Considere as moléculas de metano ( \boldsymbol{C H}_{4} ), amônia ( \boldsymbol{N H}_{3} ) e água ( \boldsymbol{H}_{2} \boldsymbol{O} ). Embora em todas elas o átomo central possua quatro domínios eletrônicos, os ângulos de ligação experimentais são, respectivamente, \mathbf{1 0 9 , 5}^{\circ} ; \mathbf{1 0 7}^{\circ} \mathbf{e} \mathbf{1 0 4 , 5}. Com base nos postulados da TRPECV, desenhe a geometria molecular utilizando a estrutura de Lewis para representar os domínios eletrônicos.

Passo 1

O enunciado dá três moléculas: CH_4, NH_3 e H_2O. Diz que, em todas elas, o átomo central possui quatro domínios eletrônicos e fornece os ângulos experimentais de ligação: 109,5^\circ para CH_4; 107^\circ para NH_3; 104,5^\circ para H_2O. A tarefa é desenhar a geometria molecular de cada uma usando a estrutura de Lewis para representar os domínios eletrônicos (ou seja: mostrar ligações e pares isolados ao redor do átomo central) e justificar por que os ângulos diferem, com base nos postulados da TRPECV.

Passo 2

Como montar uma estrutura de Lewis (passo a passo básico — faça isso na prova):
  1. Conte os elétrons de valência do átomo central e dos átomos ligados. Escreva o total.
  2. Una o átomo central aos átomos ligados com ligações simples (cada ligação usa dois elétrons).
  3. Distribua os elétrons restantes como pares isolados para completar octetos (ou duetos para H).
  4. Conte os domínios eletrônicos ao redor do átomo central: cada ligação (simples, dupla, tripla) conta como um domínio; cada par isolado (lone pair) conta como um domínio.
  5. Use TRPECV: os domínios se dispõem para minimizar repulsões — primeiro determine a geometria eletrônica (disposição dos 4 domínios) e depois a geometria molecular (posição apenas dos átomos, ignorando pares isolados).
Explicação rápida de conceitos úteis:
  • “Domínio eletrônico” = região onde um par de elétrons está localizado (par de ligação ou par isolado).
  • Para 4 domínios, a geometria eletrônica é tetraédrica (os 4 domínios aos vértices de um tetraedro), ângulo ideal 109,5^\circ.
  • Pares isolados ocupam mais espaço que pares de ligação: ordem de repulsão \text{par isolado — par isolado} > \text{par isolado — par de ligação} > \text{par de ligação — par de ligação}çãçãçã. Isso reduz ângulos entre ligações.

Passo 3

Montando a estrutura de Lewis de CH_4 e sua geometria:
  1. Contagem de elétrons de valência: carbono tem 4 e cada hidrogênio tem 1, total 4 + 4\cdot1 = 8 elétrons de valência.
  2. Ligue C a cada H com ligações simples: isso consome 4 ligações × 2 elétrons = 8 elétrons, logo não sobra par isolado no C.
  3. Estrutura de Lewis (representação): \mathrm{H}-\mathrm{C}-\mathrm{H} com os outros dois H formando as outras duas ligações (todos os H com duetos completos).
  4. Domínios no C: quatro domínios todos de ligação (4 pares de ligação).
  5. Geometria eletrônica: tetraédrica; geometria molecular: tetraédrica. Ângulo entre ligações: 109,5^\circ.
  6. Como desenhar tridimensionalmente (na prova use notação cunha/tracejado): por exemplo
\begin{array}{c} \\ \\ \mathrm{H}\\\ \\ \\ /\\\ \mathrm{H}\!-\!\mathrm{C}\!-\!\mathrm{H}\\\ \\ \\ \backslash\\\ \\ \\ \mathrm{H} \end{array}
ou com um H em cunha sólida (para frente) e um em traço pontilhado (para trás) para mostrar o tetraedro.

Passo 4

Montando a estrutura de Lewis de NH_3 e sua geometria:
  1. Contagem de elétrons: nitrogênio tem 5 e três hidrogênios 3\cdot1=3; total 5+3=8 elétrons de valência.
  2. Ligue N a cada H com ligações simples: usa 3\times2=6 elétrons. Restam 8-6=2 elétrons → formam um par isolado no N.
  3. Estrutura de Lewis (representação): o N com três ligações simples a H e um par isolado: \,\mathrm{H}-\mathrm{N}(\!:\!) -\mathrm{H} (o : representa o par isolado no N).
  4. Domínios no N: quatro domínios no total — três domínios de ligação e um domínio de par isolado.
  5. Geometria eletrônica: tetraédrica (porque são quatro domínios). Geometria molecular (apenas átomos): piramidal trigonal (tricônica) — o par isolado “empurra” as três ligações para baixo formando uma pirâmide.
  6. Efeito no ângulo: o par isolado ocupa mais espaço que uma ligação → comprime os ângulos H–N–H de 109,5^\circ para cerca de 107^\circ, conforme experimental. Intuição: o par isolado está mais concentrado no redor do N, aumentando repulsão contra os pares de ligação.

Passo 5

Montando a estrutura de Lewis de H_2O e sua geometria:
  1. Contagem de elétrons: oxigênio tem 6 e dois hidrogênios 2\cdot1=2; total 6+2=8 elétrons de valência.
  2. Ligue O a cada H com ligações simples: usa 2\times2=4 elétrons. Restam 8-4=4 elétrons → formam dois pares isolados no O.
  3. Estrutura de Lewis (representação): dois pares isolados no O e duas ligações O–H: :\!\mathrm{O}\!: com \mathrm{H}- e -\mathrm{H} ligados.
  4. Domínios no O: quatro domínios — duas ligações e dois pares isolados.
  5. Geometria eletrônica: tetraédrica. Geometria molecular: angular (dobrado, “em V”) porque só há dois átomos ligados; os dois pares isolados ocupam espaço e empurram as ligações.
  6. Efeito no ângulo: dois pares isolados produzem maior compressão que um par isolado, reduzindo o ângulo H–O–H de 109,5^\circ para 104,5^\circ, conforme experimental.

Passo 6

Por que os ângulos caem sucessivamente de 109,5^\circ para 107^\circ para 104,5^\circ?
  1. Regra de repulsão dos pares eletrônicos: pares isolados repelem mais fortemente os pares de ligação do que pares de ligação entre si.
  2. Em CH_4: zero pares isolados no central → ângulo ideal tetraédrico 109,5^\circ.
  3. Em NH_3: um par isolado → repulsão extra entre esse par e os pares de ligação → compressão pequena das ligações → 107^\circ.
  4. Em H_2O: dois pares isolados → repulsões maiores, especialmente entre os dois pares isolados, comprimem ainda mais as ligações → 104,5^\circ.
    Portanto a sequência de ângulos reflete o aumento da repulsão adicional provocada por pares isolados.

Passo 7

Como desenhar isso claramente na prova (passos práticos):
  1. Desenhe primeiro a estrutura de Lewis (mostre pares isolados como pontos ou dois pontos ao redor do átomo central).
  2. Conte domínios e escreva “geometria eletrônica: tetraédrica (4 domínios)”.
  3. Embaixo, desenhe a geometria molecular usando cunha sólida para ligações saindo para frente e traço pontilhado para ligações para trás, deixando o(s) par(es) isolado(s) como nuvem de elétrons (pontos) no lugar correto.
    Exemplos de esboços simples (use cunha/tracejado na prova):
  • CH_4: tetraédrica, sem pares isolados.
  • NH_3: N com um par isolado acima, três H formando a base de uma pirâmide.
  • H_2O: O com dois pares isolados em posições que empurram as duas ligações H–O formando o “V”.

Passo 8

Dica final e incentivo rápido:
  • Na prova, faça a contagem de elétrons rápido, mostre o par isolado(s) explicitamente e escreva “4 domínios → tetraédrica (eletrônica)”. Depois diga a geometria molecular (tetraédrica, piramidal, angular) e escreva o ângulo experimental indicado.
  • Você está indo bem — se seguir esse roteiro você resolve questões desse tipo de forma veloz e segura.

Resposta

CH_4: geometria molecular tetraédrica; estrutura de Lewis: C com quatro ligações simples a H (sem pares isolados); ângulo 109,5^\circ.
NH_3: geometria molecular piramidal trigonal (trigonal pyramidal); estrutura de Lewis: N com três ligações N–H e um par isolado; ângulo 107^\circ.
H_2O: geometria molecular angular (dobrada); estrutura de Lewis: O com duas ligações O–H e dois pares isolados; ângulo 104,5^\circ.

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