Explique os seguintes fatos:
O oxigênio líquido é atraído pelos pólos de um ímã, mas o nitrogênio líquido não.
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):
Informações dadas (o que devo usar para explicar):
-
(oxigênio molecular) em estado líquido é atraído por um ímã. -
(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:
onde
é a magnetização,
é a intensidade do campo magnético e
é a susceptibilidade magnética. Para paramagnetos,
(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
(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
numa região de campo é, de forma geral,
Se o material tem momentos que se alinham com o campo (
), ele será puxado para regiões de campo mais forte (atração). Se o material cria um momento induzido que se opõe ao campo (
), 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
e
. 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
: cada átomo de oxigênio tem elétrons, então a molécula tem elétrons. - Para
: cada átomo de nitrogênio tem elétrons, então a molécula tem elétrons.
Passo 5
Agora o diagrama simplificado de orbitais moleculares (apenas o suficiente para decidir pares/despares): para
(e
) a ordem de energia relevante das orbitais 2p é, do mais baixo ao mais alto:
Preenchemos as orbitais com os elétrons. Depois de ocupar as orbitais ligantes, os dois elétrons restantes em
vão para as orbitais
degeneradas, um em cada orbital, sem emparelhar — ou seja, há dois elétrons desemparelhados. Isso implica que
tem momento magnético líquido e, portanto, é paramagnético.
Para
, com
elétrons, todas as orbitais ocupadas relevantes ficam com elétrons pareados; não sobram elétrons em orbitais antibonding
. Assim,
não possui elétrons desemparelhados e é diamagnético.
Resumo com números (apenas para visualizar):
-
: elétrons → ocupação deixa elétrons desemparelhados nas → paramagnético. -
: 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
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):
- Identifique a molécula (aqui
e ). - Conte elétrons de valência totais.
- Use o diagrama de orbitais moleculares para ver se sobram elétrons desemparelhados.
- 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:
-
tem um elétron desemparelhado → paramagnético. -
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
tem elétrons desemparelhados (paramagnético) e
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
tem dois elétrons desemparelhados nas orbitais
, tornando-o paramagnético (
); o nitrogênio líquido não é atraído porque
tem todos os elétrons emparelhados, sendo diamagnético (
).