Explique os seguintes fatos:
O oxigênio líquido é atraído pelos pólos de um ímã, mas o nitrogênio líquido não.

Passo 1

O enunciado pede que eu explique por que o oxigênio líquido é atraído pelos pólos de um ímã, enquanto o nitrogênio líquido não é.
Informações dadas (o que devo usar para explicar):
  • \mathrm{O_2} (oxigênio molecular) em estado líquido é atraído por um ímã.
  • \mathrm{N_2} (nitrogênio molecular) em estado líquido não é atraído por um ímã.

Passo 2

Primeiro vamos entender os dois comportamentos magnéticos básicos que aparecem aqui: paramagnetismo e diamagnetismo. Vou explicar cada um de um jeito simples.
Paramagnetismo: materiais paramagnéticos têm momentos magnéticos permanentes por causa de elétrons desemparelhados em átomos ou moléculas. Esses momentos tentam alinhar-se com um campo magnético externo, então o material é levemente atraído para regiões de campo mais forte. Em fórmula, a magnetização média do material é proporcional ao campo aplicado:
\mathbf{M} = \chi \mathbf{H},
onde \mathbf{M} é a magnetização, \mathbf{H} é a intensidade do campo magnético e \chi é a susceptibilidade magnética. Para paramagnetos, \chi>0 (pequeno e positivo).
Diamagnetismo: materiais diamagnéticos não têm momentos magnéticos permanentes; quando um campo magnético é aplicado, cria-se um pequeno momento magnético induzido que se opõe ao campo. Isso causa uma repulsão muito fraca. Aqui \chi<0 (pequeno e negativo).

Passo 3

Agora: por que um ímã “puxa” só o que é paramagnético? Um ímã real tem regiões com campo não uniforme (próximo aos pólos), e a força sobre um volume de material com momento magnético \boldsymbol{\mu} numa região de campo é, de forma geral,
\mathbf{F} = \nabla(\boldsymbol{\mu}\cdot\mathbf{B}).
Se o material tem momentos que se alinham com o campo ( \chi>0), ele será puxado para regiões de campo mais forte (atração). Se o material cria um momento induzido que se opõe ao campo ( \chi<0), ele é ligeiramente empurrado para regiões de campo mais fraco (repulsão), mas essa força é normalmente muito pequena.

Passo 4

Agora precisamos ligar isso à estrutura eletrônica das moléculas \mathrm{O_2} e \mathrm{N_2}. O que determina se uma molécula é paramagnética ou diamagnética é se ela possui elétrons desemparelhados. Vou ensinar um jeito direto de verificar isso para moléculas diatômicas comuns: usar diagrama de orbitais moleculares (MO) e contagem de elétrons.
Contagem de elétrons: cada átomo contribui com seus elétrons de valência.
  • Para \mathrm{O_2}: cada átomo de oxigênio tem 8 elétrons, então a molécula tem 16 elétrons.
  • Para \mathrm{N_2}: cada átomo de nitrogênio tem 7 elétrons, então a molécula tem 14 elétrons.

Passo 5

Agora o diagrama simplificado de orbitais moleculares (apenas o suficiente para decidir pares/despares): para \mathrm{O_2} (e \mathrm{F_2}) a ordem de energia relevante das orbitais 2p é, do mais baixo ao mais alto:
\sigma_{2p_z},\\ \pi_{2p_x},\\ \pi_{2p_y},\\ \pi^*_{2p_x},\\ \pi^*_{2p_y},\\ \sigma^*_{2p_z}.
Preenchemos as orbitais com os elétrons. Depois de ocupar as orbitais ligantes, os dois elétrons restantes em \mathrm{O_2} vão para as orbitais \pi^* degeneradas, um em cada orbital, sem emparelhar — ou seja, há dois elétrons desemparelhados. Isso implica que \mathrm{O_2} tem momento magnético líquido e, portanto, é paramagnético.
Para \mathrm{N_2}, com 14 elétrons, todas as orbitais ocupadas relevantes ficam com elétrons pareados; não sobram elétrons em orbitais antibonding \pi^*. Assim, \mathrm{N_2} não possui elétrons desemparelhados e é diamagnético.
Resumo com números (apenas para visualizar):
  • \mathrm{O_2}: 16 elétrons → ocupação deixa 2 elétrons desemparelhados nas \pi^* → paramagnético.
  • \mathrm{N_2}: 14 elétrons → todos os elétrons emparelhados → diamagnético.

Passo 6

Interpretação macroscópica: no estado líquido, as moléculas mantêm suas propriedades eletrônicas individuais (elas não deixam de ter seus elétrons desemparelhados só por estarem juntas). Então o oxigênio líquido comporta-se como um conjunto de pequenas bússolas microscópicas paramagnéticas; próximo a um pólo de um ímã forte elas tendem a alinhar-se e são atraídas para a região de campo mais forte — o efeito é visível (experimentos clássicos mostram gotas de \mathrm{O_2} sendo puxadas por um ímã). O nitrogênio líquido, sendo diamagnético, é levemente repelido, mas essa repulsão é muito fraca e geralmente não é visível com ímãs de bancada; por isso dizemos que não é atraído.

Passo 7

Explicando de forma prática (como raciocinar rápido numa prova):
  1. Identifique a molécula (aqui \mathrm{O_2} e \mathrm{N_2}).
  2. Conte elétrons de valência totais.
  3. Use o diagrama de orbitais moleculares para ver se sobram elétrons desemparelhados.
  4. Se houver elétrons desemparelhados → paramagnético → atraído por ímã (em campo não-uniforme). Se todos emparelhados → diamagnético → não atraído (ou ligeiramente repelido).

Passo 8

Alguns exemplos extras para fixar:
  • \mathrm{NO} tem um elétron desemparelhado → paramagnético.
  • \mathrm{CO} tem todos os elétrons emparelhados → diamagnético.
    Esses exemplos seguem a mesma receita de contar elétrons e verificar emparelhamento.

Passo 9

Recapitulando, em linguagem bem direta e incentivadora: o motivo físico básico é o emparelhamento (ou não) dos elétrons nas moléculas. Não se assuste com diagramas de orbitais à primeira vista — na prática de prova, basta saber que \mathrm{O_2} tem elétrons desemparelhados (paramagnético) e \mathrm{N_2} não (diamagnético). Você já tem a regra rápida para responder perguntas parecidas. Força aí, você consegue!

Resposta

O oxigênio líquido é atraído pelos pólos de um ímã porque \mathrm{O_2} tem dois elétrons desemparelhados nas orbitais \pi^*, tornando-o paramagnético ( \chi>0); o nitrogênio líquido não é atraído porque \mathrm{N_2} tem todos os elétrons emparelhados, sendo diamagnético ( \chi<0).

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