Utilize a teoria do orbital molecular para as espécies químicas
e
e preveja: a) qual(is) espécie(s) será(ão) atraída(s) por um campo magnético externo. b) qual dessas espécies é mais estável. Explique suas respostas.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas sobre as espécies
e
:
- (a) qual(is) espécie(s) será(ão) atraída(s) por um campo magnético externo;
- (b) qual dessas espécies é mais estável.
Informações dadas (explícitas ou óbvias que usaremos):
- Cada átomo de nitrogênio tem
, ou seja, contribui com elétrons. - Portanto a molécula neutra
tem elétrons no total. - O ânion
tem elétrons no total. - Vamos usar níveis moleculares formados pelos orbitais atômicos
e .
Passo 2
Conceitos e regras da teoria de orbitais moleculares (OM) que vamos aplicar (explicação didática):
- Orbitais moleculares (OM) são combinações lineares dos orbitais atômicos. Cada OM pode ser ligante (bonding) ou antiligante (antibonding). Elétrons em OM ligantes estabilizam (favorecem a ligação); elétrons em OM antiligantes desestabilizam.
- Notação:
e indicam simetria do orbital molecular; subíndices indicam de qual orbital atômico vieram, por exemplo , , , e o asterisco indica orbital antiligante, por exemplo , . - Princípios de preenchimento:
- Princípio da Aufbau: preencher os OM de menor energia para o maior.
- Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital contém no máximo dois elétrons com spins opostos.
- Regra de Hund: ao preencher orbitais degenerados (por exemplo as duas
de mesma energia), colocar primeiro elétrons com spins paralelos em orbitais distintos.
- Ordem de energia relevante para diatômicos do segundo período até
(esta ordem é importante e específica para , , ): Isso significa que as orbitais estão abaixo de para . - Definição de ordem de ligação (bond order):
onde é o número total de elétrons em OM ligantes e é o número total de elétrons em OM antiligantes. - Propriedade magnética:
- Uma espécie é paramagnética (atraída por campo magnético) se tiver pelo menos um elétron desemparelhado.
- Uma espécie é diamagnética (não atraída, geralmente levemente repelida) se todos os elétrons estiverem emparelhados.
Passo 3
Montagem do diagrama e preenchimento para
(14 elétrons), passo a passo:
- Ignoramos aqui o nível
(nuclear/core) no cálculo da ligação, pois seus elétrons ficam sempre emparelhados e não influenciam a ordem de ligação entre átomos para o que precisamos. - Preenchendo as OM segundo a ordem do Passo 2:
-
recebe elétrons; -
recebe elétrons; - sobram
elétrons para os orbitais derivados de . Destes, na ordem , , colocamos: -
(duas orbitais degeneradas) recebe elétrons (2 em cada uma, emparelhados); -
recebe elétrons.
-
-
- Assim a configuração eletrônica molecular (apenas valência relevante) fica:
- Verificação de elétrons desemparelhados: todos os orbitais ocupados têm pares, logo não há elétrons desemparelhados.
- Cálculo da ordem de ligação:
- elétrons em orbitais ligantes:
(em ) (em ) (em ) . - elétrons em orbitais antiligantes:
(em ) .
- elétrons em orbitais ligantes:
- Conclusões para
: - Todos os elétrons estão emparelhados
é diamagnético (não será atraído por campo magnético). - Ordem de ligação
ligação tripla forte e molécula relativamente estável.
- Todos os elétrons estão emparelhados
Passo 4
Montagem do diagrama e preenchimento para
(15 elétrons), passo a passo:
- Partimos da configuração de
e adicionamos elétron a mais. - Após preencher até
em , a próxima OM disponível (de menor energia) é (as orbitais antiligantes degeneradas). - Colocamos então esse elétron extra em uma das orbitais
. Aplicando a regra de Hund, ele ocupará sozinho uma dessas orbitais (há degenerescência entre as duas ). - A configuração (valência relevante) para
fica: - Há
elétron desemparelhado (no ) espécie paramagnética (será atraída por campo magnético). - Cálculo da ordem de ligação:
-
(mesmo que em : ). -
(em ) (em ) .
-
- Interpretação: ordem de ligação menor que em
( ) significa ligação mais fraca — o elétron extra ocupa uma OM antiligante e enfraquece a ligação.
Passo 5
Comparação qualitativa e resposta às perguntas (explicação final curta):
- Magnetismo:
tem todos os elétrons emparelhados (diamagético) e portanto não é atraído por um campo magnético; tem um elétron desemparelhado (paramagnético) e será atraído por um campo magnético. - Estabilidade: a ordem de ligação é um indicador direto da força e estabilidade da ligação:
tem ordem de ligação , enquanto tem ordem de ligação . Logo é mais estável (ligação mais forte) do que . O motivo físico: o elétron extra em ocupa uma orbital antiligante ( ), reduzindo a energia de ligação.
Resposta
(a)
é atraído por um campo magnético (paramagnético);
não é atraído (diamagético).
(b) é mais estável (ordem de ligação
) que
(ordem de ligação
).
(b)