O carbonato de cálcio, in natura, é o principal constituinte da rocha calcária. A substância citada acima é muito utilizada na pavimentação de passeios públicos e na obtenção de cal viva (CaO), que é aplicada em pinturas (caiação). A fórmula estrutural do carbonato de cálcio \left(\mathrm{CaCO}_{3}\right) apresenta no seu ânion \left(\mathrm{CO}_{3}{ }^{2-}\right)
a) duas ligações duplas e uma simples.
b) duas ligações simples e uma dupla.
c) duas ligações simples e uma tripla.
d) uma ligação simples e uma dupla.

Passo 1

O enunciado pergunta qual é a disposição das ligações no ânion carbonato \mathrm{CO_3^{2-}}. Ele apresenta as alternativas:
a) duas ligações duplas e uma simples.
b) duas ligações simples e uma dupla.
c) duas ligações simples e uma tripla.
d) uma ligação simples e uma dupla.
Informações relevantes fornecidas pelo enunciado:
  • O íon é \mathrm{CO_3^{2-}}.
  • Há um átomo de carbono ligado a três átomos de oxigênio.
  • A carga total do íon é -2.

Passo 2

Vamos contar os elétrons de valência para montar a estrutura de Lewis do íon.
  • Carbono tem 4 elétrons de valência.
  • Cada oxigênio tem 6 elétrons de valência, e há 3 oxigênios: 3\times6=18.
  • A carga -2 significa que há 2 elétrons extras no total.
    Somando:
4 + 18 + 2 = 24
Logo, o íon \mathrm{CO_3^{2-}} tem 24 elétrons de valência para distribuir.

Passo 3

Montagem da estrutura inicial (esqueleto) e tentativa de completar octetos:
  • Coloca-se o carbono no centro ligado aos três oxigênios por ligações simples. Essas três ligações usam 3\times2=6 elétrons.
  • Restam 24-6=18 elétrons para colocar como pares isolados. O jeito mais natural é completar os octetos dos oxigênios: cada oxigênio ligado por uma única ligação precisa de 6 elétrons como pares isolados (três pares), então 3\times6=18 elétrons são usados — exatamente os que restavam.
  • Após isso, cada oxigênio tem octeto completo, mas o carbono fica com apenas 6 elétrons (três ligações simples) — falta completar o octeto do carbono.
Portanto a estrutura com três ligações simples não satisfaz o octeto do carbono. Precisamos redistribuir elétrons formando ligações múltiplas.

Passo 4

Formação de uma dupla ligação e cálculo de cargas formais:
  • Pega-se um par isolado de um oxigênio e transforma-se em ligação entre C e esse O, formando uma ligação dupla C=O. Agora o carbono tem 4 ligações (octeto completo) e um dos oxigênios ficou com dupla ligação; os outros dois permanecem com ligações simples e três pares isolados cada.
Calculemos as cargas formais para essa estrutura (fórmula usada: \text{carga formal} = V - (N + B), onde V é elétrons de valência do átomo neutro, N é número de elétrons não-ligantes ao redor do átomo e B é o número de ligações que o átomo participa):
\text{FC} = V - (N + B)
  • Para o oxigênio com dupla ligação: V=6, N=4 (dois pares isolados), B=2. Logo \text{FC} = 6 - (4+2)=0.
  • Para cada oxigênio com ligação simples: V=6, N=6 (três pares isolados), B=1. Logo \text{FC} = 6 - (6+1)=-1.
  • Para o carbono: V=4, N=0, B=4. Logo \text{FC} = 4 - (0+4)=0.
As cargas formais somam -1 + -1 + 0 = -2, compatível com a carga do íon. Portanto uma estrutura com uma dupla ligação e duas simples é válida e minimiza cargas formais razoavelmente.

Passo 5

Resonância e equivalência das ligações:
  • A dupla ligação poderia estar com qualquer um dos três oxigênios; assim existem três estruturas-resonância equivalentes, cada uma com uma dupla e duas simples, mas com a dupla em oxigênios diferentes.
  • Na realidade (no híbrido de ressonância) as três ligações C–O são equivalentes e o caráter da ligação é delocalizado. O comprimento e a ordem de ligação são intermediários entre simples e dupla. A ordem de ligação média é
\text{ordem média} = \frac{1 + 1 + 2}{3} = \frac{4}{3} \approx 1{,}33.é
Isto significa que não existem duas duplas fixas e uma simples fixa; cada estrutura-resonância tem uma dupla e duas simples, e o ion real tem três ligações equivalentes com ordem 4/3.

Passo 6

Comparação com as alternativas e conclusão:
  • Alternativa (b) afirma “duas ligações simples e uma dupla” — isso descreve corretamente cada estrutura-resonância individual (e é a maneira usual de desenhar a estrutura de Lewis antes de discutir ressonância).
  • Alternativa (a) “duas duplas e uma simples” é falsa (não existe configuração com duas duplas e uma simples que minimize corretamente as cargas formais).
  • Alternativa (c) “duas simples e uma tripla” é quimicamente improvável e não atende ao octeto do carbono sem criar cargas enormes.
  • Alternativa (d) “uma ligação simples e uma dupla” está incompleta/errada porque o ânion tem três ligações C–O, não apenas duas.
Portanto a alternativa correta é a (b): a estrutura de Lewis típica para \mathrm{CO_3^{2-}} é representada por uma dupla e duas simples (com ressonância entre as três posições).

Resposta

b) duas ligações simples e uma dupla.

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