21-O que significa o termo paramagnetismo? De acordo com a teoria do orbital molecular, quais dos íons são paramagnéticos: \mathrm{O}_{2}^{+}, \mathrm{N}_{2}^{-}, \mathrm{Li}_{2}^{+}, \mathrm{O}_{2}^{2-}.

Passo 1

O enunciado pergunta o que é paramagnetismo e, usando teoria de orbital molecular, quais dos íons
\mathrm{O}_{2}^{+}, \mathrm{N}_{2}^{-}, \mathrm{Li}_{2}^{+}, \mathrm{O}_{2}^{2-} são paramagnéticos. Vamos primeiro definir paramagnetismo e depois, para cada íon, ver se fica com elétrons desemparelhados nos orbitais moleculares.

Passo 2

Paramagnetismo é a propriedade de certas substâncias que possuem elétrons desemparelhados e, por isso, são atraídas por um campo magnético. Na teoria do orbital molecular (MO), os elétrons se distribuem em orbitais de ligação e antibligação seguindo o princípio de Aufbau, o princípio de exclusão de Pauli e a regra de Hund. Para moléculas diatômicas do segundo período há duas ordens de energia nos orbitais 2p:
– Para \mathrm{Li}_{2}, \mathrm{B}_{2}, \mathrm{C}_{2}, \mathrm{N}_{2} (Z < 8):
\sigma_{2s}<\sigma_{2s}^{*}<\pi_{2p_x}=\pi_{2p_y}<\sigma_{2p_z}<\pi_{2p_x}^{*}=\pi_{2p_y}^{*}<\sigma_{2p_z}^{*}.
– Para \mathrm{O}_{2}, \mathrm{F}_{2} (Z ≥ 8):
\sigma_{2s}<\sigma_{2s}^{*}<\sigma_{2p_z}<\pi_{2p_x}=\pi_{2p_y}<\pi_{2p_x}^{*}=\pi_{2p_y}^{*}<\sigma_{2p_z}^{*}.
Basta contar os elétrons em cada MO e verificar se sobra algum desemparelhado.

Passo 3

\mathrm{Li}_{2}^{+} tem 5 elétrons totais. Descontando os 4 do nível 1s, restam 1 elétron de valência que vai ocupar o orbital \sigma_{2s}. Como só há esse único elétron nesse orbital, ele fica desemparelhado. Portanto,
\mathrm{Li}_{2}^{+} é paramagnético.

Passo 4

\mathrm{N}_{2}^{-} tem 15 elétrons totais. Descontando os 4 do nível 1s, sobram 11 elétrons de valência. Usando a ordem para Z < 8, preenchemos:
2 em \sigma_{2s}, 2 em \sigma_{2s}^{*} (total 4), 4 em \pi_{2p_x},\pi_{2p_y} (total 8), 2 em \sigma_{2p_z} (total 10). O 11º elétron entra em \pi_{2p}^{*}, ficando sozinho. Logo,
\mathrm{N}_{2}^{-} é paramagnético.

Passo 5

Para \mathrm{O}_{2}^{+} e \mathrm{O}_{2}^{2-} usamos a ordem para Z ≥ 8. A molécula neutra \mathrm{O}_{2} tem 12 elétrons de valência distribuídos em
2 em \sigma_{2s}, 2 em \sigma_{2s}^{*}, 2 em \sigma_{2p_z}, 4 em \pi_{2p_x},\pi_{2p_y}, 2 em \pi_{2p_x}^{*},\pi_{2p_y}^{*}.
  • Em \mathrm{O}_{2}^{+} (11 elétrons de valência) remove-se um elétron de \pi^{*}, sobrando 1 desemparelhado ⇒ paramagnético.
  • Em \mathrm{O}_{2}^{2-} (14 elétrons de valência) adicionam-se 2 elétrons em \pi^{*}, totalizando 4 em \pi^{*} e emparelhando-os todos ⇒ diamagnético.

Resposta

Os íons paramagnéticos são
\mathrm{Li}_{2}^{+}, \mathrm{N}_{2}^{-} e \mathrm{O}_{2}^{+}. \mathrm{O}_{2}^{2-} é diamagnético.

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