(1,5 pt) Qual(is) das seguintes moléculas apresentará(āo) transições de energia rotacional?
a. Ácido Cianídrico, HCN
b. Ozônio,
c. Dióxido de Carbono,
d. Acetileno,
a. Ácido Cianídrico, HCN
b. Ozônio,
c. Dióxido de Carbono,
d. Acetileno,
Passo 1
O enunciado pergunta: quais das moléculas abaixo apresentarão transições de energia rotacional?
-
Ácido cianídrico, -
Ozônio, -
Dióxido de carbono, -
Acetileno,
Informações relevantes dadas (explicitadas para não perder o foco): cada item é a fórmula química da molécula que preciso analisar; o objetivo é dizer se cada molécula apresenta transições rotacionais observáveis por interação dipolar com radiação (espectroscopia rotacional).
Passo 2
Regra principal (a “teoria mínima” que precisa estar na ponta da caneta):
- Para uma molécula apresentar transições rotacionais observáveis por interação eletromagnética (ex.: espectroscopia micro-ondas), é necessário que ela possua um momento de dipolo elétrico permanente
diferente de zero. Em forma curta:
- Por quê? Uma transição rotacional envolve a molécula girando e, para que a radiação eletromagnética a excite via interação de dipolo elétrico, a molécula precisa ter um dipolo que “mude de orientação” no espaço. Moléculas sem dipolo permanente não acoplam eficientemente com o campo elétrico da radiação para transições rotacionais observáveis.
- Seleção quântica (apenas para complementar): para um rotor rígido a regra de seleção por dipolo elétrico é
onde
é o número quântico de rotação. Isso indica que, quando houver
, saltos entre níveis rotacionais vizinhos são permitidos.
Passo 3
Como vamos aplicar essa regra: para cada molécula, determinar qualitativamente se ela é polar (
) ou apolar (
). Para isso vou usar a geometria da molécula e a ideia de soma vetorial dos dipolos das ligações (se as partes simétricas produzem dipolos opostos que se cancelam, o resultado é
).
Passo 4
Análise de
:
- Estrutura: é linear e heteronuclear (H–C≡N), com átomos diferentes nas extremidades.
- Intuição: as ligações não são iguais; os elétrons são puxados mais para o nitrogênio do que para o hidrogênio, então há deslocamento de carga ao longo do eixo da molécula.
- Vetorialmente: existe um dipolo ao longo do eixo que não é cancelado por nada simétrico na outra extremidade.
- Conclusão parcial:
é polar, portanto tem e pode apresentar transições rotacionais observáveis.
Passo 5
Análise de
(ozônio):
- Estrutura:
é uma molécula angular (não é linear; tem geometria em forma de V/bent). - Intuição: por ser assimétrica (não tem dois “braços” idênticos opostos como em uma molécula linear e simétrica), suas componentes de dipolo não se cancelam perfeitamente.
- Conclusão parcial:
possui momento de dipolo permanente ( ) e, portanto, pode apresentar transições rotacionais observáveis.
Passo 6
Análise de
:
- Estrutura:
é linear e simétrica, com arranjo . - Vetorialmente: cada ligação C=O tem um dipolo apontando para o oxigênio, mas os dois dipolos são iguais em magnitude e em sentidos opostos ao longo da mesma linha. Assim,
ou seja, o momento resultante
.
- Conclusão parcial:
é apolar ( ) e, por isso, não apresenta transições rotacionais por interação dipolar (não aparece na espectroscopia rotacional elétrica).
Passo 7
Análise de
(acetileno):
- Estrutura: linear e simétrica,
, com extremidades idênticas. - Mesmo que cada ligação C–H tenha um pequeno caráter polar, as duas extremidades são simétricas e seus dipolos se cancelam; o resultado global é
. - Conclusão parcial:
é apolar ( ) e não apresenta transições rotacionais por dipolo elétrico.
Passo 8
Resumo didático-final (sem repetir apenas a regra): as moléculas polares (com
) acoplam ao campo elétrico da radiação e exibem linhas rotacionais; moléculas apolares simétricas têm
e, portanto, não mostram esse tipo de transição na espectroscopia elétrica rotacional.