Dado as moléculas abaixo, represente-as utilizando a teoria da ligação de valência (TLV), demonstrando suas respectivas ligações covalentes. Em seguida, classifique-as, dizendo quais são do tipo o e quais são do tipo π, de acordo com os orbitais atômicos envolvidos (dados: \mathrm{H}=1 ; \mathrm{C}=6 ; \mathrm{N}=7 ; \mathrm{O}=8 ; \mathrm{F}=9 ; \mathrm{Be}=4; \mathrm{B}=5 ; \mathrm{Cl}=17, \mathrm{~F}=9 ).
\mathrm{Cl}_{2}

Passo 1

O enunciado pede para representar a molécula \mathrm{Cl}_{2} usando a teoria da ligação de valência (TLV), demonstrando as ligações covalentes, e em seguida classificar essas ligações como do tipo \sigma ou \pi com base nos orbitais atômicos envolvidos. Foi fornecido o número atômico de cloro: \mathrm{Cl}=17. Vou listar as informações úteis extraídas do enunciado:
  • Molécula a analisar: \mathrm{Cl}_{2}.
  • Número atômico do cloro: \mathrm{Cl}=17 (isto implica configuração eletrônica de valência \,3s^{2}3p^{5} e, portanto, 7 elétrons de valência por átomo).
    As perguntas que devo responder:
  1. Desenhar/representar a ligação covalente entre os dois átomos de cloro segundo a TLV (mostrar pares de elétrons e elétron(s) desemparelhado(s) que formam a ligação).
  2. Dizer se a(s) ligação(ões) é(são) do tipo \sigma ou \pi, justificando pelos orbitais atômicos envolvidos.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência e estrutura de Lewis (passo a passo, bem didático).
  • Cada átomo de cloro tem 7 elétrons de valência porque a configuração de valência é \,3s^{2}3p^{5}. Portanto: \text{Elétrons de valência totais em } \mathrm{Cl}_{2} = 7 + 7 = 14.éê
  • Para conseguir o octeto, cada átomo de cloro precisa de mais 1 elétron. Assim, dois cloros compartilham um par de elétrons formando uma ligação simples (par de ligação).
  • Representação em Lewis (modo simples): cada átomo de cloro tem três pares isolados (seis elétrons) e um par compartilhado entre os dois átomos: \,: \mathrm{Cl} : - : \mathrm{Cl} :\quad\text{(cada “:” representa um par de elétrons não-ligantes)}éãEm palavras: há um par compartilhado (ligação covalente simples) e três pares não-ligantes em cada \mathrm{Cl}. Assim o octeto de cada átomo fica completo.
  • Ordem de ligação: é uma ligação simples, logo ordem de ligação =1.
  • Estado magnético: os dois elétrons desemparelhados (um em cada \mathrm{Cl} isolado) emparelham na ligação, logo \mathrm{Cl}_{2} é diamagnético.

Passo 3

O que a TLV (teoria da ligação de valência) diz e como aplicá-la aqui (explicação conceitual):
  • Princípio básico da TLV: uma ligação covalente surge quando dois átomos, cada um com um elétron desemparelhado em um orbital atômico, fazem o sobrepô-los espacialmente; o par resultante fica mais estável (ligação).
  • Para o átomo de cloro isolado, a configuração de valência é \,3s^{2}3p^{5}. Isso significa que na camada n=3 existem: 3s^{2},\quad 3p_x^{2},\quad 3p_y^{2},\quad 3p_z^{1}(ou seja, dois orbitais 3p estão preenchidos com pares e um está semi-preenchido com um elétron desemparelhado). Essa é uma escolha de representação comum: há um elétron desemparelhado em um dos orbitais 3p.
  • Na formação de \mathrm{Cl}_{2} cada átomo de cloro contribui com esse elétron desemparelhado que está em um orbital 3p. Escolhe-se o eixo internuclear como eixo z; então os orbitais \,3p_z (um de cada átomo) se alinham ao longo do eixo que une os núcleos.

Passo 4

Descrição explícita da sobreposição orbital segundo a TLV (passo a passo visual/textual):
  • Os dois orbitais \,3p_z (um de cada \mathrm{Cl}) têm cada um um elétron desemparelhado. Esses dois orbitais se aproximam e fazem uma sobreposição “frontal” (head-on) ao longo do eixo que une os núcleos.
  • Sobreposição frontal de dois orbitais p gera uma ligação do tipo \sigma porque a densidade eletrônica da ligação tem simetria cilíndrica em torno do eixo internuclear (não há plano nodal contendo o eixo com mudança de sinal característica de uma \pi).
  • Os outros orbitais ocupados \,3s, 3p_x e 3p_y ficam como pares não-ligantes (lone pairs) em cada átomo; eles não participam da formação da ligação \mathrm{Cl}-\mathrm{Cl}.
  • Portanto, segundo a TLV, a ligação é formada por: 3p_z(\mathrm{Cl}_1)\;+\;3p_z(\mathrm{Cl}_2)\;\longrightarrow\; \text{par ligado }(\sigma)e os pares \,3s^2,\,3p_x^2,\,3p_y^2 permanecem como pares isolados em cada \mathrm{Cl}.

Passo 5

Definição curta e comparação \sigma vs \pi (para fixar a ideia) e conclusão para \mathrm{Cl}_{2}:
  • Ligação \sigma: formada por sobreposição frontal (head-on) de orbitais; pode ocorrer entre s- s, s- p, p- p (quando o p está dirigido ao longo do eixo internuclear). Tem simetria cilíndrica.
  • Ligação \pi: formada por sobreposição lateral (side-on) de dois orbitais p paralelos; a densidade eletrônica fica acima e abaixo do eixo internuclear e existe um plano nodal que contém o eixo internuclear.
  • Em \mathrm{Cl}_{2} há apenas uma ligação simples formada por sobreposição frontal dos 3p semi-preenchidos: portanto a ligação é exclusivamente do tipo \sigma. Não há orbitais p adicionais disponíveis para sobreposição lateral que resultem em \pi (isso exigiria ligações múltiplas), então não existe ligação \pi em \mathrm{Cl}_{2}.

Resposta

Lewis: cada \mathrm{Cl} tem três pares não-ligantes e um par compartilhado: :\mathrm{Cl}:\!-\!:\mathrm{Cl}:.
Segundo a TLV, a ligação resulta da sobreposição frontal 3p_z( \mathrm{Cl}) + 3p_z( \mathrm{Cl}) formando uma ligação \sigma. Não há ligações \pi em \mathrm{Cl}_{2}.

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