(1.5) A ligação quimica pode ser explicada por diferentes modelos. Dois deles são a Teoria da Ligação de Valência (TLV) e a Teoria do Orbital Molecular (TOM).
a) Em poucas palavras, o que cada teoria considera como sendo a origem da ligação entre dois átomos?
b) Qual teoria é mais adequada para explicar por que a molécula de \mathrm{O}_{2} é atraida por um imā?
c) Cite uma vantagem da TOM em relação à TLV

Passo 1

Vou listar claramente o que o enunciado pede e quais dados temos:
  • Pergunta (a): Em poucas palavras, o que cada teoria (TLV e TOM) considera como origem da ligação entre dois átomos?
  • Pergunta (b): Qual teoria é mais adequada para explicar por que a molécula de \mathrm{O}_{2} é atraída por um ímã?
  • Pergunta (c): Cite uma vantagem da TOM em relação à TLV.
    Informações implícitas úteis: a molécula em questão é \mathrm{O}_{2} e o fenômeno é atração por um ímã (ou seja, comportamento magnético).

Passo 2

O que diz a Teoria da Ligação de Valência (TLV) — explicação didática e passo a passo:
  • Ideia essencial: a ligação é explicada como o compartilhamento de um par de elétrons entre dois átomos. Esse par compartilhado ocupa a região entre os núcleos e “cola” os átomos.
  • Conceitos-chave:
    • Orbitais atômicos: regiões onde cada elétron tem maior probabilidade de estar (por ex., orbital 1s, 2p).
    • Sobreposição de orbitais: quando dois orbitais atômicos (um de cada átomo) se sobrepõem espacialmente, formam uma ligação se houver elétrons com spins opostos para formar um par.
    • Hibridização: para explicar formas e ângulos (ex.: metano \text{CH}_4), orbitais atômicos se combinam em novos orbitais híbridos (sp, sp^2, sp^3).
  • Exemplo simples (H _2): dois átomos de hidrogênio com um elétron cada têm seus orbitais 1s se sobrepondo; os dois elétrons formam um par com spins opostos na região entre núcleos → ligação simples.
  • Característica prática da TLV: enfatiza ligações localizadas (cada ligação corresponde a um par de elétrons entre dois átomos). Isso ajuda a desenhar estruturas de Lewis e entender geometrias via hibridização.
  • Limitação importante (já relevante para o exercício): TLV tende a pressupor pares de elétrons pareados nas ligações localizadas; explicar propriedades que dependem de elétrons despareados (como magnetismo) fica mais difícil ou exige artifícios (resonância com estruturas radicais, etc.).

Passo 3

O que diz a Teoria do Orbital Molecular (TOM / MO theory) — explicação didática e passo a passo:
  • Ideia essencial: quando átomos se aproximam, seus orbitais atômicos se combinam linearmente para formar orbitais moleculares (MOs) que pertencem à molécula inteira. Esses MOs podem ser ligantes (bonding) ou antiligantes (antibonding).
  • Conceitos-chave:
    • Combinação linear de orbitais atômicos (LCAO): um MO é uma soma algébrica de orbitais atômicos; a combinação construtiva gera um orbital ligante (maior densidade entre núcleos), a destrutiva gera um antiligante (nó entre núcleos).
    • Princípios de ocupação: os elétrons ocupam os MOs seguindo o princípio de Aufbau, o princípio de Pauli (no máximo 2 elétrons por MO, spins opostos) e a regra de Hund (preencher orbitais degenerados com spins paralelos antes de emparelhar).
    • Bond order (ordem de ligação): mede a “força”/número de ligações aproximadamente por \text{ordem de ligação} = \frac{n_b - n_a}{2},çãonde n_b é o número de elétrons em orbitais ligantes e n_a é o número de elétrons em orbitais antiligantes.
  • Exemplo rápido (H _2): os dois elétrons vão para o orbital ligante \sigma, então n_b=2, n_a=0, ordem =(2-0)/2=1.
  • Força didática da TOM: os elétrons podem ficar deslocalizados sobre a molécula inteira, e a TOM prevê diretamente se há elétrons desemparelhados (importante para magnetismo), energias dos orbitais (importante para espectros), e comportamento em moléculas conjugadas.

Passo 4

Aplicando a TOM para explicar o caso de \mathrm{O}_{2} (passo a passo e com números):
  • Primeiro contador de elétrons: cada átomo de oxigênio tem 6 elétrons de valência ( 2s^2 2p^4). Logo, a molécula \mathrm{O}_{2} tem 6+6=12 elétrons de valência para preencher os MOs.
  • Preenchimento qualitativo dos MOs (forma usual ensinada): os elétrons ocupam MOs em ordem crescente de energia; para \mathrm{O}_{2} o diagrama valente fornece, até onde precisamos:
    • orbitais ligantes ocupados: \sigma_{2s} (2 e⁻), \sigma_{2p} (2 e⁻), \pi_{2p} (4 e⁻),
    • orbitais antiligantes ocupados: \sigma_{2s}^* (2 e⁻), \pi_{2p}^* (2 e⁻).
    • Total: 2+2+4+2+2=12 elétrons (confirma).
  • Identificação de elétrons desemparelhados: os 2 elétrons em \pi_{2p}^* ocupam duas orbitais degeneradas \pi^*_{x} e \pi^*_{y} com um elétron em cada — segundo a regra de Hund isso resulta em dois elétrons desemparelhados (spins paralelos).
  • Consequência magnética: elétrons desemparelhados causam momento magnético líquido não nulo; uma substância com elétrons desemparelhados é paramagnética — isto é, é atraída por um campo magnético (um ímã).
  • Cálculo rápido da ordem de ligação usando a fórmula da TOM:
    • Número de elétrons em orbitais ligantes: n_b = 2(\sigma_{2s}) + 2(\sigma_{2p}) + 4(\pi_{2p}) = 8.
    • Número de elétrons em orbitais antiligantes: n_a = 2(\sigma_{2s}^*) + 2(\pi_{2p}^*) = 4.
    • Ordem de ligação = \dfrac{8-4}{2} = 2. (Isto explica por que \mathrm{O}_{2} tem uma ligação efetiva dupla.)
  • Conclusão desta análise: a TOM prevê corretamente que \mathrm{O}_{2} tem dois elétrons desemparelhados (nações \pi^*), o que explica sua atração por um ímã (paramagnetismo). A TLV, que vê ligações como pares localizados, não prevê naturalmente elétrons desemparelhados na ligação e portanto não explica de forma direta a paramagnetização observada.

Passo 5

Resposta direta e curta para a parte (a) (síntese do que cada teoria considera como origem da ligação):
  • TLV: a ligação nasce do compartilhamento localizado de um par de elétrons entre dois átomos — formação de pares de elétrons em orbitais sobrepostos (com possível hibridização para explicar geometria).
  • TOM: a ligação nasce da formação de orbitais moleculares por combinação dos orbitais atômicos; elétrons ocupam MOs ligantes (estabilizam) ou antiligantes (desestabilizam) e a ocupação desses MOs determina a estabilidade e propriedades da ligação.

Passo 6

Resposta direta e curta para a parte (b) e (c), com justificativa resumida:
  • (b) A TOM é a mais adequada para explicar por que \mathrm{O}_{2} é atraída por um ímã, porque prevê que \mathrm{O}_{2} possui dois elétrons desemparelhados em orbitais \pi^*, tornando-a paramagnética.
  • (c) Uma vantagem da TOM sobre a TLV: a TOM consegue prever propriedades eletrônicas quantitativas, como presença de elétrons desemparelhados (magnetismo), ordem de ligação e energias dos orbitais, e descrever ligações deslocalizadas (ex.: sistemas conjugados) — coisas que a TLV trata com mais dificuldade ou com artifícios.

Resposta

(a) TLV: ligação = compartilhamento localizado de um par de elétrons entre átomos (pares de ligação, com hibridização para geometria). TOM: ligação = formação de orbitais moleculares por combinação dos orbitais atômicos; ocupação de MOs ligantes/antiligantes determina a ligação.
(b) TOM. A TOM prevê dois elétrons desemparelhados em orbitais \pi^* em \mathrm{O}_{2}, o que explica sua paramagnetização (atração por ímã).
(c) Vantagem: a TOM explica propriedades eletrônicas (como magnetismo e ordens de ligação) e descreve a delocalização eletrônica de forma direta, algo que a TLV não faz tão naturalmente.

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