modelos atômicos e princípios quânticos parte ii -...

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÂNICA QUÍMICA INORGÂNICA I Modelos Atômicos e Princípios Quânticos Parte II Prof. Fabio da Silva Miranda e-mail: [email protected] Sala GQI 308, Ramal 2170 1

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

INSTITUTO DE QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÂNICA

QUÍMICA INORGÂNICA I

Modelos Atômicos e Princípios QuânticosParte II

Prof. Fabio da Silva Miranda

e-mail: [email protected]

Sala GQI 308, Ramal 21701

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Aula preparada baseada no capítulo 2 do livro:

Keeler, J.; Wothers, P.; Chemical structure and Reactivity, An

Integrated Approach, Oxford, 2008

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Sistema de coordenadas

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𝑥 = 𝑟 sen 𝜃 cos𝜙

𝑦 = 𝑟 sen𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜙

𝑧 = 𝑟 cos𝜃

Sistema de coordenadas

Transformação de coordenadas esféricas em cartesianas

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Sistema de coordenadas esféricas polares

Coordenadas esféricas polares

usadas para discussão de

sistemas com simetria esférica

A superfície da esfera é coberta

com q variando de 0 a p, e o f

ângulo varrendo de 0 a 2p

completando um círculo.

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𝐻 𝜓 = 𝐸𝜓

𝑉 𝑟 = −𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟

Ĥ = −ℏ2

2𝑚𝑒∇2 −

e2

4πε0r

∇2=1

𝑟2

𝜕

𝜕𝑟 𝑟2

𝜕

𝜕𝑟 +

1

𝑟2𝑠𝑒𝑛𝜃 𝜕

𝜕𝜃 𝑠𝑒𝑛 𝜃

𝜕

𝜕𝜃 +

1

𝑟2𝑠𝑒𝑛2𝜃 𝜕2

𝜕𝜙2

Equação de Schröridinger para o átomo de hidrogênio

∇2=1

𝑟2

𝜕

𝜕𝑟 𝑟2

𝜕

𝜕𝑟 +

1

𝑟2 Λ2

2 – operador Laplaciano

2 – Legendriano (parte angular do Laplaciano)

Equação de Schrödinger

6

H – operador Hamiltoniano

V(r) – termo de energia potencial baseado na atração

da cargas (prótons e elétrons)

Ψ𝑛 ,𝑙,𝑚 𝑟,𝜃,𝜙 = R 𝑟 .Θ 𝜃 .Φ(𝜙) Função de onda eletrônica

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𝜓𝑛 ,𝑙 ,𝑚 𝑟,𝜃,𝜙 = 𝑅𝑛𝑙 𝑟 𝑌𝑙𝑚 (𝜃,𝜙)

𝑅𝑛𝑙 (𝑟) = − 𝑛 − 𝑙 − 1 !

2𝑛 𝑛 + 𝑙 ! 3

2

𝑛𝑎0 𝑙+

32𝑟𝑙𝑒−𝑟 𝑛𝑎0 𝐿𝑛+𝑙

2𝑙+1 2𝑟

𝑛𝑎0

R(r) é a dependência radial de Y, ou seja, a distância do núcleo e Y(q, f) é

a dependência angular

0 ≤ 𝑙 ≤ 𝑛 − 1 𝑛 = 1, 2, 3,…

𝑌𝑙𝑚 𝜃,𝜙 =

2𝑙 + 1

2

𝑙 − 𝑚 !

𝑙 + 𝑚 ! 𝑃𝑛 𝑚 (cos𝜃)𝑒𝑖𝑚𝜙

Função de onda eletrônica

Polinômio de Laguerre

Polinômio de Legendre

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Adrien-Marie Legendre

(1752 – 1833)

Edmond Laguerre

(1834 – 1886)

Pierre-Simon Laplace

(1749–1827)

Matemáticos que contribuíram indiretamente para o

desenvolvimento da mecânica quântica

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𝐸𝑛 = − 𝑚𝑒𝑒

4

8𝜀02ℎ2𝑛2

= −𝑚𝑒𝑒

4

32𝜋2𝜀02ℏ2𝑛2

𝑛 = 1, 2, 3,…

𝑎0 = 𝜀0ℎ

2

𝜋𝑚𝑒𝑒2

=4𝜋𝜀0ℏ

2

𝑚𝑒𝑒2

= 52.9 pm

Energia dos orbitais atômicos no átomo de hidrogênio

A energia dos orbitais atômicos do átomo de hidrogênio dependem somente

do número quântico principal:

En é a energia do orbital com número quântico n

Z é a carga nuclear

RH é a constante de Rydberg (2,180x10-18J = 1312 kJ.mol-1 = 13,61 eV)

𝐸𝑛 = −𝑍2𝑅𝐻𝑛2

𝑛 = 1, 2, 3,…

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A forma dos orbitais atômicos é baseada em funções trigonométricas

Construa um gráfico utilizando a função cos(q), faça q versus

cos(q) e discuta o resultado.

q cos (q)

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

165

180

q cos (q)

180

195

210

225

240

255

270

285

300

315

330

345

360

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A forma dos orbitais atômicos é baseada em funções trigonométricas

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Número total de nodos radiais e angulares é (n – 1)

Número de nodos angulares (planos nodais) é igual a l

Número de nodos radiais é igual a (n – 1 – l)

Regras para calcular o número de nodos em orbitais atômicos

12

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Origem da nomenclatura das camadas (n = K, L, M, N, O, P, Q)A nomenclatura das camadas usa a notação usada em espectroscopia de Raios-X,

onde cada número quântico principal tem uma letra associada. Essa convenção é a

mais utilizada pelos físicos.

Experimentos demonstraram que as linhas de absorção da banda-K são originadas

pelos elétrons mais internos.

Números quânticos

(n, l, s, j)

Notação atômica Notação raios-X

1, 0, ± ½, ½ 1s(½) K1

2, 0, ± ½, ½ 2s(½) L1

2, 1, -½, ½ 2p(½) L2

2, 1, +½, 3/2 2p(3/2) L3

3, 0, ± ½, ½ 3s(½) M1

3, 1, -½, ½ 3p(½) M2

3, 1, +½, 3/2 3p(3/2) M3

3, 2, -½, 3/2 3d(3/2) M4

3, 2, +½, 5/2 3d(5/2) M513

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O nome das subcamadas tem origem nos primeiros estudos das linhas

espectrais de emissão atômica

s – sharp

p – principal

d – diffuse

f – fundamental

Origem da nomenclatura das subcamadas (l = s, p, d, f)

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Mecânica clássica versus quântica

Na mecânica clássica experimentada por todos em suas vidas diariamente, a

energia pode variar suavemente de um valor para outro. Já na mecânica

quântica, que é aplicada as partículas muito pequenas, a energia pode

assumir somente certos valores (valores discretos), chamados de níveis de

energia 15

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Mecânica clássica versus quântica

Na mecânica clássica a posição de um objeto pode ser especificada

exatamente. Na mecânica quântica, somente é possível falar sobre

probabilidade de uma partícula ser encontrada em determinada localização:

Algumas regiões tem alta probabilidade enquanto outras baixa probabilidade.

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Função de onda

Na mecânica quântica, a partícula tem uma função de onda associada,

que dentro da teoria especifica tudo que deve ser conhecido a respeito da

partícula. Por exemplo: se a função de onda é conhecida é possível calcular

a energia da partícula e encontrar a probabilidade de encontrar a

partícula em uma determinada posição. Na mecânica quântica a função de

onda é uma função matemática com variáveis relevantes. Por exemplo: a

função de onda de um único elétron no átomo de hidrogênio (y(x, y, z)) é

descrita pela variáveis x, y e z que especificam a posição do elétron.

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Função de onda

Em matemática, uma função significa

que para um dado valor de uma variável

apropriada podemos calcular um

número.

Por exemplo: O gráfico de uma função

f(x) = x2 – x + 2 contra a variável x. Para

qualquer valor de x, a função pode ser

calculada resultando em um número,

como ilustrado para x = 1.

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Probabilidade e interpretação da função de onda

O quadrado da função de onda fornece a probabilidade de encontrar o elétron

no espaço. Se a função de onda na posição (x, y, z) é y(x, y, z), então a

probabilidade é dada por [y(x, y, z)]2 dV, que significa que a probabilidade é

dada por unidade de volume, também chamada de densidade de

probabilidade. A razão para esse nome é que quando se multiplica a

probabilidade de densidade, [y(x, y, z)]2 dV, pelo volume, dV, obtêm-se a

probabilidade que está contida neste volume.

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Probabilidade e interpretação da função de onda

Ilustração da interpretação da

probabilidade da função de onda. A

probabilidade de encontrar a partícula em

um pequeno volume, dV (indicado pelo

cubo, centrado nas coordenadas (x, y, z)

é proporcional ao quadrado da função de

onda neste ponto.

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No átomo de hidrogênio temos uma

interação favorável entre o elétron e o

núcleo, resultado das cargas opostas.

Esta interação resulta na energia

potencial do elétron, V(r), variando

como -1/r, onde r é a distância a partir

do núcleo. O potencial é zero com

grandes valores de r, onde não haverá

mais interações entre o núcleo e o

elétron. Quando a distância é curta a

energia torna-se negativa devido a

interação ser favorável.

Probabilidade e interpretação da função de onda

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Representação da função

de onda do orbital 1s em

função da distância r do

núcleo. Duas escalas são

apresentadas: uma em

termos do raio de Bohr, a0

e a outra em pm.

Probabilidade e interpretação da função de onda

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Representação tridimensional dos orbitais

Representação tridimensional da função de onda 1s. O espaço ao redor do

núcleo é dividido dentro de pequenos cubos, cada cubo é preenchido de

acordo com o valor da função de onda dentro do cubo: Quanto maior o valor

da função de onda, mais escura será a cor dentro do cubo. O empilhamento

dos cubos é dividido em camadas, para que seja possível examinar o valor da

função de onda em cada camada. Nas faces das camadas expostas, os números

representam o valor da função de onda em cada cubo. Arbitrariamente, o

máximo foi definido como 100 e o mínimo como 0. O tamanho total da caixa

é aproximadamente 8 raios de Bohr.23

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Representação tridimensional dos orbitais

Gráficos de contorno de três seções de corte diferentes para a função de onda

1s. As posições de corte são indicadas pelo plano verde. A seções de corte

correspondem as faces expostas no slide anterior. As linhas de contorno

juntam pontos que tem o mesmo valor de função de onda, sendo apresentado o

valor para cada linha. Como a função de onda é esfericamente simétrica, todos

os contornos são circulares.24

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Representação tridimensional dos orbitais

Representação de uma seção de corte tomada do orbital 1s em que o valor

da função de onda é indicado pela intensidade do sombreamento. A seção

de corte é a mesma da figura do slide anterior. O anel indica o raio em

que a densidade de elétrons atinge o máximo dentro da camada esférica.25

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Representação tridimensional dos orbitais

A representação tridimensional da função de onda é feita usando iso-

superfícies (iso-surface). As iso-superfícies são pontos representados no

espaço com um valor constante (ex: pressão, temperatura, velocidade,

densidade), ou seja, corresponde a pontos no espaço 3D com um valor escalar

único dentro de um volume de espaço, em outras palavras, é uma função

contínua cujo domínio é o espaço 3D.

A representação da iso-superfície do orbital 1s, sendo que (a), (b) e (c)

correspondem as representações dos slides anteriores, e tem os respectivos

valores de iso-superfície 30, 10 e 3. O valor máximo na região nuclear é 100.

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Quando se pensa a respeito de orbitais atômicos automaticamente se pensa na

probabilidade de encontrar o elétron em um pequeno volume dV, mas é mais

apropriado pensar na probabilidade de encontrar o elétron em uma camada

fina de raio r e espessura dr, como ilustrado abaixo:

Esse procedimento é útil porque soma a probabilidade em todas as direções,

ou seja, permite medir a probabilidade de encontrar o elétron a uma distância

particular do núcleo juntamente com a direção. LEMBRE: que se estiver

falando de um elétron, esta probabilidade de densidade é a densidade de

elétrons.

Função de distribuição radial (RDF – Radial distribution function)

Seção de corte da camada

afastada do núcleo permitindo

visualizar o interior, sendo que:

O raio da camada é r

A espessura é dr

O volume da camada é 4pr2dr

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Função de distribuição radial (RDF – Radial distribution function)

A função de distribuição radial de uma função de onda ynl é dada por:

𝑃𝑛𝑙 𝑟 = 4𝜋𝑟2[𝜓𝑛𝑙 𝑟 ]2

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Densidade de probabilidade radial

Y(x, y, z) dV

Função de distribuição radial: Probabilidade de encontrar um elétron em

uma camada r e espessura dr.

A probabilidade é zero quando a curva de distribuição toma o volume da

camada

29

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Função de distribuição radial para o orbital 1s

𝑃1𝑠 𝑟 = 4𝜋𝑟2[𝜓1𝑠 𝑟 ]2

𝜓1𝑠 = 1

𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝑒−𝜎

s = Zr/a0

Função de onda Quadrado da

função de onda

Função r2

Função de distribuição radial

RDF, P1s(r) = 4pr2 x [y1s(r)]2

O máximo na RDF resulta da

competição entre o crescimento da

função r2 e a diminuição de [y1s(r)]2

Função de distribuição radial

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O gráfico de [y(r)]2 contra r representa a probabilidade radial de

distribuição de elétrons. Lembrando que [y(r)]2 dr é a probabilidade de

encontrar o elétron entre r e r + dr.

O gráfico de r2[y(r)]2 contra r representa a probabilidade radial de

encontrar o elétron em um elemento de volume consistindo de uma fina

camada de espessura dr, raio r e volume r2 dr. A quantidade r2[y(r)]2 é

chamada de densidade de carga radial.

Obs: Devido ao orbital 1s ser esférico o RDF é dado por 4pr2[y(r)]2 e o

volume é o volume da esfera 4pr2 dr.

Função de distribuição radial vs. Densidade de probabilidade

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Função de distribuição radial

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Função de onda radial vs. raio

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Função de distribuição radial (RDF)

𝑷𝒏,𝒍 𝒓 = 𝟒𝝅𝒓𝟐𝐱 [𝑹𝒏,𝒍 𝒓 ]𝟐

34

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Implicação da carga nuclear nos orbitais atômicos

𝐸𝑛 = −𝑍2𝑅𝐻𝑛2

𝑛 = 1, 2, 3,…

O termo Z2 na equação acima implica no fato que o aumento da carga nuclear

diminui a energia dos orbitais. Por exemplo:

O orbital 1s no átomo de He+ tem energia -4RH comparado com –RH do

hidrogênio.

A função radial também é afetada pela carga nuclear:

Ψ1𝑠 = 1

𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝑒− 𝒁𝒓 𝒂𝟎

𝜓2𝑠 = 1

4 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

(2−𝒁𝒓

𝒂𝟎)𝑒− 𝒁𝒓/𝟐𝒂𝟎

O aumento da carga nuclear implica na diminuição do tamanho do orbital35

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Implicação da carga nuclear nos orbitais atômicos

Diagrama dos níveis de energia do átomo de hidrogênio

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Carga nuclear efetiva

A carga nuclear efetiva é a carga sentida por um elétron em um átomo

polieletrônico.

A carga nuclear efetiva não é igual à carga no núcleo devido ao efeito

dos elétrons internos.

Os elétrons estão presos ao núcleo, mas são repelidos pelos elétrons que

os protegem da carga nuclear.

A carga nuclear sentida por um elétron depende da sua distância do

núcleo e do número de elétrons mais internos.

Quando aumenta o número médio de elétrons protetores (S), a carga

nuclear efetiva (Zeff) diminui.

Quando aumenta a distância do núcleo, S aumenta e Zeff diminui.

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Carga nuclear efetiva

38

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Orbital 2s

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𝜓1𝑠 = 1

𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝑒−𝜎

𝜓2𝑠 = 1

4 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

(2− 𝜎)𝑒−𝜎/2

𝜓3𝑆 = 1

81 3𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

(27− 18𝜎 − 𝜎2)𝑒−𝜎/3

s = Zr/a0

Vermelho – função positiva; Azul – função negativa; Verde – função é zero

Orbital 2s

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Orbital 2p

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Orbital 2p

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𝜓2𝑝𝑧 = 1

4 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝜎𝑒−𝜎/2 cos𝜃

𝜓2𝑝𝑥 = 1

4 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝜎𝑒−𝜎/2 sen𝜃 cos𝜙

𝜓2𝑝𝑦 = 1

4 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝜎𝑒−𝜎/2 sen𝜃 sen𝜙

Orbital 2p

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Orbital 2p

Essa é uma representação comum do orbital p,

porém errada.

Basta comparar com a forma dos orbitais p

apresentados no slide anterior.

44

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Comparando a variação radial da função de onda

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Parte radial das funções de onda 2s e 3s

2s

3s

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A forma tridimensional dos orbitais 2p depende das partes radiais e a

angulares da função de onda. Entretanto, ao se afastar do núcleo em uma

particular direção (ou seja a ângulos fixos) a variação da função de onda

passa ser dependente somente da função radial.

Gráfico de contorno do orbital

2py com corte no eixo y. A

variação da função de onda é

determinada somente pela

função radial R2,1(r).

Parte radial da função de onda 2p

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Parte radial das funções de onda 2s e 2p

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Parte angular da função de onda

Yz(q, f) = cos q Yx(q, f) = sen q cos f Yy(q, f) = sen q sen f

Funções angulares que representam os orbitais p

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Comparando a variação radial das funções de onda 3s, 3p e 3d

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Parte radial e angular da função de onda 3p

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Parte radial e angular da função de onda 3d

𝜓3𝑑𝑦𝑧 = 2

81 𝜋 𝑍

𝑎0

32𝜎2𝑒−𝜎/3 sen 𝜃 cos𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜙

𝜓3𝑑𝑥𝑧 = 2

81 𝜋 𝑍

𝑎0

32𝜎2𝑒−𝜎/3 sen 𝜃 cos𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜙 𝜓3𝑑𝑥𝑦 =

1

81 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝜎2𝑒−𝜎/3 sen2 𝜃 sen 2𝜙

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Parte radial e angular da função de onda 3d

𝜓3𝑑𝑧2 =

1

81 6𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝜎2𝑒−𝜎/3 (3 cos2 𝜃 − 1) 𝜓3𝑑𝑥2−𝑦2

= 1

81 2𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝜎2𝑒−𝜎/3 sen2 𝜃 cos 2𝜙

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Componentes angulares do orbital dz2

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Gráficos de contorno dos orbitais 4s, 4p, 4d

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Orbitais 4f

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Efeito da carga nuclear efetiva sobre distribuição radial do orbital 1s

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𝐸𝑛 = −𝑍2𝑅𝐻𝑛2

𝑛 = 1, 2, 3,…

Ψ1𝑠 = 1

𝜋 𝑍

𝑎0

3/2

𝑒− 𝒁𝒓 𝒂𝟎

Efeito da carga nuclear efetiva sobre distribuição radial do orbital 1s

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Átomos multieletrônicos

Interações presentes no átomo de hélio

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Átomos multieletrônicos

Ilustração da aproximação de campo central

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Energia dos orbitais atômicos ocupados

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Energia dos orbitais atômicos ocupados

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Efeito de blindagem e carga nuclear efetiva

Blindagem não efetiva

Blindagem perfeita realizada pelos

dois elétrons no orbital 1s

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RDF para o Lítio

Função de distribuição radial para átomos polietrônicos (RDF)

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RDF para o boro

Linhas pontilhadas orbitais do átomo de H

Função de distribuição radial para átomos polietrônicos (RDF)

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Função de distribuição radial para os orbitais do sódio (Na) baseados em

cálculos SCF.

Função de distribuição radial para átomos polietrônicos (RDF)

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Distância nuclear do elétron calculada para cada orbital

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Carga nuclear efetiva calculada usando a energia dos orbitais

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Carga nuclear efetiva calculada usando a regra de Slater

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Energia dos orbitais dos estados excitados e orbitais vazios

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Energia de ionização e a energia do orbital ionizado (HOMO)

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Configuração eletrônica do estado fundamental

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Energia de Troca

Ilustração dos diferentes arranjos para 3 elétrons em 3 orbitais 2p

Arranjo de menor

energia

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Contribuições da energia de troca para a energia de ionização

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