19- (Chang 2013) Desenhe duas estruturas de ressonância para o diazometano \mathrm{CH}_{2} \mathrm{~N}_{2}. Mostre as cargas formais. O esqueleto estrutural da molécula é:
H
H

Passo 1

O enunciado pede para desenhar duas estruturas de ressonância para a molécula \mathrm{CH_2N_2} e mostrar as cargas formais.
Informações relevantes dadas:
\mathrm{CH_2N_2} (dois hidrogênios ligados ao carbono; os dois nitrogênios ligados entre si formando a parte diazo).
Não há outras figuras fornecidas — a conectividade esperada é \mathrm{H_2C\!-\!N\!-\!N} (carbono ligado a dois H e a um N; esse N ligado ao outro N).

Passo 2

Vamos montar as estruturas de Lewis passo a passo. Primeiro precisamos saber quantos elétrons de valência a molécula tem, para depois distribuir ligações e pares isolados. A conta é:
\text{Elétrons de valência} = 4\;(\text{C}) + 2\cdot1\;(\text{2 H}) + 2\cdot5\;(\text{2 N}) = 4 + 2 + 10 = 16.éê
Esses 16 elétrons têm que ser distribuídos para satisfazer a regra do octeto (quando possível) e formar as ligações. A conectividade básica é \mathrm{H_2C\!-\!N\!-\!N}.

Passo 3

Vou explicar o conceito de carga formal (porque precisamos mostrar as cargas em cada estrutura). A carga formal de um átomo é dada por:
\text{carga formal} = V - \bigl(N_{\text{nb}} + \tfrac{1}{2}N_{\text{b}}\bigr)
onde \;V\; é o número de elétrons de valência do átomo isolado, \;N_{\text{nb}}\; é o número de elétrons não ligantes (pares isolados) atribuídos ao átomo na estrutura de Lewis, e \;N_{\text{b}}\; é o número total de elétrons participando de ligações envolvendo esse átomo (ou seja, soma dos elétrons em todas as ligações ao redor do átomo). Vou aplicar essa fórmula para cada átomo nas estruturas que seguirão.

Passo 4

Primeira estrutura de ressonância: a forma com carga negativa no carbono e ligação simples entre \mathrm{C} e o nitrogênio central, e ligação tripla entre os nitrogênios. Desenho (forma canônica muito usada para diazometano, chamada de forma ylide):
\mathrm{:CH_2^{-}\!-\!N{\equiv}N^{+}}
Agora calculamos as cargas formais explicitamente:
  • Carbono ( \mathrm{C}) nessa estrutura: V=4. Há um par isolado no carbono ( N_{\text{nb}}=2 elétrons) e três ligações (duas C–H e uma C–N), isto é N_{\text{b}}=6 elétrons. Logo
\text{carga formal}_{\mathrm{C}} = 4 - (2 + \tfrac{1}{2}\cdot 6) = 4 - (2 + 3) = -1.
  • Nitrogênio central ( \mathrm{N_{cent}}): V=5. Não tem pares isolados nessa forma ( N_{\text{nb}}=0), e faz uma ligação simples com C e uma ligação tripla com o outro N, no total 4 ligações \Rightarrow N_{\text{b}}=8 elétrons. Logo
\text{carga formal}_{\mathrm{N_{cent}}} = 5 - (0 + \tfrac{1}{2}\cdot 8) = 5 - 4 = +1.
  • Nitrogênio terminal ( \mathrm{N_{term}}): V=5. Tem um par isolado ( N_{\text{nb}}=2 elétrons) e uma ligação tripla ( N_{\text{b}}=6 elétrons). Logo
\text{carga formal}_{\mathrm{N_{term}}} = 5 - (2 + \tfrac{1}{2}\cdot 6) = 5 - (2 + 3) = 0.
Resumo dessa forma: \mathrm{C^{-}}, \mathrm{N_{cent}^{+}}, \mathrm{N_{term}^{0}}. A molécula é globalmente neutra pois as cargas somam zero.

Passo 5

Segunda estrutura de ressonância: forma com duplas ligações (cumuleno-like) entre \mathrm{C}- \mathrm{N}- \mathrm{N}, transferindo a carga negativa para o nitrogênio terminal:
\mathrm{H_2C\!=\!N^{+}\!=\!N^{-}}
Calculamos as cargas formais:
  • Carbono ( \mathrm{C}) aqui: V=4. Não tem pares isolados ( N_{\text{nb}}=0). Faz duas ligações simples com H (4 elétrons) e uma dupla ligação com N (4 elétrons), total N_{\text{b}}=8. Assim
\text{carga formal}_{\mathrm{C}} = 4 - (0 + \tfrac{1}{2}\cdot 8) = 4 - 4 = 0.
  • Nitrogênio central ( \mathrm{N_{cent}}): V=5. Sem pares isolados ( N_{\text{nb}}=0). Dupla ligação para o C e dupla ligação para o N terminal \Rightarrow N_{\text{b}}=8. Então
\text{carga formal}_{\mathrm{N_{cent}}} = 5 - (0 + \tfrac{1}{2}\cdot 8) = 5 - 4 = +1.
  • Nitrogênio terminal ( \mathrm{N_{term}}): V=5. Tem dois pares isolados ( N_{\text{nb}}=4 elétrons) e uma dupla ligação ( N_{\text{b}}=4 elétrons). Logo
\text{carga formal}_{\mathrm{N_{term}}} = 5 - (4 + \tfrac{1}{2}\cdot 4) = 5 - (4 + 2) = -1.
Resumo dessa forma: \mathrm{C^{0}}, \mathrm{N_{cent}^{+}}, \mathrm{N_{term}^{-}}.

Passo 6

Interpretação e comparação rápida (palavreado de amigo): as duas estruturas que desenhamos são contribuintes de ressonância importantes para \mathrm{CH_2N_2}. Em ambas o nitrogênio central carrega carga positiva ( +1), mas a carga negativa aparece em locais diferentes nas duas formas: em uma no carbono ( \mathrm{C^{-}}), na outra no nitrogênio terminal ( \mathrm{N^{-}}). A verdadeira molécula é um híbrido dessas formas — isso explica por que diazometano tem caráter parcial de ambas as descrições (alguma densidade eletrônica no carbono, alguma no nitrogênio terminal). Em provas, normalmente pedem exatamente essas duas formas como os principais contribuintes de ressonância.

Resposta

\mathrm{:CH_2^{-}\!-\!N{\equiv}N^{+}}
\mathrm{H_2C\!=\!N^{+}\!=\!N^{-}}

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