3.3- O que são elétrons emparelhados e elétrons desemparelhados?

Passo 1

O que o enunciado pede: explicar claramente o que são elétrons emparelhados e elétrons desemparelhados. Vou listar também o que vou usar como informação: configurações eletrônicas simples (ex.: 1s^2, 2p^3), regras básicas de preenchimento de orbitais (Princípio de Aufbau, Princípio de Pauli e Regra de Hund) e conceitos de spin e orbital. Nada mais é necessário para responder.

Passo 2

O que é spin e por que ele importa: cada elétron tem uma propriedade intrínseca chamada spin, que pode assumir dois valores que chamamos de “para cima” e “para baixo”. Em notação quântica isso é escrito como m_s = +\tfrac{1}{2} (spin para cima) ou m_s = -\tfrac{1}{2} (spin para baixo). O spin é o que permite distinguir dois elétrons no mesmo orbital.
O que é um orbital e quantos elétrons ele comporta: um orbital (por exemplo 1s, 2p_x, 2p_y, 2p_z) é uma região do espaço onde existe alta probabilidade de encontrar um elétron. Cada orbital pode conter no máximo dois elétrons. Isso vem do Princípio de Pauli, que diz que não podem existir dois elétrons com todos os quatro números quânticos iguais — na prática significa que no mesmo orbital os dois elétrons devem ter spins opostos, isto é, um com m_s = +\tfrac{1}{2} e outro com m_s = -\tfrac{1}{2}.

Passo 3

Definição prática de elétrons emparelhados: são dois elétrons que ocupam o mesmo orbital e têm spins opostos. Exemplo simples: o hélio tem configuração eletrônica \,1s^2. Isso significa que o orbital 1s tem dois elétrons com spins opostos — esses são elétrons emparelhados. Em estruturas de Lewis isso corresponde a um par isolado.
Definição prática de elétrons desemparelhados: são elétrons que ocupam um orbital sozinhos, sem outro elétron com spin oposto nesse mesmo orbital. Quando um orbital tem apenas um elétron, esse elétron está desemparelhado. Exemplo: o nitrogênio atômico tem configuração \,1s^2\,2s^2\,2p^3. Os três elétrons 2p ficam em orbitais diferentes com spins paralelos (pela Regra de Hund), portanto o nitrogênio tem três elétrons desemparelhados.

Passo 4

Como identificar emparelhados/desemparelhados passo a passo (receita de prova):
  1. Escreva a configuração eletrônica do átomo ou íon, por exemplo \,1s^2\,2s^2\,2p^2.
  2. Para subníveis degenerados (por exemplo os três 2p), aplique a Regra de Hund: distribua os elétrons um em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar.
  3. Verifique cada orbital: se tiver dois elétrons (um m_s=+\tfrac{1}{2} e outro m_s=-\tfrac{1}{2}), esses dois são emparelhados; se tiver apenas um elétron, é um elétron desemparelhado.
    Exemplo rápido: carbono \,1s^2\,2s^2\,2p^2. Nos três orbitais 2p coloca-se um elétron em dois deles (pela Regra de Hund), ficando algo como 2p:\\ \uparrow\\ \uparrow\\ \circ. Assim o carbono tem dois elétrons desemparelhados.

Passo 5

Consequências físicas e químicas de ter elétrons desemparelhados:
  • Magnetismo: átomos/moléculas com elétrons desemparelhados são geralmente paramagnéticos (são atraídos por campos magnéticos). Átomos com todos os elétrons emparelhados são diamagnéticos (levemente repelidos).
  • Reatividade: elétrons desemparelhados frequentemente tornam espécies mais reativas (radicais) porque tendem a emparelhar formando ligações químicas. Exemplo simples: dois átomos de hidrogênio, cada um com \,1s^1 (um elétron desemparelhado), se aproximam e emparelham seus elétrons formando a ligação \mathrm{H-H}.

Passo 6

Exemplos-curtos para fixar (sempre com configuração em TeX):
  • Hidrogênio: \,1s^1 → 1 elétron desemparelhado.
  • Hélio: \,1s^2 → 0 elétrons desemparelhados (todos emparelhados).
  • Carbono (fundamental para ligar): \,1s^2\,2s^2\,2p^2 → 2 elétrons desemparelhados (nos 2p).
  • Oxigênio atômico: \,1s^2\,2s^2\,2p^4 → 2 elétrons desemparelhados.
  • Oxigênio molecular \mathrm{O_2} (explicação curta): a distribuição eletrônica molecular deixa dois elétrons desemparelhados em orbitais \pi^*, por isso \mathrm{O_2} é paramagnético (um resultado que surpreende se só olhar as estruturas de Lewis).
    Dicas rápidas para a prova (resumo prático e amigável):
  • Escreve a configuração e monta as caixas dos orbitais.
  • Usa Hund: um em cada antes de emparelhar.
  • Conta quantos orbitais têm apenas uma seta (ou seja, um elétron) — esse é o número de elétrons desemparelhados.
  • Se precisar responder só em palavras: “se emparelharam todos = diamagnético/menos reativo; se há desemparelhados = paramagnético/mais reativo”.

Resposta

Elétrons emparelhados: dois elétrons que ocupam o mesmo orbital com spins opostos ( m_s=+\tfrac{1}{2} e m_s=-\tfrac{1}{2}).
Elétrons desemparelhados: elétrons que estão sozinhos em um orbital (sem outro elétron de spin oposto nesse orbital); estes aparecem quando orbitais têm apenas um elétron e são os responsáveis por magnetismo paramagnético e maior reatividade (radicais).

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