Descreva a estrutura do
, em termos de orbitais híbridos, que tipo de geometria a molécula possui?
Passo 1
O enunciado pede: descrever a estrutura da molécula
em termos de orbitais híbridos e dizer que tipo de geometria a molécula possui.
Informações dadas (implícitas no problema): a molécula é (enxofre central ligado a dois oxigênios). Não há figura nem outra restrição. Vou usar os dados usuais de valência dos átomos para montar a estrutura de Lewis e, a partir dela, determinar híbridos e geometria.
Informações dadas (implícitas no problema): a molécula é
Passo 2
Contagem de elétrons de valência (passo básico e obrigatório para construir a estrutura):
O enxofre tem elétrons de valência. Cada oxigênio tem
. Portanto o total de elétrons de valência da molécula é
O enxofre tem
Esse total de
elétrons deve ser distribuído para satisfazer, na melhor medida, as regras do octeto e minimizar cargas formais.
Passo 3
Construção inicial da estrutura de Lewis (passo a passo):
- Coloco o átomo de enxofre no centro ligado aos dois oxigênios por ligações simples; isso utiliza
pares de elétrons (ou elétrons). - Distribuo os elétrons restantes primeiro para completar os octetos dos oxigênios. Dos
elétrons totais, já usei , restam . Cada oxigênio precisa de elétrons não-ligantes para ter octeto se conectado por ligação simples, então coloco em cada O (total ). Agora sobraram elétrons, que colocamos no enxofre como par não-ligante.
Resultado dessa montagem: o enxofre tem um par não-ligante e duas ligações (inicialmente simples) com os oxigênios; cada oxigênio tem três pares não-ligantes quando ligado como simples.
Passo 4
Cálculo das cargas formais e necessidade de ressonância:
Calculo rápido da carga formal em uma das estruturas obtidas:
Calculo rápido da carga formal em uma das estruturas obtidas:
- Para um oxigênio ligado por ligação simples: carga formal
. (Aqui é o número de elétrons não-ligantes no O, mais metade dos elétrons de ligação.) - Para o enxofre com um par isolado e duas ligações simples: carga formal
. Isso gera cargas muito desfavoráveis.
Para reduzir cargas formais, migramos um par de elétrons de um oxigênio para formar uma ligação dupla. Assim obtemos uma estrutura com um e um . Porém existem duas estruturas equivalentes (a dupla pode estar em qualquer um dos dois O). Então a forma correta é um híbrido de ressonância entre essas duas estruturas. Nas estruturas-resonantes a carga formal do enxofre fica quando um oxigênio é simples e o outro é duplo; o oxigênio duplo tem carga e o oxigênio simples tem carga . O híbrido de ressonância distribui essa diferença, produzindo duas ligações S–O equivalentes com ordem de ligação média.
Passo 5
Conclusão sobre número de domínios eletrônicos e geometria eletrônica (VSEPR):
Conto os domínios eletrônicos ao redor do enxofre: há duas regiões de ligação (cada ligação simples ou dupla conta como UMA região) e um par isolado. Isso dá um total de domínios eletrônicos ao redor do enxofre. Segundo VSEPR, três domínios eletrônicos em torno do átomo central correspondem à geometria eletrônica trigonal plana. Porém, como um dos domínios é um par isolado, a geometria molecular (somente átomos) será angular (curvada, “bent”). O ângulo de ligação ideal seria
; na prática o par isolado empurra um pouco as ligações, reduzindo ligeiramente o ângulo para cerca de
(valor aproximado).
Conto os domínios eletrônicos ao redor do enxofre: há duas regiões de ligação (cada ligação simples ou dupla conta como UMA região) e um par isolado. Isso dá um total de
Passo 6
Determinação da hibridização do enxofre a partir do número de domínios (regra simples usada em provas):
Número de domínios → hibridização
.
Explicação do que isso significa (aula rápida): hibridizar significa misturar um orbital
com dois orbitais
para obter três orbitais híbridos equivalentes (
), dispostos em plano com ângulos de
entre si. Resta um orbital
puro não-hibridizado, perpendicular ao plano, que pode participar de ligações
.
Número de domínios
Explicação do que isso significa (aula rápida): hibridizar
Passo 7
Como são formadas as ligações em termos de orbitais (detalhamento didático):
- Sigma (
) : cada ligação S–O tem uma componente formada pelo solapamento de um orbital híbrido do enxofre com um orbital apropriado do oxigênio (os oxigênios, em suas formas com um par de elétrons não-ligantes e uma ligação , também são melhor descritos como -hibridados: dois híbridos guardam pares não-ligantes e um híbrido forma o com S). - Pi (
) e delocalização : sobra no enxofre um orbital não-hibridizado vertical ao plano. Cada oxigênio (no caso do ressonância) também tem um orbital que pode se sobrepor com o do S. O resultado é um sistema conjugado/delocalizado envolvendo S e os dois O — isto é, a densidade eletrônica está espalhada sobre as três átomos, o que corresponde precisamente às estruturas de ressonância. Esse delocalizado explica porque as duas ligações S–O são equivalentes e possuem ordem de ligação média.
Passo 8
Consequências quantitativas e observáveis (o que se espera experimentalmente):
- Ordem média de ligação S–O:
(cada ressonante tem uma ligação dupla e uma simples, média ). - Portanto ambas as ligações S–O são equivalentes e têm comprimento intermediário entre ligação simples e dupla.
- Geometria molecular: angular (bent) com ângulo próximo de
. - Polaridade: a molécula é polar (par isolado no S dá um momento dipolar não compensado).
Passo 9
Observação sobre modelos alternativos (para tirar dúvidas de prova):
Alguns textos antigos descrevem com duas ligações duplas
usando expansão de octeto com orbitais
do enxofre; porém a descrição moderna e a mais simples para provas de graduação é a que usa ressonância e hibridização
no enxofre (com o orbital
puro participando do
delocalizado). Em geral, em provas conte com a resposta baseada em
+ ressonância, a menos que o enunciado peça explicitamente uso de orbitais
.
Alguns textos antigos descrevem
Resposta
Enxofre:
-hibridizado; um par isolado em um dos híbridos e dois híbridos formam as
-ligações com os O.
Oxigênios: aproximadamente -hibridizados (cada um usa um
puro para participar do sistema
).
Sistema delocalizado sobre S e ambos os O (ressonância) → ordem de ligação média
para cada S–O.
Geometria molecular: angular (bent), geometria eletrônica trigonal plana, ângulo aproximado .
Oxigênios: aproximadamente
Sistema
Geometria molecular: angular (bent), geometria eletrônica trigonal plana, ângulo aproximado