Calcule a carga formal e mostre a estrutura mais estável para as espécies: íon sulfato, íon carbonato, íon perclorato, formaldeído e íon acetato.
Passo 1
Você pediu para calcular a carga formal e indicar a estrutura (ou a forma de ressonância) mais estável para as espécies: íon sulfato, íon carbonato, íon perclorato, formaldeído e íon acetato.
Informações relevantes (explicitadas): as espécies são ,
,
,
(formaldeído) e
(íon acetato). Não foram fornecidas figuras; vou trabalhar com as fórmulas padrão e as estruturas de Lewis usuais.
Informações relevantes (explicitadas): as espécies são
Passo 2
Primeiro, a regra do jogo: como calcular carga formal de forma clara e reutilizável. A fórmula que usaremos é
onde
-
é o número de elétrons de valência livres do átomo no estado isolado (por exemplo, , , , , ), -
é o número de elétrons não-ligantes (pares isolados) do átomo na estrutura de Lewis, -
é o número total de elétrons envolvidos em ligações ao redor do átomo (número de elétrons que participam de ligações química com esse átomo).
Explicando de forma intuitiva: a carga formal conta quantos elétrons “pertencem” ao átomo na estrutura comparado ao átomo isolado. Quando fazemos ligações, cada ligação compartilha elétrons; a fórmula subtrai metade desses elétrons (porque são compartilhados) e também subtrai os elétrons que estão totalmente no átomo (pares). Resultado positivo significa déficit de elétrons (carga parcial positiva), negativo significa excesso (carga parcial negativa).
Critérios para escolher a estrutura de ressonância mais estável (que usarei ao comparar possíveis Lewis):
- Minimizar a magnitude das cargas formais (menores |FC| no total).
- Colocar cargas negativas em átomos mais eletronegativos (ex.: oxigênio prefere carregar carga negativa antes de sulfuro, cloro, carbono).
- Evitar separação grande de cargas (muito + separado de muito - é desfavorável).
- Quando possível, usar estruturas com octeto satisfeito para átomos de segunda linha (C, N, O, F). Para elementos do terceiro período ou além (S, Cl) a expansão do octeto é permitida e pode levar a estruturas com menores cargas formais.
Vou aplicar a fórmula e os critérios em cada espécie passo a passo.
Passo 3
Total de elétrons de valência:
,
, carga
mais
elétrons. Total
elétrons para distribuir. Estrutura central óbvia: átomo de S ligado a quatro oxigênios.
Duas classes de esboços importantes:
A) Todas ligações S–O simples, cada O com três pares isolados.
B) Estruturas com duas ligações duplas S=O e duas S–O simples (essas podem ser permutadas entre os quatro O, gerando ressonância).
A) Todas ligações S–O simples, cada O com três pares isolados.
B) Estruturas com duas ligações duplas S=O e duas S–O simples (essas podem ser permutadas entre os quatro O, gerando ressonância).
Vou calcular as cargas formais nas duas situações para comparar.
Passo 4
Na configuração com quatro ligações simples:
- Cada ligação S–O tem 2 elétrons; S tem 4 ligações simples
elétrons ligados a S. - Não há pares isolados no S nessa representação, então
.
Aplicando a fórmula para S:
Para cada oxigênio (ligado por simples):
(três pares),
.
Total de cargas:
(coerente com a carga do íon). Mas aqui temos cargas formais grandes em módulo (
e
), o que tende a ser menos estável.
Passo 5
Agora consideramos uma estrutura canônica com duas S=O e duas S–O simples. Calcule as cargas:
- Para um oxigênio com dupla ligação:
(dois pares), .
- Para um oxigênio com ligação simples:
, .
- Para o enxofre, ele participa de duas ligações duplas e duas simples: total de elétrons de ligação
.
Resultado:
, dois
, dois
. Existem várias estruturas equivalentes (escolhendo quais dois oxigênios têm dupla ligação) — na verdade
contribuintes canônicos. Pela superposição (ressonância) a carga negativa fica delocalizada entre os quatro oxigênios, resultando em carga parcial de
em cada oxigênio no híbrido de ressonância. Essa representação reduz a magnitude de cargas formais e coloca as cargas negativas em oxigênio (mais eletronegativo) — portanto é energeticamente preferível à configuração com S de +2.
Passo 6
Aplicando os critérios: as estruturas com duas ligações duplas (caso B) são mais importantes (maior contribuição) porque minimizam cargas formais (S fica com
ao invés de
) e colocam as cargas negativas nos oxigênios. Logo a estrutura mais estável é o híbrido de ressonância formado pelos seis contribuintes com duas S=O e duas S–O^-; no híbrido cada O tem carga formal média
.
Passo 7
Total de elétrons de valência:
,
, carga
mais
. Total
elétrons. Estrutura central: C ligado a três O.
A estrutura canônica típica tem uma ligação dupla C=O e duas ligações simples C–O^- (isso gera três estruturas equivalentes por permutar qual O é dupla).
Passo 8
Para o carbono ligado a uma dupla e duas simples:
- Carbono:
, ligações: dupla (4 e) + simples (2) + simples (2) total .
- Oxigênio duplamente ligado:
, .
- Cada oxigênio ligado simples:
, .
Existem 3 estruturas de ressonância equivalentes (uma para cada oxigênio dupla). No híbrido de ressonância a carga negativa fica delocalizada entre os dois oxigênios simples (na média cada oxigênio tem
? Não — cuidado: o total de carga é
; em cada estrutura canônica dois oxigênios têm
e um tem
. O híbrido simétrico faz com que cada oxigênio efetivamente carregue
se você dividir igualmente, mas o ponto importante é: carga negativa é delocalizada entre os três O, tornando as ligações equivalentes com ordem de ligação média
.)
Passo 9
A estrutura mais estável é o híbrido de ressonância das três estruturas com uma ligação dupla C=O e duas C–O^-. O carbono e o oxigênio duplamente ligado têm carga formal
, os dois oxigênios simples têm
na forma canônica, mas no híbrido a carga negativa é distribuída igualmente entre os três átomos de oxigênio.
Passo 10
Total de elétrons de valência:
,
, carga
mais
. Total
elétrons. Estrutura central: Cl ligado a quatro oxigênios.
Consideramos representações possíveis que reduzem cargas formais. Duas classes: A) quatro ligações simples (cada O com
), B) estruturas com três ligações duplas e uma simples (ou outras combinações). Vou comparar contribuintes típicos.
Passo 11
Se todas ligações Cl–O forem simples:
-
: , .
- Cada O (simples):
, .
Somaok, mas essa forma tem grande separação de carga e carga positiva alta no cloro, não é preferível.
Passo 12
Considere uma estrutura com três O dupla e uma O simples (há 4 estruturas equivalentes, escolhendo qual O é simples). Cálculos:
- Para
: ligações = elétrons de ligação, .
- Oxigênio duplamente ligado:
, . - Oxigênio simples:
, .
Resultado por estrutura canônica:, três , uma . Existem 4 contribuintes (cada um com o localizado em um O diferente). No híbrido, a carga negativa fica igualmente delocalizada por todos os 4 oxigênios, então cada O tem carga média .
Observação sobre expansão do octeto: aqui o cloro ultrapassa o octeto (tem 14 elétrons ao redor) — isso é permitido para elementos do terceiro período e além. Pela regra de minimização de cargas formais, essas estruturas (com
e um
cada) são energeticamente muito melhores que a forma com
.
Passo 13
As estruturas mais estáveis são os quatro contribuintes de ressonância com três ligações duplas Cl=O e uma Cl–O^- (permutadas). No híbrido, a carga negativa está igualmente distribuída entre os quatro oxigênios. Em resumo: favorece-se estruturas que minimizam a carga formal do cloro (colocando a carga negativa nos oxigênios, mais eletronegativos).
Passo 14
Formaldeído (metanal) tem a estrutura típica com carbono central ligado a dois H e a um oxigênio por dupla ligação:
com duas ligações simples C–H e C=O. Contagem de elétrons: não é necessário recontar aqui, estrutura padrão bem conhecida.
Cálculos de carga formal:
- Hidrogênio:
, em cada H há uma ligação simples (2 elétrons, metade para H é 1), sem pares isolados: , .
- Carbono: ligações
ligações C–H (2+2) e C=O (4) total .
- Oxigênio (dupla):
, .
Todas cargas formais são zero — formaldeído é neutro com átomos sem carga formal na estrutura canônica predominante. Existem formas menores de ressonância (por exemplo, estrutura iônica com
e
), mas essas têm energia muito maior e pouca contribuição porque aumentam separação de carga e colocam carga positiva no carbono (menos estável). Assim a representação com C=O é a mais estável e dominante.
Passo 15
O íon acetato tem grupo metila ligado ao grupo carboxilato. A parte importante é o grupo
, que tem duas estruturas de ressonância equivalentes: uma com C=O e C–O^- e outra com as posições dos oxigênios trocadas.
Calculemos as cargas na forma canônica (uma das duas):
- Carbono carbonílico (o ligado ao oxigênio): ligações são C–C (2 e), C=O (4 e), C–O (2 e) total
, .
- Oxigênio duplamente ligado:
, . - Oxigênio ligado simples:
, . - Carbono do grupo metila: ligações e pares dão
. Hidrogênios também .
Existem 2 estruturas de ressonância equivalentes (a carga negativa pode ficar em um ou outro oxigênio). No híbrido, a carga negativa é compartilhada igualmente entre os dois oxigênios, cada um com carga média
. Isso explica porque todas as ligações C–O no grupo carboxilato têm comprimentos idênticos intermediários entre simples e dupla.
Passo 16
- Use sempre
. - Procure estruturas que minimizem magnitudes de cargas formais e que coloquem cargas negativas em átomos mais eletronegativos.
- Para ânions oxigenados (sulfato, carbonato, perclorato, acetato), as estruturas de ressonância em que as cargas negativas estão sobre oxigênios e o átomo central tem carga formal mais baixa são as mais estáveis.
- Formaldeído não tem ressonância significativa que contribua fortemente; a estrutura com C=O é a dominante e todas as cargas formais são zero.
Resposta
íon sulfato
: melhores contribuintes têm
com
, dois
com
e dois
com
(existem 6 estruturas equivalentes com duas S=O e duas S–O^-); híbrido de ressonância delocaliza a carga
uniformemente sobre os quatro O (carga média
por O).\n
íon carbonato : cada estrutura canônica tem
com
, um
com
e dois
com
; existem 3 estruturas equivalentes (uma C=O e duas C–O^-); híbrido de ressonância delocaliza a carga
entre os três O.\n
íon perclorato : contribuintes preferenciais têm
com
, três
com
e um
com
(4 estruturas equivalentes, cada uma com um O^- diferente); híbrido delocaliza a carga
entre os quatro O (carga média
por O).\n
formaldeído : estrutura predominante
com todas as cargas formais zero (
); nenhuma ressonância importante contribui significativamente.\n
íon acetato : duas estruturas de ressonância equivalentes para o grupo carboxilato; em cada estrutura
,
,
; híbrido delocaliza a carga
igualmente entre os dois oxigênios (cada O com carga média
).
íon carbonato
íon perclorato
formaldeído
íon acetato