Explique um motivo da existência do \mathrm{PF}_{5} mas não do \mathrm{NF}_{5}.

Passo 1

O enunciado pede para eu explicar um motivo pelo qual existe o composto neutro \mathrm{PF}_5 (pentafluoreto de fósforo) mas não existe o composto neutro \mathrm{NF}_5 (pentafluoreto de nitrogênio). As informações relevantes que eu tenho do enunciado são: os dois são pentafluoretos de elementos do grupo 15 (N e P) e preciso justificar a existência de um e a não existência do outro.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência e a ideia do “octeto”.
  • Nitrogênio e fósforo estão no grupo 15, cada um tem 5 elétrons de valência, isto é, \,5 elétrons na camada de valência: \mathrm{N}:\,2s^2 2p^3 e \mathrm{P}:\,3s^2 3p^3.
  • Se um átomo do grupo 15 faz cinco ligações simples com flúor (cada ligação compartilha 2 elétrons), o número de elétrons ao redor do átomo central passa a ser 5\times 2 = 10 elétrons. Escrevendo em TeX: ao formar \mathrm{XF}_5 teríamos 10 elétrons no “anel” de valência do átomo X.
  • A regra do octeto diz que átomos da segunda linha (segunda camada) tendem a ficar estáveis com 8 elétrons na camada de valência; ultrapassar 8 elétrons costuma ser desfavorável para átomos pequenos como o \mathrm{N}.

Passo 3

Por que \mathrm{PF}_5 pode existir apesar de ter 10 elétrons ao redor do P?
  • O fósforo está na terceira camada ( n=3), portanto maior raio atômico e mais espaço para distribuir elétrons ao redor do núcleo. Isso reduz a repulsão entre pares eletrônicos quando comparado ao nitrogênio (menor raio).
  • Tradicionalmente se diz que átomos do terceiro período podem “expandir o octeto” usando orbitais 3d. Na visão moderna a participação direta de orbitais d é controversa, mas o fato experimental permanece: átomos maiores (P, S, Cl etc.) acomodam mais de 8 elétrons com custo energético aceitável porque a distância entre elétrons e a capacidade de estabilização por ligação compensam a repulsão adicional.
  • Assim, o fósforo forma cinco ligações P–F, dando a \mathrm{PF}_5 a geometria trigonal bipiramidal estável e com energia de ligação suficiente para tornar a molécula isolável.

Passo 4

Por que \mathrm{NF}_5 não existe (neutralamente)? — argumentos físico-químicos simples e didáticos
  1. Tamanho e repulsão eletrônica: o nitrogênio é pequeno ( n=2), então colocar 10 elétrons ao redor implica pares eletrônicos muito próximos, aumentando fortemente a repulsão elétron–elétron — isso eleva muito a energia da molécula, tornando-a instável.
  2. Impossibilidade prática de “expandir o octeto”: ao contrário do fósforo, o nitrogênio na segunda camada não tem orbitais adicionais de valência de baixa energia que permitam acomodar confortavelmente mais do que 8 elétrons; portanto a formação de cinco ligações simples seria energeticamente muito cara.
  3. Efeito da eletronegatividade do flúor: o flúor puxa fortemente densidade eletrônica; ter cinco F altamente eletronegativos ao redor de um átomo pequeno e já pouco eletronegativo deixa o N extremamente deficiente em elétrons e aumenta tensões eletrostáticas e tendência à decomposição.
  4. Consequência: qualquer tentativa de formar \mathrm{NF}_5 neutro seria desestabilizada e preferiria caminhos de decomposição (por exemplo, a formação de \mathrm{NF}_3 mais \mathrm{F}_2 ou a formação de espécies iônicas), então não se isola \mathrm{NF}_5 neutro.

Passo 5

Breve comparação de estruturas e alternativas iônicas (para conexão com o que você pode ver em provas)
  • \mathrm{PF}_5: molécula neutra isolável; geometria trigonal bipiramidal; ligações P–F fortes e arranjo espacial que tolera 5 ligantes.
  • \mathrm{NF}_5: não isolado como néutro. Existem espécies relacionadas onde o nitrogênio está em estados com quatro ligantes, como o cátion tetrafluoroamônio \,[\mathrm{NF}_4]^+, (sal de tetrafluoroamônio é conhecido), mas isso já é iônico e estabilizado por um contra-íon; ainda assim não há um análogo neutro \mathrm{NF}_5 estável.

Passo 6

Resumo conceitual simples (a “intuição” para decorar e usar na prova)
  • Regra prática: elementos do segundo período (como \mathrm{N}, \mathrm{O}, \mathrm{F}) praticamente não expandem o octeto; elementos do terceiro período ou posteriores (como \mathrm{P}, \mathrm{S}, \mathrm{Cl}) frequentemente o fazem.
  • Logo: \mathrm{PF}_5 existe porque o fósforo, sendo maior, acomoda cinco ligações com energia total favorável; \mathrm{NF}_5 não existe porque o nitrogênio é pequeno e não consegue acomodar cinco ligantes sem energia muito alta (repulsão eletrônica e violação prática do octeto).

Resposta

\mathrm{PF}_5 existe porque o fósforo (3.º período) é suficientemente grande para acomodar cinco ligações (expansão do octeto com custo energético aceitável), enquanto \mathrm{NF}_5 não existe como molécula neutra porque o nitrogênio (2.º período) é muito pequeno para suportar 10 elétrons de valência ao seu redor, o que causa forte repulsão eletrônica e torna essa espécie energeticamente instável.

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