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:
  1. Revisar rapidamente o que são orbitais moleculares (MOs).
  2. Montar o diagrama de MOs de N₂ e de O₂, contando elétrons e vendo se ficam desemparelhados.
  3. 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:
    1. σ₂s
    2. σ₂s*
    3. σ₂p_z
    4. π₂p_x = π₂p_y
    5. π₂p_x* = π₂p_y*
    6. 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 pi^* (paramagnetismo). Já o N₂(l) não é atraído porque todos os seus elétrons estão emparelhados (diamagnetismo).

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