Átomos Multieletrônicos e a Tabela Periódica

Átomos multieletrônicos são descritos tratando cada elétron como se movendo em um campo médio do núcleo e dos outros elétrons, e o preenchimento dos orbitais resultantes, sujeito ao princípio de Pauli, reproduz a tabela periódica.

Definition

Um átomo multieletrônico é um átomo que contém dois ou mais elétrons cuja repulsão mútua impede uma solução exata; ele é modelado atribuindo a cada elétron um orbital em um potencial médio autoconsistente, com o estado geral restringido pela antissimetria da função de onda de muitos elétrons.

Scope

Este tópico aborda o tratamento aproximado de átomos com mais de um elétron: a aproximação de campo central, o blindagem e a carga nuclear efetiva, os métodos autoconsistentes de Hartree e Hartree–Fock, as configurações eletrônicas e os esquemas de acoplamento de momento angular (LS e jj) que dão origem aos termos atômicos. Ele explica como o princípio de exclusão de Pauli e a ordenação das energias das subcamadas constroem a estrutura da tabela periódica.

Core questions

• Como um átomo com muitos elétrons interagentes pode ser descrito aproximadamente?
• O que é a aproximação de campo central e como o blindagem modifica a carga nuclear?
• Como o princípio de Pauli e as energias das subcamadas produzem o arranjo da tabela periódica?
• Como os momentos angulares eletrônicos individuais se acoplam em termos atômicos totais?

Key concepts

• Aproximação de campo central
• Blindagem e carga nuclear efetiva
• Determinantes de Slater e troca
• Método de Hartree–Fock
• Acoplamento LS e jj
• Configurações eletrônicas e subcamadas

Key theories

Aproximação de campo central

Cada elétron é tratado como se movendo independentemente em um potencial médio esfericamente simétrico devido ao núcleo e aos outros elétrons, reduzindo o problema de muitos corpos a um conjunto de orbitais de um elétron rotulados por n e l.

Campo autoconsistente de Hartree–Fock

O potencial médio é determinado de forma autoconsistente a partir de funções de onda antissimetrizadas (determinante de Slater), iterando até que os orbitais reproduzam o campo que os gera e respeitando a troca de elétrons.

Princípio de Pauli e o Aufbau da tabela periódica

Nenhum par de elétrons pode compartilhar todos os quatro números quânticos, então as subcamadas se preenchem em ordem crescente de energia, e a recorrência periódica das configurações da camada externa explica a periodicidade química dos elementos.

Clinical relevance

A estrutura eletrônica de átomos com muitos elétrons determina a ligação química e a reatividade em toda a química e ciência dos materiais, e os métodos de campo autoconsistente desenvolvidos para átomos são os ancestrais conceituais dos métodos computacionais de estrutura eletrônica usados para projetar moléculas e materiais.

History

A tabela periódica de Mendeleev de 1869 organizou os elementos empiricamente pelo comportamento químico. Sua base física surgiu com as ideias de camadas de Bohr e, decisivamente, o princípio de exclusão de Pauli de 1925, que explicou por que as camadas se fecham. Hartree (1928) e Fock (1930) desenvolveram então os métodos de campo autoconsistente que tornaram possível o cálculo quantitativo de átomos com muitos elétrons.

Key figures

• Wolfgang Pauli
• Douglas Hartree
• Vladimir Fock
• Dmitri Mendeleev

Seminal works

• pauli1925
• bransden2003
• cowan1981

Frequently asked questions

Por que a subcamada 4s se preenche antes da 3d em muitos átomos?

Devido ao blindagem e à penetração orbital, o orbital 4s pode ter energia mais baixa que o 3d em átomos neutros, então ele se preenche primeiro; essa ordenação é aproximada e se inverte para muitos íons, razão pela qual a regra possui exceções bem conhecidas.

Qual é a diferença entre o acoplamento LS e jj?

O acoplamento LS (Russell–Saunders), válido para átomos mais leves, acopla todos os momentos orbitais juntos e todos os spins juntos antes de combiná-los; o acoplamento jj, mais preciso para átomos pesados com forte interação spin–órbita, acopla primeiro o spin e o momento orbital de cada elétron.