mol}$ e $E_{i,3} = 7733\ \text{kJ/mol}$. O gráfico representa as três energias à escala:

1. a) Calcula quantas vezes é maior $E_{i,2}$ do que $E_{i,1}$ e quantas vezes é maior $E_{i,3}$ do que $E_{i,2}$.
2. b) Entre que ionizações ocorre o «salto»? Quantos eletrões de valência tem esse átomo? Justifica.
3. c) Sabendo que a sua configuração termina em $3s^2$, identifica o elemento e explica por que razão remover o terceiro eletrão requer tanta energia: de onde é removido esse eletrão?

O selénio ($Z = 34$) é um oligoelemento essencial que surge na composição de alguns suplementos alimentares.

1. a) Escreve a sua configuração eletrónica e deduz o seu período e o seu grupo.
2. b) Prevê: o seu ião mais frequente, a fórmula do seu composto com o sódio e a fórmula do seu hidreto (o composto com hidrogénio análogo à água).
3. c) Compara a sua reatividade com a do enxofre, que se situa imediatamente acima no mesmo grupo, e justifica com base na tendência dos não-metais ao descer num grupo.

As células fotoelétricas de algumas barreiras de segurança industriais contêm césio: a luz visível é suficiente para arrancar eletrões da sua superfície.

1. a) Relaciona essa propriedade com a primeira energia de ionização do césio ($376\ \text{kJ/mol}$, a menor dos metais alcalinos) e com a sua posição no grupo 1.
2. b) O sódio tem $E_{i,1} = 496\ \text{kJ/mol}$: justifica, com base na tendência ao longo do grupo, por que razão o césio é mais adequado do que o sódio para esta aplicação.
3. c) O sódio e o potássio guardam-se sob óleo: usa as tendências do grupo para explicar o que aconteceria se fossem armazenados ao ar livre e por que razão o lítio pode ser manipulado com um pouco mais de calma.

A reação do sódio com a água é $2\ \text{Na} + 2\ \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\ \text{NaOH} + \text{H}_2$.

1. a) Numa demonstração no laboratório usam-se $0,2\ \text{mol}$ de sódio: quantas moles de $\text{H}_2$ se libertam? Que massa de hidrogénio representa ($M(\text{H}) = 1\ \text{g/mol}$)?
2. b) Que massa de $\text{NaOH}$ ($M = 40\ \text{g/mol}$) se forma nessa mesma demonstração?
3. c) A reação liberta muito calor e o hidrogénio pode arder: explica, com base na tendência de reatividade do grupo 1, por que razão fazer a mesma demonstração com potássio é ainda mais perigoso.

Se representarmos a primeira energia de ionização em função do número atómico $Z$ para os primeiros $20$ elementos, obtém-se um gráfico em dentes de serra: picos em He, Ne e Ar, vales em Li, Na e K, e uma subida geral ao longo de cada período. A figura mostra essa representação:

1. a) Explica, recorrendo às respetivas configurações eletrónicas, por que razão os picos correspondem aos gases nobres.
2. b) Explica por que razão os vales correspondem aos metais alcalinos.
3. c) Sem consultar valores, prevê em que elemento na vizinhança de $Z = 36$ surgirá o pico seguinte e em qual surgirá o vale seguinte: justifica ambas as previsões.

Não existe o composto $\text{NaCl}_2$, mas existe $\text{MgCl}_2$; também não existe $\text{MgCl}$.

1. a) Usando as configurações eletrónicas do sódio e do magnésio, explica o que teria de acontecer para que existisse o ião $\text{Na}^{2+}$ e por que razão isso não ocorre (pensa na energia necessária para a segunda ionização).
2. b) Explica por que razão o ião $\text{Mg}^{+}$ não surge nos compostos iónicos, ao passo que o $\text{Mg}^{2+}$ surge.
3. c) Conclui generalizando: como «decide» a tabela periódica as fórmulas dos compostos iónicos? Escreve a regra para um metal do grupo $g$ que forma iões $\text{X}^{g+}$ combinado com um halogéneo que forma iões $\text{Y}^{-}$.

Desafio do tema. A tua missão é investigar como a estrutura eletrónica define as propriedades macroscópicas e emular Mendeleiev analisando a periodicidade.

1. História e radiação: Consulta na base de dados NIST Basic Atomic Spectroscopic Data as linhas de emissão visíveis do $\text{Na}$ e do $\text{Ca}$. Calcula a energia dos fotões emitidos com $E = h \cdot \frac{c}{\lambda}$ e explica como a interação com a radiação eletromagnética superou as limitações da ordenação por massa atómica.

2. Experiência caseira: Corta $5$ folhas retangulares de papel de alumínio de diferentes tamanhos (áreas entre cerca de $1000$ e $5000\text{ cm}^2$, para que cada massa seja de vários gramas). Mede as suas dimensões com uma régua (incerteza $\pm 0,1\text{ cm}$) para encontrar a área ($A$) e a sua massa com uma balança de cozinha ($\pm 1\text{ g}$). Regista os dados numa tabela com as respetivas incertezas, representa o gráfico de $m$ em função de $A$ e deduz a densidade superficial e, com a densidade tabelada do alumínio ($\rho_{\text{Al}} = 2,70\text{ g/cm}^3$), a espessura do material.

3. Periodicidade e síntese: Recolhe no site da IUPAC ou no Ptable as massas volúmicas e os raios atómicos dos elementos do período 3. Elabora um breve relatório argumentando como a carga nuclear efetiva ($Z^*$) e a blindagem justificam a variação do raio atómico e que outros fatores (massa atómica, estado físico, tipo de ligação e empacotamento) explicam a da densidade; situa nessa variação a densidade do alumínio usada no ponto 2.

Será valorizado:

• Rigor no cálculo da radiação emitida e a sua fundamentação histórica.

• Qualidade da recolha de dados, tratamento de incertezas, tabela e gráfico.

• Justificação teórica sólida das propriedades periódicas a partir da configuração eletrónica.