Como a Tabela Periódica adquiriu sua forma

Todo elemento é definido por seu número atômico, o número de prótons carregados positivamente no núcleo de todos os átomos desse elemento. O número de prótons é igual a um mesmo número de elétrons de carga negativa, encontrados em "órbitas" ao redor do núcleo. 

Órbitas está entre aspas porque os elétrons não estão se movendo de verdade em órbitas como os planetas se movem ao redor de uma estrela. Na realidade, você não pode nem mesmo dizer que eles estão se movendo.

Em vez disso, cada elétron descreve uma nuvem de probabilidade, pela possibilidade de estar mais em um lugar do que em outro, mas sem podermos dizer qual é esse lugar neste exato momento. 

As figuras ao lado mostram as várias formas tridimensionais das nuvens de probabilidade dos elétrons ao redor de um núcleo.

O primeiro tipo, chamado de orbital "s", é totalmente simétrico - o elétron não tende a ir em nenhuma direção em particular. O segundo tipo, chamado orbital "p", tem dois lóbulos, de modo que é mais provável que o elétron esteja em um lado ou no outro do núcleo e menos provável que esteja em qualquer outra direção.

Enquanto existe apenas um tipo de orbital "s", existem três tipos de orbitais "p", com lóbulos apontando em três direções ortogonais (x, y, z) no espaço. 

Similarmente, existem cinco diferentes tipos de orbitais "d" e sete tipos diferentes de orbitais "f", com aumento crescente do número de lóbulos. (Você pode pensar nessas formas como algo similar a ondas estacionárias tridimensionais).

Cada forma de orbital pode existir em múltiplos tamanhos, por exemplo, o orbital 1s é uma pequena esfera, o orbital 2s é uma esfera maior, o 3s ainda maior, e assim por diante. A energia de um elétron colocado em qualquer orbital cresce conforme a órbita aumenta de tamanho. E todo o resto sendo igual, os elétrons sempre irão se acomodar nos menores orbitais, mais favorecidos energicamente. 

(Os elétrons são fortemente atraídos pelo núcleo, e tendem a preencher primeiro os orbitais mais próximos dele, onde a atração é maior. Isso provoca um decréscimo de energia, que dá maior estabilidade ao sistema.

Então, todos os elétrons em um átomo ficam normalmente juntos no orbital de menor energia 1s? Não, e aqui está uma das descobertas mais fundamentais da mecânica quântica: duas partículas nunca podem coexistir em um mesmo estado quântico. 

(Os elétrons apresentam um movimento de rotação conhecido como "spin", que pode ser no sentido horário ou anti-horário; sua representação é feita por uma seta apontando para cima ou para baixo. Sendo uma propiedade fundamental, o spin entra na composição de um estado quântico.)

Assim, dois elétrons só podem permanecer em dado orbital se seus spins forem opostos.

O hidrogênio possui apenas um elétron, então, este permanece no orbital 1s. O hélio possui dois e ambos cabem em 1s, completando sua capacidade binária. 


O lítio possui três e como não é permitido acomodá-los somente no 1s, o terceiro elétron vai para o orbital seguinte, 2s, de maior energia. E assim por diante - os orbitais vão sendo preenchidos um por um, em ordem crescente de  energia.

É essa ordem de preenchimento que determina a forma da tabela periódica. As primeiras duas colunas são ditadas pelos elétrons que preenchem os orbitais "s". As próximas dez têm elétrons preenchendo os 5 orbitais "d". 

As últimas seis envolvem elétrons preenchendo os três orbitais "p". E finalmente, mas não menos importante, os 15 elementos de terras raras têm elétrons colocados nos sete orbitais "f". 

Bibliografia:

Fonte: GRAY, Theodore. Os elementos: Uma exploração visual dos átomos conhecidos no universo. São Paulo: Editora Blucher, 2011.