Diferentemente dos níveis vibracionais, muitos níveis rotacionais encontram-se ocupados em temperatura ambiente para a grande maioria das moléculas. Discuta porque isto ocorre.
Passo 1
Beleza, vamos resumir o que a questão está pedindo. A pergunta fala sobre níveis energéticos em moléculas, especificamente diferenciando entre níveis vibracionais e rotacionais. Queremos entender por que, em temperatura ambiente, muitos níveis rotacionais estão ocupados, enquanto os níveis vibracionais geralmente não estão. Para resolver isso, vamos precisar entender conceitos básicos de energia térmica, níveis de energia molecular e como eles se relacionam com a temperatura.
Passo 2
Primeiro, precisamos entender o que são níveis rotacionais e vibracionais. Em uma molécula, os átomos podem vibrar (movimento vibracional) e também podem girar em torno de seus eixos (movimento rotacional). Cada tipo de movimento tem seus próprios níveis de energia quantizados.
Passo 3
Agora, vamos falar sobre a energia necessária para excitar esses movimentos. Os níveis rotacionais têm diferenças de energia menores em comparação com os níveis vibracionais. Isso significa que é preciso menos energia para passar de um nível rotacional para outro do que para os níveis vibracionais.
Passo 4
A energia disponível em uma molécula devido à temperatura é dada pela energia térmica, que pode ser estimada como $ k_B T $, onde $ k_B $ é a constante de Boltzmann e $ T $ é a temperatura. Em temperatura ambiente (cerca de 300 K), $ k_B T $ é aproximadamente 0,025 eV.
Passo 5
Como a diferença de energia entre níveis rotacionais é menor ou comparável à energia térmica $ k_B T $, muitas moléculas podem acessar vários níveis rotacionais mesmo a temperatura ambiente. Isso significa que esses níveis estão facilmente ocupados.
Passo 6
Por outro lado, as diferenças de energia entre níveis vibracionais são geralmente muito maiores do que $ k_B T $. Isso faz com que a maioria das moléculas não tenha energia suficiente para excitar os movimentos vibracionais a temperaturas ambientes, resultando em poucos níveis vibracionais ocupados.
Resposta
Portanto, a razão pela qual muitos níveis rotacionais estão ocupados em temperatura ambiente, enquanto os níveis vibracionais geralmente não estão, é que as diferenças de energia entre os níveis rotacionais são pequenas o suficiente para serem facilmente acessadas pela energia térmica disponível, ao contrário dos níveis vibracionais que requerem energias muito maiores.