Use a teoria do orbital molecular para prever a estabilidade e o comportamento diamagnético ou paramagnético dos sistemas moleculares
e
.
Passo 1
O enunciado pede que eu preveja, usando orbitais moleculares, a estabilidade e o comportamento magnético (diamagnetismo ou paramagnetismo) dos dois sistemas:
e
. Informações dadas ou necessárias e que vou usar explicitamente daqui pra frente:
- Número atômico do nitrogênio:
. Cada átomo de tem configuração eletrônica . - Elétrons de valência por átomo de
: . Portanto o total de elétrons de valência em é e em é . - Orbitais moleculares relevantes (ordem de energias apropriada para diatômicos da segunda linha até o nitrogênio):
, , (degenerados), , , . - O que preciso devolver: ordem de ligação (bond order) para avaliar estabilidade e número de elétrons desemparelhados para decidir se a espécie é diamagnética (todos emparelhados) ou paramagnética (um ou mais desemparelhados).
Passo 2
Breve “aula” prática sobre conceitos que vou usar (explicação passo a passo, sem pular etapas):
- Como se formam os orbitais moleculares (no nível conceitual)
- Quando dois átomos se aproximam, seus orbitais atômicos se combinam formando orbitais moleculares (OM) estendidos pela molécula. Cada par de orbitais atômicos compatíveis gera dois OM: um de menor energia (ligante, denotado sem asterisco) e outro de maior energia (antiligante, denotado com asterisco).
- Exemplos de combinação:
com gera (ligante) e (antiligante). Os orbitais podem combinar de modo “ cabeça-a-cabeça ” (σ) ou “lado-a-lado” (π), gerando e , e as correspondentes antiligantes e .
- Diferença σ e π
-
: densidade eletrônica concentrada ao longo do eixo internuclear. -
: densidade eletrônica nas regiões laterais ao eixo; para e dão dois orbitais π degenerados.
- Regras de preenchimento de elétrons nos OM
- Princípio de Pauli: cada orbital molecular comporta no máximo 2 elétrons com spins opostos.
- Regra de Hund: quando há orbitais degenerados (como os dois
), primeiro coloca-se um elétron em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar. - Ordem de preenchimento: segue a sequência energética dos OM listada no Passo 1.
- Ordem de ligação (bond order)
- Fórmula usada:
- Interpretação: quanto maior a ordem de ligação, mais forte/curta é a ligação (maior estabilidade do par de átomos em relação aos átomos isolados).
- Magnetismo
- Diamagnético: todos elétrons emparelhados → espécie é repelida por campo magnético.
- Paramagnético: há elétrons desemparelhados → espécie é atraída por campo magnético.
- Então basta contar elétrons desemparelhados na distribuição MO.
Passo 3
Montagem e preenchimento dos orbitais para
(passo a passo, contando elétrons):
- Total de elétrons de valência:
(já indicado no Passo 1). - Ordem energética relevante (lembrando que para N
os vêm antes de ):
- Preenchimento orbital por orbital (sempre colocando no menor nível disponível):
-
: coloca-se elétrons. (total usado: ) -
: coloca-se elétrons. (total usado: ) -
(duas orbitais degeneradas): podem comportar até elétrons; colocamos . (total usado: ) -
: colocamos os elétrons restantes. (total usado: )
- Agora identifique quantos elétrons estão em orbitais ligantes e quantos em antiligantes:
- Orbitais ligantes preenchidos:
tem , tem , tem . Soma: . - Orbitais antiligantes preenchidos:
tem . Soma: .
- Calcule a ordem de ligação usando a fórmula:
- Contagem de elétrons desemparelhados: na configuração acima todos os orbitais ocupados têm pares (cada orbital listado tem 0 ou 2 elétrons), logo número de elétrons desemparelhados =
.
Passo 4
Interpretação dos resultados para
(ligando teoria à resposta solicitada):
- Ordem de ligação
: interpretação física — ligação tripla forte e curta; isso indica alta estabilidade da molécula em relação aos átomos isolados (por isso é uma molécula muito estável). - Magnetismo: como não há elétrons desemparelhados,
é diamagnética (é levemente repelida por campo magnético). - Observação prática: a ordem de ligação inteira
coincide com a fórmula estrutural usual .
Passo 5
Agora faça o mesmo para
(remover um elétron de
):
- Total de elétrons de valência:
. - Partimos da configuração de
e removemos o elétron do orbital molecular ocupado de maior energia. No diagrama de o ocupante de mais alta energia é (ocupado com elétrons). Então removemos um elétron desse orbital. - Preenchimento resultante (resumido):
-
: -
: -
: -
: (agora com apenas um elétron)
Total:.
- Contagem ligantes vs antiligantes:
- Ligantes:
, , . Soma: . - Antiligantes:
. Soma: .
- Ordem de ligação:
- Elétrons desemparelhados: o orbital
agora tem somente elétron (não emparelhado), então há exatamente elétron desemparelhado → espécie paramagnética.
Passo 6
Interpretação para
:
- Ordem de ligação
: isto é menor do que , logo a ligação é um pouco mais fraca e mais longa que em ; portanto é menos estável que (entretanto ainda tem ligação forte). - Magnetismo: como há
elétron desemparelhado, é paramagnética (atraída por campo magnético). - Comentário prático: remoção de um elétron de um orbital ligante reduz a ordem de ligação; se tivesse removido de um orbital antiligante, ordem aumentaria — por isso é importante saber de qual orbital o elétron foi removido.