11-A partir das configurações eletrônicas dos átomos constituintes e das estruturas de Lewis:
a) determine as fórmulas dos compostos mais simples que se formam entre os elementos:
I. hidrogênio e carbono;
II. hidrogênio e fósforo.
b) Qual é a geometria de cada uma das moléculas formadas, considerando-se o número de pares de elétrons?
Números atômicos: \mathrm{H}=1 ; \mathrm{C}=6 ; \mathrm{P}=15.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas:
  1. Parte (a): a partir das configurações eletrônicas e das estruturas de Lewis, determinar as fórmulas dos compostos mais simples que se formam entre os pares de elementos:
    I. hidrogênio e carbono;
    II. hidrogênio e fósforo.
  2. Parte (b): qual é a geometria de cada uma das moléculas formadas, “considerando-se o número de pares de elétrons” (ou seja, contar pares de ligação e pares isolados ao redor do átomo central).
Informações dadas: números atômicos \mathrm{H}=1, \mathrm{C}=6, \mathrm{P}=15.
Não há figuras nem dados adicionais.

Passo 2

Vamos começar obtendo as configurações eletrônicas e, a partir delas, os elétrons de valência (que participam das ligações).
Explicação rápida (o básico que precisamos): a configuração eletrônica mostra como os elétrons ocupam orbitais. Os elétrons de valência são os que estão nos níveis de energia mais externos (maior número quântico principal) e são os que formam ligações químicas.
Configurações eletrônicas:
\text{H: }1s^1
\text{C: }1s^2\,2s^2\,2p^2
\text{P: }1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
Agora os elétrons de valência (contamos apenas o último nível energético):
\text{H tem }1\text{ elétron de valência}éê
\text{C tem }4\text{ elétrons de valência} \; (2s^2 2p^2)éê
\text{P tem }5\text{ elétrons de valência} \; (3s^2 3p^3)éê

Passo 3

Estratégia para formar a fórmula mais simples: juntar átomos de modo que cada átomo atinja a regra do octeto (ou duetos para o hidrogênio). Relembre: H quer 2 elétrons (dueto); elementos do 2º período (como C) tendem a completar 8 elétrons; P (3º período) também frequentemente segue o octeto em compostos simples como o pedido.
Contagem de elétrons e princípio de construção de Lewis:
  • Cada ligação simples usa um par de elétrons (2 elétrons).
  • O total de elétrons de valência do conjunto nos diz quantas ligações e pares isolados existirão.
Vamos aplicar isso a cada caso.

Passo 4

Caso I: hidrogênio e carbono.
  1. Contagem dos elétrons de valência no composto mais simples que contenha um átomo de carbono e hidrogênios suficientes para satisfazer as valências:
\text{C: }4 \quad\text{e cada H: }1
Se pegarmos 4 átomos de H com 1 C:
\text{elétrons de valência totais} = 4(\text{H})\times 1 + 1(\text{C})\times 4 = 4+4 = 8\\ \text{elétrons}éêé
Isso dá 8/2=4 pares de elétrons para distribuir.
  1. Regra do dueto para H: cada H precisa de 1 ligação simples (2 elétrons) para ficar estável. Portanto, colocar cada H ligado ao C com uma ligação simples gasta 4 pares (um par por ligação), que é exatamente o total disponível. Então a estrutura Lewis é C central com quatro ligações simples a quatro átomos H.
  2. Verificação do octeto para o C: C tem 4 ligações (4 pares compartilhados) totalizando 8 elétrons ao redor dele — octeto satisfeito.
Portanto, a fórmula mais simples e estável é \mathrm{CH_4} (metano).

Passo 5

Desenho da estrutura de Lewis para \mathrm{CH_4} e contagem de pares de elétrons (passo-a-passo didático):
  1. Escrevemos C no centro (pois é o menos eletronegativo dos envolvidos e pode fazer várias ligações) e colocamos 4 H ao redor.
  2. Ligamos cada H ao C com um par de elétrons (uma ligação simples). Cada ligação usa 2 elétrons; 4 ligações usam 8 elétrons — exatamente o total.
  3. Não sobra par isolado (lone pair) no átomo central. Portanto temos 4 pares de ligação e 0 pares isolados no C.
Explicando o que isso significa para a forma molecular (introdução ao VSEPR de forma simples): A teoria VSEPR (valence-shell electron-pair repulsion) diz que os pares de elétrons ao redor do átomo central se arranjam para minimizar repulsões. Com 4 pares de ligação e 0 pares isolados, os pares ficam nos vértices de um tetraedro regular.
Resultado para \mathrm{CH_4}: geometria molecular tetraédrica, ângulo entre ligações \approx 109{,}5^\circ.

Passo 6

Caso II: hidrogênio e fósforo.
  1. Contagem dos elétrons de valência para um fóco central P ligado a hidrogênios: P tem 5 elétrons de valência. Se ligarmos 3 hidrogênios:
\text{elétrons de valência totais} = 1(\text{P})\times 5 + 3(\text{H})\times 1 = 5+3 = 8\\ \text{elétrons}éêé
Novamente 8/2=4 pares de elétrons totais.
  1. Distribuição provável: para satisfazer o dueto dos 3 H, precisamos de 3 ligações simples P–H (3 pares). Isso usa 3 dos 4 pares. Resta 1 par de elétrons que ficará como par isolado (lone pair) no fósforo.
  2. Verificação do octeto para P: ao formar 3 ligações simples, P “compartilha” 6 elétrons em ligações + tem 2 elétrons no par isolado = 8 elétrons ao redor — octeto satisfeito.
Portanto, o composto mais simples esperado é \mathrm{PH_3} (fosfina).

Passo 7

Estrutura de Lewis para \mathrm{PH_3} e geometria segundo o número de pares:
  1. Estrutura: P no centro com três ligações simples a três H e um par isolado em P. Em total: 3 pares de ligação + 1 par isolado = 4 domínios eletrônicos ao redor de P.
  2. Pelo raciocínio VSEPR: quatro domínios eletrônicos preferem uma distribuição tetraédrica se considerarmos a geometria eletrônica (os locais que ocupam espaço formam um tetraedro). Porém, um dos domínios é um par isolado; na nomenclatura de geometria molecular, há diferença entre:
    • geometria eletrônica (contando todos os pares) — aqui é tetraédrica;
    • geometria molecular (contando apenas posições de átomos) — aqui é piramidal trigonal (três átomos em uma base triangular e o átomo central deslocado para cima por causa do par isolado).
  3. Observação didática sobre ângulo de ligação: pares isolados ocupam mais espaço que pares de ligação, tendendo a reduzir os ângulos entre ligações. Para uma molécula com 3 ligações + 1 lone pair (como \mathrm{NH_3}), o ângulo típico é menor que 109{,}5^\circ (próximo de 107^\circ no caso do amoníaco). No caso real de \mathrm{PH_3}, efeitos eletrônicos específicos fazem o ângulo ainda menor, mas para a prova o importante é reconhecer a geometria molecular: piramidal trigonal.

Passo 8

Resumo final didático e incentivo: concluímos passo a passo usando configuração eletrônica para achar elétrons de valência, construindo a estrutura de Lewis contando pares de elétrons e aplicando VSEPR para determinar a geometria. Você conseguiu! Isso é exatamente o que pedem na prova: contar elétrons, montar Lewis, contar pares (ligações vs lone pairs) e aplicar VSEPR.

Resposta

a I) \mathrm{CH_4}\n
a II) \mathrm{PH_3}\n
b I) tetraédrica (4 pares de ligação, ângulo \approx 109{,}5^\circ)\n
b II) piramidal trigonal (3 pares de ligação + 1 par isolado; geometria eletrônica tetraédrica; geometria molecular piramidal)

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