Por que o dioxigênio líquido é atraído pelos polos de um imã mas o dinitrogênio líquido não? (Utilize orbitais moleculares)
Passo 1
O exercício pergunta por que o O₂(l) é atraído pelos polos de um ímã, enquanto o N₂(l) não é. Isso envolve magnetismo molecular (paramagnetismo vs. diamagnetismo) e teoria de orbitais moleculares. Para resolver, a gente vai:
- Revisar rapidamente o que são orbitais moleculares (MOs).
- Montar o diagrama de MOs de N₂ e de O₂, contando elétrons e vendo se ficam desemparelhados.
- Relacionar isso com atração ou repulsão magnética.
Passo 2
Teoria de orbitais moleculares (MO):
- Ao juntar dois átomos, seus orbitais atômicos (AOs) combinam formando orbitais moleculares (MOs).
- Cada par de AOs gera um orbital ligante (menor energia) e um anti-ligante (maior energia, marcado com *).
- Os principais níveis para diatômicos de 2ª série (N a Ne) são, em ordem crescente:
- σ₂s
- σ₂s*
- σ₂p_z
- π₂p_x = π₂p_y
- π₂p_x* = π₂p_y*
- σ₂p_z*
- A gente vai preencher esses orbitais com os elétrons de valência da molécula, seguindo o princípio de Aufbau (do mais baixo pro mais alto) e Hund (maximizar desemparelhados nos orbitais degenerados).
Passo 3
Diagrama de MOs de N₂:
- Cada N traz 5 elétrons de valência → total 10 elétrons.
- Preenchendo:
• σ₂s (2 e–)
• σ₂s* (2 e–)
• σ₂p_z (2 e–)
• π₂p_x (2 e–)
• π₂p_y (2 e–) - Todos os 10 elétrons estão emparelhados.
- Conclusão: N₂ é diamagnético (não tem elétrons desemparelhados).
Passo 4
Diagrama de MOs de O₂:
- Cada O traz 6 elétrons de valência → total 12 elétrons.
- Preenchendo:
• σ₂s (2 e–)
• σ₂s* (2 e–)
• σ₂p_z (2 e–)
• π₂p_x (2 e–)
• π₂p_y (2 e–)
• π₂p_x* (1 e–)
• π₂p_y* (1 e–) - Sobram 2 elétrons e eles vão um em cada orbital π₂p* (regra de Hund).
- Esses 2 elétrons ficam desemparelhados.
- Conclusão: O₂ é paramagnético (tem elétrons desemparelhados).
Passo 5
Ligando à atração magnética:
- Diamagnético (N₂): todos os spins emparelhados → é ligeiramente repelido pelo campo magnético → não “gruda” no ímã.
- Paramagnético (O₂): tem spins desemparelhados → é atraído por um campo magnético → “gruda” no ímã.
Resposta
O₂(l) é atraído pelos polos de um ímã porque, segundo o diagrama de orbitais moleculares, ele tem 2 elétrons desemparelhados em orbitais
(paramagnetismo). Já o N₂(l) não é atraído porque todos os seus elétrons estão emparelhados (diamagnetismo).