Considere uma molécula \mathrm{IF}_{3} \mathrm{O}_{2} (com I como átomo central). Quantos isômeros são possíveis? Atribua a polaridade e o grupo pontual de cada isômero.

Passo 1

O que o enunciado pede e os dados que temos (com tudo bem explícito):
  • Pede: “Quantos isômeros são possíveis para a molécula \mathrm{IF}_{3}\mathrm{O}_{2} (I no centro)? Atribua a polaridade e o grupo pontual de cada isômero.”
  • Informação dada (implícita e importante para montar estruturas):
    • Átomo central: iodo ( \mathrm{I}).
    • Ligantes: três fluoretos idênticos ( \mathrm{F}) e duas espécies oxigênio idênticas ( \mathrm{O}).
    • A molécula é neutra.
  • Informação útil que vou usar e que vem da química/valência:
    • Número total de elétrons de valência: \;7 (I) +\;3\times7 (cada F) +\;2\times6 (cada O) =7+21+12=\;40 elétrons de valência.
    • É possível desenhar uma estrutura em que o iodo forma três ligações simples I–F e duas ligações duplas I=O, sem pares de elétrons no iodo (contagem de elétrons confere exatamente). Vou usar essa estrutura-base como modelo (é a forma química razoável: os oxos ligados por dupla ligação, \mathrm{I=O}, e F ligados por simples).
  • O que vou entregar: listar todos os arranjos distintos dos dois átomos de oxigênio em torno do I numa geometria com cinco domínios (pois I tem 5 ligações), e para cada arranjo dizer se é polar ou não e qual o grupo pontual.

Passo 2

Motivação geométrica e por que a molécula tem cinco domínios: ensinando VSEPR devagarinho
  • Na estrutura que mostrei o iodo está ligado a cinco átomos (três F e duas O). Segundo VSEPR, cinco pares de ligação ao redor do átomo central organizam-se em geometria trigonal bipiramidal (TBP).
  • Explicando TBP: numa TBP há duas posições axiais (alinhadas no eixo vertical, opostas, ângulo 180^\circ entre si) e três posições equatoriais (formando um “anel” no plano equatorial, separadas por 120^\circ).
  • Importante: axial versus equatorial não é só nome — muda os ângulos de interação com os outros ligantes:
    • Um ligante axial sofre três interações de 90^\circ com os três ligantes equatoriais.
    • Um ligante equatorial sofre duas interações de 90^\circ (com os dois axiais) e duas de 120^\circ (com os outros equatoriais).
  • Regra VSEPR prática (útil para pensar estabilidade, embora o enunciado só peça isomeria e simetria): ligantes com maior densidade eletrônica (pares isolados, múltiplas ligações) preferem ocupar posições equatoriais porque aí têm menos interações em 90^\circ (menos repulsão).

Passo 3

Quais configurações distintas dos dois oxigênios existem em TBP? (contagem de isômeros)
  • Temos 5 posições (2 axiais, 3 equatoriais) e precisamos colocar 2 oxigênios idênticos. As possibilidades distintas (não redundantes por simetria da TBP) são três tipos geométricos:
    1. Os dois \mathrm{O} nas duas posições axiais (axial–axial, ou trans axial).
    2. Um \mathrm{O} axial e o outro \mathrm{O} equatorial (axial–equatorial).
    3. Os dois \mathrm{O} em duas posições equatoriais (equatorial–equatorial).
  • Por que só essas três? Porque posições equatoriais entre si são equivalentes por rotação; então “colocar em duas equatoriais quaisquer” é um tipo (eles ficam separados por 120^\circ). Colocar um axial e um equatorial é um único tipo (todas as equatoriais são equivalentes antes de distinguir ligantes), e colocar os dois axiais é outro tipo (os axiais são opostos a 180^\circ). Assim há exatamente três isômeros estruturais distintos levando em conta a simetria da TBP.

Passo 4

Análise detalhada de cada isômero: geometria, elementos de simetria, grupo pontual e polaridade (vou justificar por vetores de dipolo e operações de simetria)
  • Isômero A — “axial–axial” (os dois \mathrm{O} ocupam as duas posições axiais, as três \mathrm{F} ficam nas três equatoriais):
    • Elementos de simetria: eixo \mathrm{C}_3 passando pelos dois \mathrm{O}, três planos verticais \sigma_v que cortam os \mathrm{F} equatoriais e o eixo, e um plano horizontal \sigma_h que corta no plano dos três equatoriais (característica de \mathrm{D}_{3h}).
    • Grupo pontual: \mathrm{D}_{3h}.
    • Polaridade: não polar. Razão: os dois dipolos I=O estão opostos sobre o mesmo eixo e se cancelam (soma vetorial zero) e os três I–F no plano equatorial, dispostos a 120^\circ, também têm soma vetorial nula; portanto dipolo total = zero.
  • Isômero B — “axial–equatorial” (um \mathrm{O} axial, outro \mathrm{O} em posição equatorial; as demais posições ficam ocupadas por \mathrm{F}):
    • Elementos de simetria: existe um único plano espelho \sigma que contém o eixo que passa pelo átomo \mathrm{O} axial e pela \mathrm{O} equatorial colocada no plano desse espelho; não há eixo \mathrm{C}_3 nem um eixo \mathrm{C}_2 que preserve todas as posições porque o topo axial é \mathrm{O} enquanto o fundo axial é \mathrm{F} (são diferentes), então não há rotação de 180° que funcione. Assim só resta uma reflexão: grupo pontual \mathrm{C_s} (às vezes escrito \mathrm{C}_s ou simplesmente \sigma-symmetry).
    • Grupo pontual: \mathrm{C}_{\mathrm{s}}.
    • Polaridade: polar. Razão: a existência de apenas um plano espelho não força a soma vetorial dos dipolos a zero; geometricamente há um vetor resultante não nulo no plano (a distribuição assimétrica de I–F e I=O não cancela), então a molécula tem momento dipolar diferente de zero.
  • Isômero C — “equatorial–equatorial” (os dois \mathrm{O} ocupam duas posições equatoriais, a terceira equatorial é \mathrm{F}; os dois axiais são \mathrm{F}):
    • Elementos de simetria: existe um eixo \mathrm{C}_2 que passa pelo átomo equatorial que é \mathrm{F} e que troca os dois \mathrm{O} entre si, e há dois planos verticais \sigma_v que contêm esse eixo (um deles contém o eixo principal z). Esses elementos são consistentes com \mathrm{C}_{2v}.
    • Grupo pontual: \mathrm{C}_{2v}.
    • Polaridade: polar. Razão: os dois axiais \mathrm{F} estão opostos e seus dipolos ao longo do eixo axial se cancelam; porém no plano equatorial há dois I=O e um I–F em posições não simetricamente distribuídas de modo a anular completamente o vetor resultante no plano — sobra um momento dipolar no plano equatorial, logo dipolo total \neq 0.

Passo 5

Comentário químico final e dica de prova (motivacional e prática)
  • Conclusão prática: há exatamente três isômeros estruturais possíveis (segundo a geometria TBP e identidade dos ligantes).
  • Dica para prova: desenhe a TBP, marque axiais e equatoriais, coloque os dois O nas posições que você quer testar e cheque rapidamente simetrias (se houver um par oposto de O é muito provável que seja \mathrm{D}_{3h} e não polar; caso contrário cheque se existe um eixo C2 que troca O por O — se houver pode ser \mathrm{C}_{2v}, caso apenas um plano espelho persista será \mathrm{C_s}). Também lembre da regra: oxo (ligações múltiplas) normalmente preferem equatoriais por menor repulsão — então o isômero equatorial–equatorial costuma ser energeticamente favorecido.

Resposta

Isômero 1 (os dois O axiais): não polar; grupo pontual \mathrm{D}_{3h}
Isômero 2 (um O axial e um O equatorial): polar; grupo pontual \mathrm{C}_{\mathrm{s}}
Isômero 3 (os dois O equatoriais): polar; grupo pontual \mathrm{C}_{2v}

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