03 - Desenhe as estruturas de Lewis e calcule a carga formal para cada átomo das espécies:
e
Passo 1
O enunciado pede, para cada uma destas espécies, que eu:
- desenhe a estrutura de Lewis;
- calcule a carga formal de cada átomo.
As espécies são:
,
e
.
Informações úteis fornecidas implicitamente pelo enunciado (que vou usar depois):
- tipos de átomos presentes:
, , , ; - as cargas globais das espécies: neutra para
, para , para .
Passo 2
Antes de começar a desenhar, vamos revisar as regras e a ferramenta que usaremos (aqui é a “aula rápida” para você poder repetir isso na prova):
- Contagem de elétrons de valência: cada átomo contribui com seu número de elétrons de valência livres. Valores que usaremos:
, , , . - Para íons, a carga altera o total de elétrons de valência: se a espécie tem carga
, soma-se elétrons; se tem carga , subtrai-se elétrons. - Regra do octeto: na maioria dos átomos de segunda linha (
) procuramos 8 elétrons (contando elétrons de ligação e pares não-ligantes). obedece à “dupla” (2 elétrons). - Procedimento prático para montar a estrutura:
- conte o total de elétrons de valência;
- monte um esqueleto (átomo menos eletronegativo (exceto H) no centro; H sempre terminal);
- coloque ligações simples ligando todos os átomos (cada ligação = 2 elétrons);
- distribua os elétrons restantes como pares não-ligantes primeiro nas periferias para completar octetos;
- se algum átomo (geralmente C, N, O) ficar sem octeto, transforme pares isolados em ligações múltiplas (duplas/triplas) conforme necessário;
- calcule cargas formais e, se possível, minimize-as (estruturas com menores cargas formais e cargas negativas em átomos mais eletronegativos são preferíveis).
- Fórmula da carga formal (que vamos aplicar a cada átomo):
onde
é o número de elétrons de valência do átomo isolado,
é o número de elétrons não-ligantes em pares, e
é o número total de elétrons envolvidos em ligações ao redor do átomo (cada ligação conta 2 elétrons).
Passo 3
- Contar elétrons de valência:
A espécie é neutra, então não ajustamos mais nada.
-
Esqueleto razoável: o carbono fica no centro ligado a um
e a duas . Como deve ser terminal, uma estrutura plausível é o ácido fórmico: . -
Primeiro coloque ligações simples: cada ligação usa
elétrons.
- Ligações:
, , e . Isso dá ligações simples = elétrons usados. - Restam
elétrons para distribuir como pares não-ligantes.
- Completar octetos nos átomos periféricos (oxigênios) primeiro:
- Se colocarmos 3 pares (6 elétrons) em um
e 4 pares (8 elétrons) no outro, passaríamos do total. Então vamos tentar completar com pares de modo a dar octeto. - Uma disposição que funciona é transformar uma das ligações
em dupla; isto consome pares de elétrons e permite cumprir octetos com exatos elétrons restantes.
Montagem final (contagem detalhada):
- Depois das ligações simples usamos
elétrons; restam . - Colocamos 4 elétrons (2 pares) como pares livres no oxigênio que ficará duplamente ligado (
) — esse oxigênio terá então 2 pares (4 elétrons) não-ligantes. - No oxigênio ligado via
colocamos 6 elétrons (3 pares) não-ligantes.
Verificando:elétrons usados; total fecha.
-
Estrutura final em palavras: carbono com uma ligação simples a
, uma ligação dupla a um oxigênio (carbonila) e uma ligação simples ao grupo (hidroxila). -
Agora calculamos cargas formais com a fórmula. Vou calcular para cada átomo:
- Para o carbono (
): . Não tem pares não-ligantes ( ). Tem ligações efetivas (uma , uma simples e uma dupla — no total elétrons). Então
- Para o oxigênio carbonílico (
com dupla ligação): . Tem elétrons (dois pares) e elétrons (dupla). Logo
- Para o oxigênio da hidroxila (
): . Tem elétrons (dois pares) e elétrons (ligações e são duas simples = 4 elétrons). Assim
- Para cada hidrogênio:
, , elétrons (ligações simples). Então
Conclusão para
: todos os átomos têm carga formal
. A estrutura é a do ácido fórmico,
.
Passo 4
- Contar elétrons de valência:
-
Esqueleto razoável: carbono central ligado aos três oxigênios (um oxigênio por ligação). Colocamos inicialmente três ligações simples: isso usa
elétrons. Restam elétrons para distribuir. -
Distribuir pares não-ligantes nos oxigênios para completar octetos:
- Cada oxigênio precisa atingir octeto. Se deixássemos apenas ligações simples, cada oxigênio precisaria de 6 elétrons (3 pares) como pares não-ligantes para completar octeto, o que daria
elétrons — exatamente os que restavam. Então a configuração com três ligações simples e todos os pares nas periferias também fecha o total de elétrons. Mas nessa configuração o carbono teria apenas 6 elétrons (violando o octeto). - Para dar octeto ao carbono, uma boa solução é transformar uma das ligações
em dupla. Assim teremos uma C=O e duas C–O simples. Essa mudança é também favorecida para minimizar cargas formais.
-
Estruturas de ressonância: existem três estruturas equivalentes onde a dupla se localiza em um dos três oxigênios. Escrevemos então três formas resonantes com a carga total
. -
Calcular cargas formais em uma das formas (as outras são análogas):
- Para o carbono (
): , , elétrons (uma dupla + duas simples = 4+2+2 =8). Assim
- Para o oxigênio que forma a dupla (
): , , . Logo
- Para cada oxigênio com ligação simples (
): , (três pares) e elétrons (ligação simples). Assim
Verificação: soma das cargas formais
, consistente com a carga total do íon.
- Interpretação: as três estruturas de ressonância distribuem simetricamente a carga negativa entre os três oxigênios; na representação real (resonância) cada oxigênio tem carga formal média de
, mas em termos de estruturas limite, dois oxigênios estão com cada e um oxigênio com (naquele limite). Geralmente descrevemos como: carbono ; um oxigênio (o duplamente ligado em cada forma); dois oxigênios cada — e há três estruturas ressonantes equivalentes.
Passo 5
-
Identificar a estrutura provável: é o cátion resultante da protonação da metilamina
. A estrutura é , ou seja, o nitrogênio ligado ao grupo metila e a três hidrogênios, com carga total . -
Contagem rápida de elétrons (verificação):
sem necessidade detalhada aqui, a estrutura é óbvia: ligações simples entre C–H (três), C–N (uma), N–H (três). Nitrogênio neste cátion tem quatro ligações sigma (sem pares livres), como em um íon amônio. -
Cálculo de cargas formais:
- Para o carbono
do grupo metila: . Está ligado a três e a um : total de ligações = elétrons de ligação. Não tem pares não-ligantes. Logo
- Para o nitrogênio
: . No cátion protonado ele forma quatro ligações (uma ao carbono e três a hidrogênios) e não possui par isolado. Assim e elétrons. Então
- Para cada hidrogênio (seja do metila ou do grupo amônio):
, ligados por uma única ligação (2 elétrons), logo
Verificação: soma das cargas formais
(C)
(N)
(todos H) =
, consistente com a carga do íon.