Descreva a estrutura da molécula de formamida,
, em termos de orbitais híbridos, ângulos de ligação e ligações
e
. O átomo de C está ligado a um átomo de H, a um átomo de O terminal e a um átomo de N . O átomo de N também está ligado a dois átomos de H.
Passo 1
O enunciado pede que eu descreva a estrutura da molécula
em termos de:
- orbitais híbridos dos átomos centrais (C, O, N e também H quando relevante);
- ângulos de ligação (aproximados) entre os ligantes ao redor desses átomos;
- que tipo de ligações são
e que tipo (ou parcial) é .
Informações que o enunciado dá sobre a conectividade (peguei isto do enunciado):
- O átomo de C está ligado a um átomo de H, a um átomo de O terminal e a um átomo de N.
- O átomo de N está ligado também a dois átomos de H.
Passo 2
Conceitos básicos necessários (aula rápida e prática sobre híbridos e ligações, sem jargão assustador).
- Hibridização é uma forma prática de descrever como orbitais atômicos (como
e ) se combinam para formar orbitais direcionais que fazem ligações . Os tipos mais comuns: -
: três orbitais não-híbridos (dois restantes), geometria linear. -
: um orbital não-híbrido, geometria trigonal planar (ângulos ~ ). -
: todos híbridos, geometria tetraédrica (ângulos ~ ).
-
- Ligações
formam-se por sobreposição ao longo do eixo entre núcleos (ex.: – , – , – ). Ligações resultam da sobreposição lateral de orbitais não-hibridizados; elas acompanham uma ligação quando há uma dupla ligação. - Importante: ressonância (delocalização) pode alterar a descrição “pura” de hibridização. Se um par de elétrons se delocaliza (como o par do N numa amida), o átomo tende a adotar geometria planar e a ser descrito como
para permitir sobreposição p–p.
Passo 3
Hibridização do carbono central (razão e implicação).
- Contagem rápida: o C está ligado a três grupos (H, O, N) e forma três ligações sigma. Isso sugere steric number
→ hibridização . - Consequência prática: o C usa três orbitais
dispostos em um plano, separados por aproximadamente , e tem um orbital puro perpendicular a esse plano. - O orbital
do C se sobrepõe lateralmente com um orbital do O para formar a ligação do grupo carbonila (a dupla C=O). As três ligações sigma do C são: -
: sobreposição com . -
: sobreposição com (ver mais adiante). -
: sobreposição com orbital híbrido do N.
-
- A partir daí o C participa de uma dupla ligação efetiva com O: uma
(entre de C e de O) e uma (entre os orbitais não-hibridizados de C e O).
Passo 4
Hibridização e comportamento do oxigênio da carbonila.
- O oxigênio da carbonila tem duas pares não-ligantes e uma ligação ao C; a melhor descrição é
para O: - Dois orbitais
ocupados por pares de elétrons não-ligantes. - Um orbital
usado para a ligação com o C. - Um orbital
não-hibridizado que se sobrepõe com o do C para formar a ligação da carbonila.
- Dois orbitais
- Portanto, a ligação
é composta de ( – ) + ( – ). - Geometria local: em torno do O (considerando as regiões eletrônicas) há um arranjo trigonal planar, mas como há dois pares, a forma molecular local é “em V / dobrada”. Em termos de ângulo prático, as diretivas de ligações ao redor do C envolvendo O ficam próximas de
.
Passo 5
Hibridização do nitrogênio na amida e papel da ressonância (explicação bem mastigada).
- Contagem simples ignorando ressonância: N liga a C e a dois H e tem um par livre → quatro regiões eletrônicas → seria
. Mas a realidade experimental (plano em torno do N, comprimento de ligação C–N encurtado, estabilidade/resonância) mostra que o par livre do N se delocaliza sobre a carbonila. - Para que esse par do N se delocalize com a orbital
da carbonila, o N precisa ter um orbital disponível para sobreposição lateral com o do C. A descrição consistente é: - N é aproximadamente
hibridizado. - Três orbitais
do N formam três : duas para (sobreposição – ) e uma para (sobreposição – ). - O par não-ligante do N ocupa então o orbital
não-hibridizado (perpendicular ao plano), permitindo a delocalização π sobre o sistema .
- N é aproximadamente
- Ressonância canônica (escrita simplificada):
- forma principal:
- forma ressonante que contribui:
- A contribuição da segunda forma explica carga parcial negativa em O, carga parcial positiva em N e caráter parcial de dupla ligação em C–N.
- forma principal:
- Consequência estrutural: o N fica praticamente planar (os três ligantes H, C e o par estão no mesmo plano), e a rotação livre em torno da ligação C–N é fortemente dificultada (caráter parcial de dupla ligação).
Passo 6
Ângulos de ligação e planicidade (valores e por quê).
- Porque C e N são descritos como
, os ângulos ao redor desses átomos são próximos de : - em volta do carbono central: os ângulos
, e ficam todos próximos de (pequenas variações ocorrem por diferenças de eletronegatividade entre O e N e por repulsões de pares, mas a referência é ). - em volta do nitrogênio:
, etc. somam num plano, então cada ângulo individual fica aproximadamente .
- em volta do carbono central: os ângulos
- A molécula é predominantemente planar na porção
: os átomos ligados ao N ficam quase no mesmo plano que C, N e O para maximizar a conjugação – .
Passo 7
Resumo prático das ligações
e
.
- Ligações
: -
: – . -
: – . -
: – . -
: – .
-
- Ligações
: -
: sobreposição lateral – — é a principal da carbonila. - caráter
parcial em : devido à ressonância, existe contribuição de sobrepondo-se ao sistema da carbonila, daí caráter parcial de dupla ligação em . Assim, é melhor descrita como uma ligação com contribuição parcial (não uma dupla ligação completa).
-
Passo 8
Consequências observáveis e números típicos (para você ter noção ao comparar em prova).
- Comprimentos de ligação típicos (valores aproximados observados em amidas):
-
: (mais curto que C–O simples). -
: (mais curto que um C–N simples típico , refletindo caráter parcial de dupla ligação). -
: ; : .
-
- A planaridade e o caráter parcial de dupla ligação em C–N produzem uma barreira à rotação em torno de C–N e dão propriedades específicas (por exemplo, hidrogênio amídico capaz de formar ligações de hidrogênio intermoleculares).
Passo 9
Exemplos comparativos rápidos (para fixar a ideia).
- Formaldeído
: C é , carbonila com + clássica; aqui não há ressonância com N porque não existe N. - Metilamina
: N é aproximadamente (pouca delocalização), não planar; contrasta com a amida onde o N é por delocalização na carbonila. - Esses exemplos mostram: presença do grupo
conjugado com um N que tem par disponível tende a planarizar o N e a criar caráter parcial .
Resposta
O carbono central é
hibridizado: usa três orbitais
(no plano) para formar as três ligações
com
,
e
, e tem um orbital
perpendicular que participa na
da carbonila; o oxigênio da carbonila é também aproximadamente
(dois pares não-ligantes em orbitais
e um orbital
que forma a
com o
do C), de modo que
é
. O nitrogênio da amida é descrito como aproximadamente
: três orbitais
fazem as
e
e o par não-ligante do N ocupa um orbital
que se delocaliza sobre a carbonila, produzindo ressonância entre
e
. Isso confere caráter parcial de dupla ligação à
, planaridade da porção
e ângulos ao redor dos centros
próximos de
(com pequenas deformações reais). Comprimentos de ligação refletem isso:
curto (
),
encurtado (
) e ligações
e
típicas.