28- (Chang 2013) O isocianato de metila ( \mathrm{CH}_{3} \mathrm{NCO} ) é usado para produzir certos pesticidas. Em dezembro de 1984, em uma indústria química, houve infiltração de água em um tanque contento essa substância. Como resultado, formou-se uma nuvem tóxica que
matou milhares de pessoas em Bopal, Índia. Desenhe estruturas de Lewis para \mathrm{CH}_{3} \mathrm{NCO}, mostrando as cargas formais.

Passo 1

O que o enunciado pede: desenhar as estruturas de Lewis para \mathrm{CH_3NCO} mostrando as cargas formais.
Informações dadas e que precisamos usar: a fórmula molecular \mathrm{CH_3NCO}. Não há figura nem restrição extra, então devemos decidir a conectividade dos átomos a partir da química conhecida (grupo isocianato). Lista de átomos e elétrons de valência que temos que considerar (apenas identificação aqui, sem calcular ainda): \mathrm{C}, \mathrm{H}, \mathrm{N}, \mathrm{O}.
A resolução começa no próximo passo.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência (passo obrigatoriamente inicial para qualquer estrutura de Lewis). Vamos somar os elétrons de valência de cada átomo de \mathrm{CH_3NCO}:
\begin{aligned} \text{C (cada)}&:\;4\text{ elétrons},\\ \text{há 2 átomos de C} \Rightarrow 2\times4=8\\\ \text{H (cada)}&:\;1\text{ elétron},\\ \text{há 3 H} \Rightarrow 3\times1=3\\\ \text{N}&:\;5\text{ elétrons}\\\ \text{O}&:\;6\text{ elétrons}\\\ \text{Total}&:\;8+3+5+6=22\\ \text{elétrons de valência} \end{aligned}éááéáéééê
Então temos \;22 elétrons de valência para distribuir nas ligações e pares isolados.

Passo 3

Escolha da conectividade (esqueleto). O grupo funcional “isocianato” tem a conectividade típica \mathrm{R\!-\!N\!=\!C\!=\!O}. Para \mathrm{CH_3NCO} a conectividade razoável (e a mais conhecida) é:
\mathrm{H_3C\!-\!N\!=\!C\!=\!O}.
Não há alternativa óbvia com átomo isolado; esta conectividade coloca o nitrogênio ligado ao radical metila e ao carbono carbonílico, formando a sequência \mathrm{C_{(metila)}\!-\!N\!=\!C\!=\!O}.

Passo 4

Desenhar as ligações simples iniciais e contar os elétrons usados em ligações. Cada ligação simples usa 2 elétrons. Na conectividade escolhida temos:
  • três ligações \mathrm{C\!-\!H} no grupo \mathrm{CH_3}: 3\times2=6 elétrons;
  • uma ligação \mathrm{C_{metila}\!-\!N}: 2 elétrons;
  • uma ligação dupla \mathrm{N\!=\!C}: 4 elétrons (se formos já supor dupla N=C);
  • uma ligação dupla \mathrm{C\!=\!O}: 4 elétrons.
Somando os elétrons colocados em ligações:
6 + 2 + 4 + 4 = 16\\ \text{elétrons em ligações}.éçõ
Elétrons restantes para pares isolados:
22 - 16 = 6\\ \text{elétrons (ou 3 pares) para distribuir como pares isolados}.é

Passo 5

Distribuir os elétrons restantes para completar octetos, dando prioridade aos átomos mais eletronegativos (oxigênio primeiro). O oxigênio ligado ao carbono ( \mathrm{C\!=\!O}) já participa de uma dupla ligação (4 elétrons ligados). Para completar o octeto, o oxigênio precisa de mais 4 elétrons (dois pares). Atribuímos dois pares ao oxigênio: isso usa 4 dos 6 elétrons restantes. Restam 2 elétrons (um par) que devem ir preferencialmente ao nitrogênio (próximo átomo exterior que precisa completar seu octeto).
Agora vamos checar os octetos:
  • Oxigênio: tem 4 elétrons da dupla ligação + 4 elétrons dos dois pares isolados = 8 elétrons → octeto ok.
  • Carbono central ( \mathrm{C_{(=O)}}): ligado por duas duplas (uma com N e uma com O) → 8 elétrons ao todo → octeto ok.
  • Nitrogênio: ligado por uma simples ao \mathrm{C_{metila}} (2 elétrons) e por uma dupla ao carbono central (4 elétrons) → 6 elétrons em ligações; recebeu 1 par isolado (2 elétrons) → total 8 → octeto ok.
  • Carbono do \mathrm{CH_3}: tem 3 ligações C–H e 1 ligação C–N → 8 elétrons → octeto ok.
  • Hidrogênios: cada H tem 2 elétrons na ligação C–H → ok.
Portanto, com uma dupla N=C e uma dupla C=O, e com N contendo um par isolado e O contendo dois pares isolados, todos têm octeto (exceto Hs, que têm duetos).

Passo 6

Calcular cargas formais para verificar estabilidade. Fórmula da carga formal:
\text{FC} = V - \bigl(N_{\text{não-compartilhados}} + \tfrac{1}{2}N_{\text{compartilhados}}\bigr),ã
onde V é o número de elétrons de valência do átomo isolado.
Vamos calcular átomo a átomo:
  • Para o oxigênio ( \mathrm{O}): V=6. Não-compartilhados = 4 elétrons (dois pares). Compartilhados = 4 elétrons (dupla ligação) ⇒ metade = 2.
\text{FC}_\mathrm{O} = 6 - (4 + 2) = 0.
  • Para o carbono central ( \mathrm{C_{(=O)}}): V=4. Não-compartilhados = 0. Compartilhados = 8 elétrons (duas duplas) ⇒ metade = 4.
\text{FC}_{\mathrm{C_{cent}}} = 4 - (0 + 4) = 0.
  • Para o nitrogênio ( \mathrm{N}): V=5. Não-compartilhados = 2 elétrons (um par). Compartilhados = 6 elétrons (uma simples + uma dupla = 3 ligações) ⇒ metade = 3.
\text{FC}_\mathrm{N} = 5 - (2 + 3) = 0.
  • Para o carbono do metila ( \mathrm{C_{met}}): V=4. Não-compartilhados = 0. Compartilhados = 8 elétrons (três C–H + C–N) ⇒ metade = 4.
\text{FC}_{\mathrm{C_{met}}} = 4 - (0 + 4) = 0.
  • Hidrogênios: cada H tem V=1, não-compartilhados 0, compartilhados 2 ⇒ FC =1-(0+1)=0.
Conclusão: todos os átomos têm carga formal \;0. Esta é uma estrutura muito favorável (cargas formais mínimas).

Passo 7

Verificação de possíveis estruturas ressonantes e porque a estrutura dada é a melhor. Uma alternativa possível seria tentar um esquema com N≡C–O (i.e., nitrogênio com tripla ligação ao carbono e uma ligação simples C–O), mas isso move elétrons para o oxigênio e normalmente gera cargas formais: na alternativa \mathrm{H_3C\!-\!N\equiv C\!-\!O} o oxigênio teria carga negativa e o nitrogênio carga positiva (ou outras combinações com cargas não nulas). Calculando formalmente, essas alternativas gerariam cargas formais diferentes de zero e um íon no oxigênio, sendo menos estáveis que a estrutura limpíssima que encontramos (todas cargas zero). Portanto a estrutura com \mathrm{H_3C\!-\!N\!=\!C\!=\!O}, N com um par isolado e O com dois pares isolados, é a representação de Lewis adequada e preferível.

Passo 8

Escrever a estrutura final de Lewis de forma clara, indicando pares isolados e cargas formais. Em palavras e símbolos (toda a matemática e fórmulas em TeX):
Ligação e pares isolados:
\mathrm{H_3C\!-\!N: \;=\; C\;=\; O:\!:}
Descrição: o nitrogênio ( \mathrm{N}) tem um par isolado (um par de elétrons não compartilhado). O oxigênio ( \mathrm{O}) tem dois pares isolados (dois pares de elétrons não compartilhados). Todas as ligações estão mostradas como \mathrm{C_{met}\!-\!N}, \mathrm{N\!=\!C} e \mathrm{C\!=\!O}. As cargas formais em todos os átomos são \;0.

Resposta

\mathrm{H_3C\!-\!N\!(:)\!=\!C\!=\!O\!(:\!:)} com N tendo um par isolado, O tendo dois pares isolados, e todas as cargas formais iguais a 0.

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