Dados os momentos de dipolo e comprimento de ligação do NO e CO , o que pode ser inferido sobre o caráter iônico e covalente nessa ligação? Use a teoria de orbitais moleculares para determinar as ordens de ligação e justifique a menor distância internuclear do CO . Verifique se seria possível separar estas moléculas utilizando suas propriedades magnéticas.
Molécula
Debye
Comprimento de ligação
NO
0,15
1,15
CO
0,13
1,13
| Molécula |
|
Comprimento de ligação
|
| NO | 0,15 | 1,15 |
| CO | 0,13 | 1,13 |
Passo 1
O enunciado pede três coisas e dá duas informações numéricas. Vou listar claramente.
Perguntas do enunciado:
- O que se pode inferir sobre o caráter iônico vs covalente das ligações em NO e CO a partir dos momentos de dipolo e comprimentos de ligação?
- Usando teoria de orbitais moleculares, determinar as ordens de ligação de NO e CO e justificar por que o CO tem menor distância internuclear.
- Verificar se é possível separar NO e CO utilizando suas propriedades magnéticas.
Dados fornecidos:
- Momento de dipolo de NO:
Debye. - Comprimento de ligação de NO:
. - Momento de dipolo de CO:
Debye. - Comprimento de ligação de CO:
.
Observação importante (retida apenas como informação): os dois momentos de dipolo são muito pequenos; isso já sugere pouca polarização iônica aparente, mas vamos provar e explicar isso com orbitais moleculares e estruturas de ressonância nos passos seguintes.
Passo 2
Noções essenciais de teoria de orbitais moleculares (MO) — explicação didática passo a passo.
- O que é um orbital molecular?
- Quando dois átomos se aproximam, os seus orbitais atômicos se combinam formando orbitais moleculares. Cada orbital molecular pode ser ligante (reduz energia; fortalece ligação) ou antiligante (aumenta energia; enfraquece ligação).
- Como calculamos a ordem de ligação?
- A ordem de ligação é uma medida simples da força da ligação e serve para estimar comprimento esperado: quanto maior a ordem, mais curta/forte a ligação. A fórmula é
onde
é o número de elétrons em orbitais ligantes e
é o número de elétrons em orbitais antiligantes.
- Ordem das energias dos orbitais
para moléculas diatômicas de segunda linha (N, O):
- Para B
, C , N : a energia dos orbitais fica acima das orbitais (efeito de mistura - ). - Para O
, F e, em geral, quando um dos átomos é oxigênio ou mais eletronegativo, a mistura é menor e a ordem é mais estável que . - Para CO e NO (heteronucleares envolvendo C/N e O), usa-se a ordem que melhor reflete os níveis energéticos: para CO (analogia com N
) costuma-se tomar abaixo de (como em N ), enquanto para NO (próximo de O ) usa-se a ordem com abaixo de . Vou seguir essas ordens ao construir as configurações, e explico por que.
- Localização dos MOs em moléculas heteronucleares:
- Em heteronucleares, os MOs não são perfeitamente simétricos: os orbitais tendem a se localizar mais no átomo mais eletronegativo (mais atraente para elétrons) para orbitais ligantes, e o contrário para certos antiligantes. Isso influencia densidade eletrônica, momentos de dipolo e caráter iônico parcial.
Passo 3
Determinação da ordem de ligação e configuração eletrônica do CO (explicada passo a passo).
- Contagem de elétrons de valência:
- Carbono:
elétrons de valência. - Oxigênio:
elétrons de valência.
Total:elétrons de valência.
- Escolha do diagrama MO e preenchimento:
- Para CO (molécula isoeletrônica com
), usa-se a ordem de energia onde vem antes de . A sequência relevante (ignorando orbitais 1s) é
- Preenchendo
elétrons valência: . Não há elétrons em orbitais .
- Contagem de elétrons ligantes e antiligantes:
- Elétrons em orbitais ligantes:
. - Elétrons em orbitais antiligantes:
.
- Ordem de ligação:
Interpretação: CO tem ordem de ligação
, i.e., ligação tripla (forte e curta). Isso explica um comprimento de ligação pequeno:
(valor experimental próximo).
- Observação qualitativa sobre distribuição eletrônica e dipolo:
- No CO, o HOMO (mais alto ocupado) tem caráter fortemente localizado no átomo de carbono (eletrônico lone pair em C), enquanto orbitais ligantes mais profundos têm maior contribuição de O. Por causa dessa distribuição e da diferença de eletronegatividade, a forma de ressonância que contribui significantemente é
(ou mistura entre e estruturas ionizadas). Isso gera um pequeno dipolo com carga parcial no carbono (geralmente observado experimentalmente como carga parcial negativa no C), mas o momento de dipolo é muito pequeno: . Pequeno valor → ligação predominantemente covalente com leve polarização.
Passo 4
Determinação da ordem de ligação e configuração eletrônica do NO (explicada passo a passo).
- Contagem de elétrons de valência:
- Nitrogênio:
elétrons de valência. - Oxigênio:
elétrons de valência.
Total:elétrons de valência.
- Escolha do diagrama MO e preenchimento:
- Para NO, que está entre N
e O e tem caráter mais parecido com O , adota-se a ordem em que está abaixo de (ordem semelhante a O ). - Sequência relevante:
- Preenchendo
elétrons (valência): . O elétron ímpar ocupa um orbital (antiligante), deixando a molécula com um elétron desemparelhado.
- Contagem de elétrons ligantes e antiligantes:
- Ligantes:
. - Antiligantes:
.
- Ordem de ligação:
Interpretação: ordem de ligação
. Isso corresponde a uma ligação intermediária entre dupla e tripla, portanto um comprimento de ligação levemente maior que o do CO (concorda com
, um pouco maior que
).
- Magnetismo:
- Como NO tem um único elétron desemparelhado em
, é paramagnético (atraído por campo magnético) — característica observável experimentalmente. - CO tem todos os elétrons emparelhados (diamagnetismo): ligeiramente repelido por campo magnético.
Passo 5
Relação entre ordens de ligação, comprimentos e por que CO tem menor distância internuclear.
- Regra prática: maior ordem de ligação → mais elétrons ligantes relativos → ligação mais curta e mais forte. Assim:
-
→ ligação mais forte/curta. -
→ ligação um pouco menos forte/um pouco mais longa.
- Justificativa física detalhada:
- Em CO há um emparelhamento completo dos elétrons até a
e nenhuma ocupação em orbitais antiligantes; isso maximiza elétrons ligantes (8) e minimiza antiligantes (2), produzindo ordem . Em NO existe um elétron em orbital antiligante (reduz a orden por ), o que enfraquece levemente a ligação e alonga um pouco a distância internuclear. - Além disso, o caráter do HOMO em CO (par lone pair mais em C) e a forte sobreposição entre orbitais atômicos do tipo
e contribuem para maior força de ligação em CO.
Passo 6
Interpretação dos momentos de dipolo e caráter iônico vs covalente — explicação didática.
- O que significa um momento de dipolo pequeno?
- Momento de dipolo
mede separação efetiva de cargas. Valores pequenos ( Debye) indicam que não há grande transferência de carga inteira entre os átomos; ou seja, a ligação é predominantemente covalente com pequena polarização parcial.
- Aplicando aos dados:
-
e são ambos muito pequenos. Conclusão: ambas as ligações têm caráter majoritariamente covalente, com apenas pequena contribuição iônica parcial/ressonante. - No CO, embora exista uma estrutura de ressonância
que explicaria certa polaridade, a contribuição relativa dessa estrutura não é grande o suficiente para gerar um dipolo grande; por isso é pequeno. - Em NO há também estruturas de ressonância (por ex.
e ), mas novamente a polarização efetiva permanece pequena.
- Relação com a MO:
- Em CO os MOs ligantes profundas têm maior contribuição de O (mais eletronegativo), mas o HOMO está quase no carbono, reduzindo a polaridade resultante. Em NO a presença do elétron desemparelhado e a maior diferença de ocupação entre MOs também resulta em dipolo pequeno. Assim, a pequena magnitude de
confirma que ambas são essencialmente covalentes com pequena carga parcial.
Passo 7
Separação magnética — é possível separar NO e CO com base em propriedades magnéticas?
- Propriedades magnéticas relevantes:
- NO: paramagnético (um elétron desemparelhado). Tem momento magnético de spin não nulo.
- CO: diamagnético (todos elétrons emparelhados). Não tem momento magnético de spin permanente significativo.
- Em princípio físico:
- Sim, em princípio moléculas paramagnéticas e diamagnéticas respondem de forma diferente a campos magnéticos e gradientes de campo: paramagnéticos são atraídos por regiões de campo mais intenso, diamagnéticos são ligeiramente repelidos. Portanto, uma força magnética diferencial pode ser aplicada para separar espécies com susceptibilidades magnéticas diferentes.
- Na prática (fatores que dificultam a separação):
- A diferença de resposta magnética entre um mol de NO gasoso e um mol de CO gasoso é muito pequena; os momentos magnéticos moleculares e susceptibilidades são baixos.
- Para separar eficientemente por método magnético seria necessário um gradiente de campo extremamente grande, baixas temperaturas (para reduzir energia térmica que mistura movimentos moleculares) e equipamentos especializados. Em condições ambientes normais, o efeito das colisões térmicas e difusão cancela qualquer separação eficiente.
- Além disso, NO é reativo (pode dimerizar ou reagir), o que complica processos de separação em larga escala.
- Conclusão prática:
- Teoricamente possível (porque NO é paramagnético e CO diamagnético), mas impraticável com tecnologia e condições de laboratório/indústria padrão; não é um método viável rotineiro de separação desses gases à temperatura ambiente sem condições muito especiais.
Passo 8
Resumo didático final e incentivo rápido (motivacional curto):
- Já sabemos como contar elétrons, montar a configuração MO básica e extrair ordem de ligação; isso explica bond lengths e propriedades magnéticas. Você está no caminho certo: com esse procedimento você resolve outras diatômicas facilmente — conta elétrons, escolhe diagrama MO apropriado e aplica
. Vai em frente, você consegue!
Resposta
Ambas as ligações são majoritariamente covalentes (os pequenos momentos de dipolo
O
Quanto à separação magnética: em princípio é possível separar (NO é paramagnético; CO é diamagnético), mas na prática a diferença magnética é muito pequena e a separação eficiente exigiria campos/gradientes muito fortes e condições especiais — portanto não é viável de modo prático em condições normais.