Considere um composto formado por três átomos de flúor e um átomo de nitrogênio. Dado de número atômico: \mathrm{N}=7, \mathrm{~F}=9.
a) Deduza quatro possíveis estruturas (desde que contemple todos os critérios necessários de ligação química) para este composto
b) Calcule a carga formal para cada uma das estruturas
c) Indique qual a estrutura correta dentre as propostas e justifique

Passo 1

O que o enunciado dá e o que pede (pegando já o que vem dos números atômicos):
  • Há um composto formado por três átomos de flúor e um átomo de nitrogênio.
  • Números atômicos: \mathrm{N}=7, \mathrm{F}=9.
  • Perguntas:
    (a) Deduza quatro possíveis estruturas de Lewis (que respeitem os critérios de ligação química).
    (b) Calcule a carga formal de cada átomo em cada estrutura.
    (c) Indique qual estrutura é a correta e justifique.
Informações relevantes que vamos usar (tiradas dos números atômicos e regras de química):
  • O nitrogênio tem \,5 eletróns de valência (pois \mathrm{N}=7 → configuração externa 2s^2 2p^3).
  • O flúor tem \,7 electróns de valência (pois \mathrm{F}=9 2s^2 2p^5).
  • Total de electróns de valência disponíveis para a molécula: 5 + 3\times 7 = 5 + 21 = 26.
  • Regras que usarei: regra do octeto (cada átomo, salvo H, tende a 8 electróns ao redor), ligações simples/duplas/triplas são pares de electróns partilhados, e a fórmula da carga formal: \text{carga formal} = \text{(electrões de valência do átomo)} - \big(\text{electrões não-ligantes} + \tfrac{1}{2}\,\text{electrões ligantes}\big).õêáõãõ
A partir daqui eu começo a desenhar e comparar estruturas possíveis.

Passo 2

Breve aula prática sobre como construir estruturas de Lewis (pra você poder fazer na prova):
  • Escolher o átomo central: normalmente o menos eletronegativo (aqui é o \mathrm{N}, porque \mathrm{F} é mais eletronegativo). Então o nitrogênio tende a ficar no centro.
  • Distribuir pares de electróns para formar ligações de modo a usar todos os 26 electróns de valência e satisfazer o octeto quando possível.
  • Calcular cargas formais com a fórmula acima para avaliar plausibilidade: quanto menor a magnitude das cargas formais e quanto melhor as cargas se acomodarem segundo eletronegatividade (átomos mais eletronegativos preferem cargas negativas), mais estável é a estrutura.
    Vou agora construir estruturas plausíveis e calcular suas cargas formais com calma (mostrando as contas).

Passo 3

Estrutura 1 — a estrutura “canônica” (mais óbvia): nitrogênio no centro ligado por três ligações simples a cada flúor (estrutura do tipo \mathrm{F}-\mathrm{N}-\mathrm{F} com terceiro \mathrm{F} também ligado ao N, ou seja, N ligado aos 3 F).
  • Ligações: três ligações simples → usam 3\times 2 = 6 electróns.
  • Restam 26-6=20 electróns para pares isolados. Cada flúor precisa de três pares isolados para completar o octeto (3 pares × 3 F = 18 electróns), sobra 2 electróns que ficam como um par isolado no N. Assim todos têm octeto.
  • Agora as cargas formais:
    • Para cada flúor ligado por ligação simples: electrões não-ligantes =6, electrões ligantes (em torno do F) =2 → pela fórmula \text{CF}_F = 7 - (6 + \tfrac{1}{2}\cdot 2) = 7 - (6+1) = 0.
    • Para o nitrogénio: electrões não-ligantes =2 (o par solitário), electrões ligantes ao redor =6 (três ligações simples → 6 electróns), então \text{CF}_N = 5 - (2 + \tfrac{1}{2}\cdot 6) = 5 - (2+3) = 0.
  • Conclusão desta estrutura: todas as cargas formais são zero. Esta é uma estrutura válida, respeita o octeto e tem mínima separação de carga.

Passo 4

Estrutura 2 — uma variante com uma dupla ligação: faça uma dupla ligação entre \mathrm{N} e um dos \mathrm{F}, e ligações simples aos outros dois \mathrm{F}. (Conectividade: N ligado aos três F, mas um dos N–F é duplo.)
  • Conta de electróns: dupla (4 e) + duas simples (4 e) = 8 electróns em ligações; restam 26-8=18 electróns para pares isolados.
  • Distribuição dos pares isolados que satisfaz o octeto:
    • o \mathrm{F} com dupla terá 2 pares isolados ( 4 e), cada um dos outros \mathrm{F} terá 3 pares ( 6 e cada), sobrando 18-(4+6+6)=2 electróns que ficam como 1 par isolado no N.
  • Cálculo de cargas formais:
    • Para o \mathrm{F} com dupla ligação: electrões não-ligantes =4, electrões ligantes =4 (duas ligações) → \text{CF}_{F(=)} = 7 - (4 + \tfrac{1}{2}\cdot 4) = 7 - (4+2)=+1.
    • Para cada \mathrm{F} com ligação simples: já vimos que \text{CF}=0.
    • Para o \mathrm{N}: electrões não-ligantes =2, electrões ligantes ao seu redor =8 (a dupla contribui 4 e cada simples 2, total 8) → \text{CF}_N = 5 - (2 + \tfrac{1}{2}\cdot 8) = 5 - (2+4) = -1.
  • Resultado: cargas formais \text{CF}_N = -1, \text{CF}_{F(=)} = +1, e os outros dois \mathrm{F} têm 0. A soma é zero, o octeto é respeitado — portanto é uma estrutura de Lewis possível, embora com separação de carga (positivo sobre um flúor).

Passo 5

Estrutura 3 — uma variante com lig. tripla: coloque uma ligação tripla entre \mathrm{N} e um \mathrm{F}, e ligações simples aos outros dois \mathrm{F}. (Conectividade: N ligado aos 3 F, mas uma ligação N≡F.)
  • Conta de electróns: tripla (6 e) + duas simples (4 e) → 10 electróns em ligações; restam 26-10=16 electróns para pares isolados.
  • Distribuição para octeto: \mathrm{F} com tripla terá só 1 par isolado ( 2 e), os dois \mathrm{F} com simples terão 3 pares cada ( 6 e cada), total usado 2+6+6=14 e, sobrando 2 e que vão como um par no N. Octeto satisfeito.
  • Cálculo de cargas formais:
    • \mathrm{F} com tripla: electrões não-ligantes =2, electrões ligantes =6 \text{CF}_{F(\equiv)} = 7 - (2 + \tfrac{1}{2}\cdot 6) = 7 - (2+3)=+2.
    • Cada \mathrm{F} com ligação simples: \text{CF}=0.
    • Nitrogénio: electrões não-ligantes =2, electrões ligantes =10 \text{CF}_N = 5 - (2 + \tfrac{1}{2}\cdot 10) = 5 - (2+5)= -2.
  • Resultado: \text{CF}_N = -2, um \mathrm{F} com +2, os outros dois \mathrm{F} com 0. Soma zero e octeto respeitado — é uma estrutura de Lewis possível em princípio, porém com grandes magnitudes de carga formal (pouco favorável energeticamente).

Passo 6

Estrutura 4 — conectividade diferente: cadeia \mathrm{N}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{F} (isto é, N ligado a um F, esse F ligado a outro F, que por sua vez está ligado ao terceiro F). Aqui há ligações \mathrm{N}-\mathrm{F}_1, \mathrm{F}_1-\mathrm{F}_2, \mathrm{F}_2-\mathrm{F}_3.
  • Ligações: três ligações simples → 6 electróns em ligações; restam 20 electróns para pares isolados.
  • Distribuição para octeto: terminal \mathrm{F}_3 tem 3 pares ( 6 e), \mathrm{F}_2 (interm.) tem 2 pares ( 4 e), \mathrm{F}_1 (próximo ao N) tem 2 pares ( 4 e), e o \mathrm{N} terá 3 pares ( 6 e). Soma 6+4+4+6=20. Octetos satisfeitos.
  • Cálculo de cargas formais:
    • \mathrm{N}: electrões não-ligantes =6, electrões ligantes =2 \text{CF}_N = 5 - (6 + \tfrac{1}{2}\cdot 2) = 5 - (6+1) = -2.
    • \mathrm{F}_1 e \mathrm{F}_2 (cada uma com duas ligações): electrões não-ligantes =4, electrões ligantes =4 \text{CF}_{F_{\text{interm}}} = 7 - (4 + \tfrac{1}{2}\cdot 4) = 7 - (4+2) = +1.
    • \mathrm{F}_3 terminal (uma ligação): \text{CF}=0.
  • Resultado: \text{CF}_N = -2, dois \mathrm{F} com +1 cada, um \mathrm{F} com 0. Soma total 0. Estrutura válida em termos de contagem de electrões e octeto, mas com grande separação de carga (N muito negativo, Fs muito positivos).

Passo 7

Comparação das estruturas e critério de escolha (aula curta sobre plausibilidade):
  • Regra prática: estruturas com menores magnitudes de cargas formais (idealmente zero) são energeticamente mais favoráveis. Além disso, cargas positivas em átomos muito eletronegativos (como \mathrm{F}) são desfavoráveis. E ligações \mathrm{F}-\mathrm{F} existem (F2 existe), mas são relativamente fracas; formar muitas \mathrm{F}-\mathrm{F} em vez de \mathrm{N}-\mathrm{F} tende a ser menos estável se alternativas com boas CF existem.
  • Avaliando:
    • Estrutura 1 (N central com três ligações simples): todas as cargas formais =0. Muito favorável.
    • Estrutura 2 (uma dupla N=F): CFs pequenas em magnitude ( \text{CF}_N=-1, \text{CF}_{F(=)}=+1) — aceitável em Lewis mas menos favorável que 1 porque coloca carga positiva sobre um flúor.
    • Estrutura 3 (N≡F): grandes cargas ( \text{CF}_N=-2,\\ \text{CF}_{F(\equiv)}=+2) — energeticamente muito desfavorável.
    • Estrutura 4 (cadeia N–F–F–F): grandes separações de carga ( \text{CF}_N=-2 e dois \mathrm{F} com +1) — energeticamente desfavorável e menos plausível que a estrutura 1.
  • Conclusão teórica: a estrutura que minimiza as cargas formais e não coloca carga positiva em flúor é a estrutura 1. Além disso, quimicamente sabe-se que existe o composto \mathrm{NF}_3 com N central e três ligações simples; a molécula é trigonal-piramidal (lone pair no N) conforme VSEPR — isto corrobora a escolha.

Passo 8

Resumo final das quatro estruturas com as cargas formais (para você conferir rapidamente antes da resposta):
  • Estrutura 1 (padrão): N central com três ligações simples; cargas formais: \text{CF}_N=0, \text{CF}_{F_1}=0, \text{CF}_{F_2}=0, \text{CF}_{F_3}=0.
  • Estrutura 2 (uma dupla N=F + duas N–F simples): \text{CF}_N=-1, \text{CF}_{F(=)}=+1, outros \mathrm{F}=0.
  • Estrutura 3 (N≡F + duas N–F simples): \text{CF}_N=-2, \text{CF}_{F(\equiv)}=+2, outros \mathrm{F}=0.
  • Estrutura 4 (cadeia \mathrm{N}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{F}): \text{CF}_N=-2, dois \mathrm{F}=+1 (os intermédios), um \mathrm{F}=0 (terminal).

Resposta

(a) Quatro estruturas propostas:
  • Estrutura 1: nitrogénio central ligado por três ligações simples a três flúor (estrutura usual \mathrm{NF}_3).
  • Estrutura 2: nitrogénio ligado a três flúor com uma das ligações sendo dupla ( \mathrm{N}= \mathrm{F} + duas \mathrm{N}-\mathrm{F} simples).
  • Estrutura 3: nitrogénio ligado a três flúor com uma ligação tripla ( \mathrm{N}\equiv\mathrm{F} + duas \mathrm{N}-\mathrm{F} simples).
  • Estrutura 4: conectividade em cadeia \mathrm{N}-\mathrm{F}-\mathrm{F}-\mathrm{F} (N ligado a um F, que liga a outro F, que liga ao terceiro F).
(b) Cargas formais em cada estrutura:
  • Estrutura 1: \text{CF}_N=0; \text{CF}_{F_1}=0; \text{CF}_{F_2}=0; \text{CF}_{F_3}=0.
  • Estrutura 2: \text{CF}_N=-1; \text{CF}_{F(=)}=+1; os outros dois \mathrm{F} têm \text{CF}=0.
  • Estrutura 3: \text{CF}_N=-2; \text{CF}_{F(\equiv)}=+2; os outros dois \mathrm{F} têm \text{CF}=0.
  • Estrutura 4: \text{CF}_N=-2; dois \mathrm{F} intermédios têm \text{CF}=+1 cada; o \mathrm{F} terminal tem \text{CF}=0.
(c) Estrutura correta e justificativa:
  • Estrutura correta: a Estrutura 1 (nitrogénio central ligado aos três flúor por ligações simples, com um par isolado no N — a molécula \mathrm{NF}_3).
  • Justificativa: ela minimiza as cargas formais (todas zero), respeita o octeto para todos os átomos e não coloca cargas positivas em átomos muito eletronegativos (o flúor), o que seria energeticamente desfavorável. As outras estruturas, embora algumas sejam Lewis-compatíveis em contagem de electrões, apresentam grandes separações de carga (CF de grandes magnitudes) ou colocam carga positiva sobre \mathrm{F}, tornando-as muito menos estáveis; experimentalmente e pela teoria VSEPR a molécula isolada é \mathrm{NF}_3 com N central e três ligações simples (geometria trigonal-piramidal).

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