Considere uma molécula
(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
(I no centro)? Atribua a polaridade e o grupo pontual de cada isômero.” - Informação dada (implícita e importante para montar estruturas):
- Átomo central: iodo (
). - Ligantes: três fluoretos idênticos (
) e duas espécies oxigênio idênticas ( ). - A molécula é neutra.
- Átomo central: iodo (
- Informação útil que vou usar e que vem da química/valência:
- Número total de elétrons de valência:
(I) (cada F) (cada O) 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,
, e F ligados por simples).
- Número total de elétrons de valência:
- 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
entre si) e três posições equatoriais (formando um “anel” no plano equatorial, separadas por ). - Importante: axial versus equatorial não é só nome — muda os ângulos de interação com os outros ligantes:
- Um ligante axial sofre três interações de
com os três ligantes equatoriais. - Um ligante equatorial sofre duas interações de
(com os dois axiais) e duas de (com os outros equatoriais).
- Um ligante axial sofre três interações de
- 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
(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:
- Os dois
nas duas posições axiais (axial–axial, ou trans axial). - Um
axial e o outro equatorial (axial–equatorial). - Os dois
em duas posições equatoriais (equatorial–equatorial).
- Os dois
- 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
). 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 ). 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
ocupam as duas posições axiais, as três ficam nas três equatoriais): - Elementos de simetria: eixo
passando pelos dois , três planos verticais que cortam os equatoriais e o eixo, e um plano horizontal que corta no plano dos três equatoriais (característica de ). - Grupo pontual:
. - 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
, também têm soma vetorial nula; portanto dipolo total = zero.
- Elementos de simetria: eixo
- Isômero B — “axial–equatorial” (um
axial, outro em posição equatorial; as demais posições ficam ocupadas por ): - Elementos de simetria: existe um único plano espelho
que contém o eixo que passa pelo átomo axial e pela equatorial colocada no plano desse espelho; não há eixo nem um eixo que preserve todas as posições porque o topo axial é enquanto o fundo axial é (são diferentes), então não há rotação de 180° que funcione. Assim só resta uma reflexão: grupo pontual (às vezes escrito ou simplesmente -symmetry). - Grupo pontual:
. - 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.
- Elementos de simetria: existe um único plano espelho
- Isômero C — “equatorial–equatorial” (os dois
ocupam duas posições equatoriais, a terceira equatorial é ; os dois axiais são ): - Elementos de simetria: existe um eixo
que passa pelo átomo equatorial que é e que troca os dois entre si, e há dois planos verticais que contêm esse eixo (um deles contém o eixo principal ). Esses elementos são consistentes com . - Grupo pontual:
. - Polaridade: polar. Razão: os dois axiais
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 .
- Elementos de simetria: existe um eixo
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
e não polar; caso contrário cheque se existe um eixo C2 que troca O por O — se houver pode ser , caso apenas um plano espelho persista será ). 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
Isômero 2 (um O axial e um O equatorial): polar; grupo pontual
Isômero 3 (os dois O equatoriais): polar; grupo pontual
Isômero 2 (um O axial e um O equatorial): polar; grupo pontual
Isômero 3 (os dois O equatoriais): polar; grupo pontual