Explique a diferença entre orbitais moleculares ligantes, não ligantes e anti-ligantes, com exemplos.
Passo 1
Você pediu para eu explicar a diferença entre orbitais moleculares ligantes, não ligantes e anti-ligantes, e dar exemplos. As informações implícitas que vou usar: o conceito de orbital molecular (combinação de orbitais atômicos), a ideia de sobreposição de sinais de onda (fase) e que exemplos simples como
,
e
são aceitáveis para ilustrar. Não há outras restrições no enunciado.
Passo 2
O que é, em palavras simples, um orbital molecular (OM)?
Um orbital molecular é uma função de onda que descreve onde os elétrons provavelmente estão numa molécula. Ele é formado pela combinação linear de orbitais atômicos (AOs) dos átomos que se ligam. Pense nos AOs como ondas; ao combiná-las, as ondas podem somar (ficar maiores em certa região) ou se cancelar (formar nós). Essas duas possibilidades geram os tipos de OM que vamos estudar.
Um orbital molecular é uma função de onda que descreve onde os elétrons provavelmente estão numa molécula. Ele é formado pela combinação linear de orbitais atômicos (AOs) dos átomos que se ligam. Pense nos AOs como ondas; ao combiná-las, as ondas podem somar (ficar maiores em certa região) ou se cancelar (formar nós). Essas duas possibilidades geram os tipos de OM que vamos estudar.
Passo 3
Definição e física básica do orbital ligante.
- Um orbital ligante aparece quando as partes de onda dos orbitais atômicos se combinam de forma construtiva entre os núcleos — isto é, as fases “batem” entre os dois átomos.
- Resultado físico: aumento da densidade eletrônica entre os núcleos. Mais elétrons entre núcleos atraem ambos os núcleos, estabilizando (baixando a energia) o sistema → favorece ligação.
- Notação comum:
(quando a densidade é simétrica em torno do eixo internuclear) ou (quando a densidade está em dois lóbulos acima/abaixo do eixo). - Identificação visual/mental: muito elétron entre núcleos, sem nós entre os núcleos.
Exemplo concreto e cálculo simples:
.
- Dois AOs 1s (um de cada H) formam dois OM: um ligante
e um anti-ligante . - No
neutro, ocupamos → dois elétrons no OM ligante geram uma ligação de ordem 1 (ver fórmula de ordem de ligação no Passo 5). Resultado: molécula está estável.
Passo 4
Definição e física básica do orbital anti-ligante.
- Um orbital anti-ligante surge quando as partes de onda dos orbitais atômicos se combinam de forma destrutiva entre os núcleos — as fases se cancelam no espaço entre os núcleos.
- Resultado físico: nó (região de densidade zero) entre os núcleos e aumento de densidade fora da região internuclear; isso diminui a atração entre núcleos e elétrons nessa região, logo OM anti-ligante tem energia mais alta do que os AOs de origem → desestabiliza.
- Notação comum:
ou . O asterisco indica anti-ligante. - Identificação visual/mental: nó entre núcleos; menos densidade entre núcleos que no caso dos AOs isolados.
Exemplo concreto:
.
- Cada
tem dois elétrons nos 1s. Ao combinar, teremos . - Aplicando a conta de ordem de ligação (veja Passo 5), vemos que os efeitos ligantes e anti-ligantes se anulam → ordem de ligação zero →
não é estável.
Passo 5
Definição e física básica do orbital não-ligante.
- Um orbital não-ligante (ou orbital “solitário”, frequentemente rotulado por
) é um AO que, por energia ou simetria, não interage significativamente com o orbital de outro átomo ao formar a molécula. - Resultado físico: eletrons localizados essencialmente em um átomo, com pouca ou nenhuma mudança na densidade entre núcleos; a energia do OM não-ligante é aproximadamente a mesma do AO original.
- Identificação visual/mental: densidade localizada em um átomo (lone pair), ausência de contribuição significativa na região internuclear.
Exemplo concreto: o par solitário do oxigênio em água,
.
- Os pares não-ligantes do oxigênio aparecem como OM não-ligantes
(próximos em energia ao AO 2p do oxigênio) e não contribuem para aumentar a densidade entre O e H, portanto não aumentam a ordem de ligação O–H.
Passo 6
Como quantificamos o efeito ligante / anti-ligante? Ordem de ligação.
- Fórmula padrão que você deve decorar e usar na prova:
onde
é o número de elétrons em orbitais ligantes e
é o número de elétrons em orbitais anti-ligantes.
- Interpretação: cada par de elétrons em OM ligante aumenta a ordem de ligação em 1; cada par em OM anti-ligante diminui a ordem de ligação em 1.
Aplicações rápidas:
-
: em , → . -
: , → (não ligado). -
: apenas um elétron no → (ligação fraca, mas existe). -
(resumo qualitativo): ocupação parcial de orbitais anti-ligantes reduz a ordem de ligação; o resultado é para e ainda há dois elétrons desemparelhados em → explica paramagnetismo.
Passo 7
Como identificar cada tipo observacionalmente / na prática de prova
- Ligante: aumento de densidade entre núcleos; energia abaixo dos AOs de origem; contribui positivamente para
. - Anti-ligante: nó entre núcleos; energia acima dos AOs; contribui negativamente para
. - Não-ligante: localizado em um átomo (lone pair); energia parecida com AO isolado; não afeta
.
Sinais práticos: contar elétrons, montar diagrama de OM (colocar OM em ordem energética correta), preencher com spin-pauli e Hund, e aplicar a fórmula da ordem de ligação. Verificar nós (anti-ligante) e densidade entre núcleos (ligante).
Passo 8
Exemplos extra rápidos com interpretação:
-
: tem OM ligantes fortes (a densidade entre C e O é grande) e também OM não-ligantes (pares de O). Alguns OM anti-ligantes existem mas estão pouco ocupados; por isso CO é estável e com ligação muito forte (ordem ≈ 3). - Radicais e moléculas paramagnéticas: se há elétrons desemparelhados em OM anti-ligante (ex.:
), a molécula fica paramagnética e sua ligação é mais fraca que se esses elétrons estivessem em OM ligantes.
Passo 9
Dicas rápidas para a prova (modo “cola mental”):
- Conte elétrons total (valência).
- Esboce o diagrama de OM apropriado (importante: a ordem das MOs muda para alguns homonucleares, mas para muitos exercícios básicos você pode usar a ordem padrão).
- Preencha OM do mais baixo ao mais alto, obedecendo Pauli e Hund.
- Calcule
. Se espere que a molécula não seja estável. - Verifique se há elétrons desemparelhados para saber se a molécula é paramagnética.
Resposta
Ligantes: orbitais resultantes de combinação construtiva de AOs; aumentam densidade eletrônica entre núcleos, têm energia abaixada e favorecem ligação (ex.:
em
).\nNão-ligantes: orbitais derivados de AOs que não interagem significativamente; elétrons localizados em um átomo (lone pairs), energia próxima do AO e sem efeito na ordem de ligação (ex.: pares não-ligantes do O em
).\nAnti-ligantes: orbitais resultantes de combinação destrutiva de AOs; apresentam nó entre núcleos, energia elevada e desestabilizam a ligação se ocupados (notação
); exemplo: ocupação de
em
leva à ordem de ligação zero.