Questão 02. O gás flúor é oxidante, tóxico, corrosivo de odor penetrante e altamente irritante. O \mathrm{F}_{2} é usado como matéria-prima para produção de insumos para indústrias, por exemplo, na produção de hexafluoreto de urânio ( \mathrm{UF}_{6} ), empregado na indústria nuclear, hexafluoreto de enxofre ( \mathrm{SF}_{6} ), usado como gás isolante no setor de energia elétrica. A ligação entre os átomos de flúor no gás flúor é relativamente baixa quando comparada com outras ligações de moléculas diatômicas do segundo período. Com base na ligação F-F abaixo, responda:
a) Qual a distribuição eletrônica, em termos de orbitais moleculares ( OM ), da molécula \mathrm{F}_{2} ? Desenhe o diagrama dos OM e faça a distribuição eletrônica.
b) Explique, com base na teoria dos orbitais moleculares, porque a energia de ligação entre os átomos de flúor é muito menor que a energia de ligação entre os átomos de oxigênio.
Passo 1
O enunciado pede, para a molécula diatômica \mathrm{F}_2, (a) o diagrama de orbitais moleculares (OM) e a distribuição eletrônica nesses OM; e (b) uma explicação, à luz da teoria de orbitais moleculares, do porquê da energia de ligação em \mathrm{F}_2 ser bem menor que em \mathrm{O}_2. Vamos usar: a formação de OM a partir dos orbitais 2s e 2p, a ordem de energia típica sem mistura s\!-\!p para \mathrm{O}_2 e \mathrm{F}_2, e a definição de ordem de ligação
Contamos N_\text{bonding}=2+2+2+2+2=10 elétrons em OM ligantes e N_\text{antibonding}=2+2+2=6 elétrons em OM antiligantes. Assim
\text{b.o.}=\frac{10-6}{2}=2\,.
Errata: contando corretamente apenas os OM de valência:
bonding = \sigma_{2s}^2+\sigma_{2p_z}^2+\pi_{2p_x}^2+\pi_{2p_y}^2=2+2+2+2=8
antibonding = \sigma^*_{2s}^2+\pi^*_{2p_x}^2+\pi^*_{2p_y}^2=2+2+2=6
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\text{b.o.}=\tfrac{8-6}{2}=1.
Passo 5
Em \mathrm{O}_2 há apenas dois elétrons em OM \pi^* (bond order =2), mas em \mathrm{F}_2 há quatro elétrons em \pi^* (bond order =1). Além disso, os orbitais atômicos 2p do flúor estão em energias mais baixas (mais apantanalhados) por causa de sua alta eletronegatividade, o que reduz o espaçamento entre OM ligantes e antiligantes, diminuindo a estabilização do orbital ligante e a desestabilização do antiligante. Soma-se a isso forte repulsão elétron-elétron nos pares não ligantes do flúor, e obtemos uma energia de ligação em \mathrm{F}_2 muito menor que em \mathrm{O}_2.
b) A energia de ligação em \mathrm{F}_2 é menor porque o bond order é 1 (vs.\ 2 em \mathrm{O}_2), resultado de quatro elétrons em OM antiligantes \pi^*, menor espaçamento entre OM ligantes e antiligantes (por alta eletronegatividade do F) e maior repulsão elétron-elétron nos pares não ligantes.