Considere um composto formado por três átomos de flúor e um átomo de nitrogênio. Dado de número atômico:
.
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
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:
, . - 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
eletróns de valência (pois → configuração externa ). - O flúor tem
electróns de valência (pois → ). - Total de electróns de valência disponíveis para a molécula:
- 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:
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
, porque é mais eletronegativo). Então o nitrogênio tende a ficar no centro. - Distribuir pares de electróns para formar ligações de modo a usar todos os
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
com terceiro
também ligado ao N, ou seja, N ligado aos 3 F).
- Ligações: três ligações simples → usam
electróns. - Restam
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
, electrões ligantes (em torno do F) → pela fórmula - Para o nitrogénio: electrões não-ligantes
(o par solitário), electrões ligantes ao redor (três ligações simples → 6 electróns), então
- Para cada flúor ligado por ligação simples: electrões não-ligantes
- 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
e um dos
, e ligações simples aos outros dois
. (Conectividade: N ligado aos três F, mas um dos N–F é duplo.)
- Conta de electróns: dupla (4 e) + duas simples (4 e) =
electróns em ligações; restam electróns para pares isolados. - Distribuição dos pares isolados que satisfaz o octeto:
- o
com dupla terá 2 pares isolados ( e), cada um dos outros terá 3 pares ( e cada), sobrando electróns que ficam como 1 par isolado no N.
- o
- Cálculo de cargas formais:
- Para o
com dupla ligação: electrões não-ligantes , electrões ligantes (duas ligações) → - Para cada
com ligação simples: já vimos que . - Para o
: electrões não-ligantes , electrões ligantes ao seu redor (a dupla contribui 4 e cada simples 2, total 8) →
- Para o
- Resultado: cargas formais
, , e os outros dois têm . 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
e um
, e ligações simples aos outros dois
. (Conectividade: N ligado aos 3 F, mas uma ligação N≡F.)
- Conta de electróns: tripla (6 e) + duas simples (4 e) →
electróns em ligações; restam electróns para pares isolados. - Distribuição para octeto:
com tripla terá só 1 par isolado ( e), os dois com simples terão 3 pares cada ( e cada), total usado e, sobrando e que vão como um par no N. Octeto satisfeito. - Cálculo de cargas formais:
-
com tripla: electrões não-ligantes , electrões ligantes → - Cada
com ligação simples: . - Nitrogénio: electrões não-ligantes
, electrões ligantes →
-
- Resultado:
, um com , os outros dois com . 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
(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
,
,
.
- Ligações: três ligações simples →
electróns em ligações; restam electróns para pares isolados. - Distribuição para octeto: terminal
tem 3 pares ( e), (interm.) tem 2 pares ( e), (próximo ao N) tem 2 pares ( e), e o terá 3 pares ( e). Soma . Octetos satisfeitos. - Cálculo de cargas formais:
-
: electrões não-ligantes , electrões ligantes → -
e (cada uma com duas ligações): electrões não-ligantes , electrões ligantes → -
terminal (uma ligação): .
-
- Resultado:
, dois com cada, um com . Soma total . 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
) são desfavoráveis. E ligações existem (F2 existe), mas são relativamente fracas; formar muitas em vez de tende a ser menos estável se alternativas com boas CF existem. - Avaliando:
- Estrutura 1 (N central com três ligações simples): todas as cargas formais
. Muito favorável. - Estrutura 2 (uma dupla N=F): CFs pequenas em magnitude (
, ) — aceitável em Lewis mas menos favorável que 1 porque coloca carga positiva sobre um flúor. - Estrutura 3 (N≡F): grandes cargas (
) — energeticamente muito desfavorável. - Estrutura 4 (cadeia N–F–F–F): grandes separações de carga (
e dois com ) — energeticamente desfavorável e menos plausível que a estrutura 1.
- Estrutura 1 (N central com três ligações simples): todas as cargas formais
- 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
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:
, , , . - Estrutura 2 (uma dupla N=F + duas N–F simples):
, , outros . - Estrutura 3 (N≡F + duas N–F simples):
, , outros . - Estrutura 4 (cadeia
): , dois (os intermédios), um (terminal).
Resposta
(a) Quatro estruturas propostas:
- Estrutura 1: nitrogénio central ligado por três ligações simples a três flúor (estrutura usual
). - Estrutura 2: nitrogénio ligado a três flúor com uma das ligações sendo dupla (
+ duas simples). - Estrutura 3: nitrogénio ligado a três flúor com uma ligação tripla (
+ duas simples). - Estrutura 4: conectividade em cadeia
(N ligado a um F, que liga a outro F, que liga ao terceiro F).
(b) Cargas formais em cada estrutura:
- Estrutura 1:
; ; ; . - Estrutura 2:
; ; os outros dois têm . - Estrutura 3:
; ; os outros dois têm . - Estrutura 4:
; dois intermédios têm cada; o terminal tem .
(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
). - 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
, tornando-as muito menos estáveis; experimentalmente e pela teoria VSEPR a molécula isolada é com N central e três ligações simples (geometria trigonal-piramidal).