Construir os diagramas qualitativos de orbitais moleculares para
e
, mostrando a diferença de ordem energética entre
e
(isto é, explique quando
está acima ou abaixo de
). Para cada molécula:
a) calcular a ordem de ligação ;
b) indicar se é paramagnética ou diamagnética, justificar.
a) calcular a ordem de ligação ;
b) indicar se é paramagnética ou diamagnética, justificar.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas principais para cada uma das moléculas
e
: (i) construir o diagrama qualitativo de orbitais moleculares mostrando a ordem energética relativa entre
e
e explicar por que essa ordem muda em certos casos; (ii) calcular a ordem de ligação e dizer se a molécula é paramagnética ou diamagnética, justificando.
Informações que temos (explicitadas): cada átomo fornece seus elétrons de valência — carbono dá elétrons de valência e nitrogênio dá
elétrons de valência — e devemos usar as regras de ocupação de orbitais moleculares para preencher os níveis e contar elétrons de ligação/antiligação.
Informações que temos (explicitadas): cada átomo fornece seus elétrons de valência — carbono dá
Passo 2
Pequena aula de teoria necessária (muito prática e passo a passo): o que são os orbitais moleculares e como usá-los na prova.
- Conceito: quando dois átomos se aproximam, seus orbitais atômicos (OAs) combinam formando orbitais moleculares (OMs). Cada par de OAs com simetria compatível gera uma OM ligante (de menor energia) e uma OM antiligante (de maior energia).
- Tipos relevantes aqui: orbitais do tipo
(simetria axial) e (simetria lateral). As OM de formadas por são degeneradas (duas de mesma energia: e ). - Regras de preenchimento: aplicar o princípio de Aufbau (preencher do menor para o maior), princípio de exclusão de Pauli (máx. 2 elétrons por orbital, spins opostos) e regra de Hund (ao preencher orbitais degenerados coloque primeiro spins paralelos).
- Fórmula que vamos usar para ordem de ligação (importante, decore e use na prova):
onde
é o número total de elétrons em OM ligantes e
é o número total de elétrons em OM antiligantes.
- Magnetismo: se houver elétrons desemparelhados a molécula é paramagnética; se todos os elétrons estiverem emparelhados é diamagnética. Simples assim.
Passo 3
Explicando por que a ordem energética entre
e
muda (a tal “inversão”): s–p mixing (mistura entre
e
).
- As OM
e têm a mesma simetria ( ), logo, se as energias dos OAs atômicos e forem próximas, ocorre interação (mistura) entre essas OM de mesma simetria. Essa interação provoca repulsão energética entre níveis de mesma simetria: um nível é empurrado para baixo e o outro para cima (efeito de estabilização/desestabilização). - Para átomos mais “leves” da segunda linha (como B, C e N) a diferença de energia entre
e é relativamente pequena: a mistura é forte. O resultado prático é que a OM sobe em energia o suficiente para ficar acima das OM . Assim, para B , C , N a ordem é (mais baixa) seguida de (mais alta). - Para átomos mais “pesados”/mais eletronegativos (O, F) a diferença
é maior, a mistura é fraca, e a ordem passa a ser a “esperada” sem muita mistura: fica abaixo das . É por isso que em O /F a aparece antes das . - Em resumo: mistura s–p forte (B, C, N) →
acima de . Mistura s–p fraca (O, F) → abaixo de .
Passo 4
Montando o diagrama qualitativo (ordem de níveis) que vamos usar para
e
. Como explicado, para essas moléculas (segunda linha, elementos leves) a ordem, do menor para o maior, das OM de valência é:
Aqui
indica OM antiligante. Nas provas não precisam do desenho gráfico rígido, basta escrever essa ordem e preencher elétrons. Agora contamos elétrons de valência:
- Para
: cada C tem elétrons de valência, então total elétrons valência. - Para
: cada N tem elétrons de valência, então total elétrons valência.
Passo 5
Preenchimento e cálculo para
(passo a passo bem mastigado):
- Listamos as OM em ordem baixa→alta:
, , (duas orbitais degeneradas), , … - Colocamos os
elétrons seguindo Aufbau e Pauli: -
recebe elétrons → . -
recebe elétrons → . - restam
elétrons que entram nas degeneradas → (ou seja, 2 em cada orbital , com spins emparelhados). -
permanece vazia.
-
- Agora conto elétrons ligantes e antiligantes: os que estão em OM ligantes aqui são
(2 elétrons) e (4 elétrons). Total . O único grupo antiligante preenchido é com elétrons, então . - Aplico a fórmula:
- Magnetismo: todos os elétrons ocupando OM estão emparelhados (veja
com pares e com par), então é diamagnética. - Observação física curta: a configuração eletrônica de valência útil para prova pode ser escrita como
.
Passo 6
Preenchimento e cálculo para
(passo a passo):
- Temos
elétrons de valência. Ordem de níveis usada é a mesma do passo anterior. - Preenchimento:
-
(2 elétrons). -
(2 elétrons). — agora 4 usados. -
(4 elétrons) — agora 8 usados. - sobram
elétrons que entram em → .
-
- Contagem: OM ligantes preenchidas são
(2), (4) e (2), total . OM antiligantes preenchidas: com elétrons, então . - Fórmula:
- Magnetismo: todas as OM ocupadas têm elétrons emparelhados (
emparelhado, emparelhado, etc.), logo é diamagnética. - Representação sucinta da configuração de valência:
.
Passo 7
Breve comparação e dica de prova (resumo prático):
- Para resolver rápido numa prova: conte elétrons de valência, escreva a ordem de níveis correta dependendo do elemento (para B, C, N use a ordem com
abaixo de ; para O, F use a ordem com abaixo das ), preencha seguindo Aufbau/Hund/Pauli, calcule ordem de ligação com a fórmula e verifique spins para magnetismo. - Lembre-se: a razão prática da mudança de ordem é sempre a mistura s–p; diga isso em poucas palavras na sua justificativa na prova e cite “diferença energética
– pequena → mistura forte → deslocada para cima”.
Resposta
C2: ordem de ligação =
; diamagnética.
N2: ordem de ligação = ; diamagnética.
N2: ordem de ligação =