Determine a carga formal de cada átomo das seguintes moléculas. Identifique a estrutura de energia mais baixa em cada par.
Passo 1
O enunciado pede: determinar a carga formal de cada átomo das duas espécies dadas por SMILES e identificar, em cada par, qual estrutura tem menor energia. As duas entradas SMILES significam (com hidrogênios implícitos para fechar as valências típicas):
- SMILES
corresponde à molécula hidrogenocianeto, que escrevo como . Átomos presentes: . - SMILES
corresponde à imina metílica, que escrevo como . Átomos presentes: dois hidrogênios ligados ao carbono (vou chamar de ), um hidrogênio ligado ao nitrogênio ( ), o carbono e o nitrogênio .
Vou calcular as cargas formais átomo a átomo e, depois, comparar com possíveis formas alternativas (com separação de carga) para decidir qual é a de menor energia.
Passo 2
Regra para carga formal: usar a fórmula
onde
-
é o número de elétrons de valência do átomo isolado (ex.: , , ), -
é o número de elétrons não ligantes (pares solitários) no átomo na estrutura de Lewis, -
é o número total de elétrons que participam de ligações envolvendo esse átomo (isto é, a soma dos elétrons em todas as ligações que tocam o átomo; quando aplicamos a fórmula usamos porque elétrons de ligação são compartilhados).
Explicação curta e prática: conte os elétrons não ligantes e os elétrons em ligações ao redor do átomo, substitua na fórmula e obtenha a carga formal. A estrutura de menor energia normalmente minimiza a separação de cargas (preferível ter cargas formais zero) e, em estruturas com separação de carga, coloca a carga negativa no átomo mais eletronegativo.
Passo 3
Cálculo para
(HCN).
Desenho de ligações (Lewis):
ligado por ligação simples ao
;
ligado por tripla ligação ao
. O nitrogênio tem um par solitário.
Agora calculo átomo a átomo:
-
Hidrogênio
: -
. - elétrons não ligantes
(H não tem pares solitários). - elétrons em ligações
(a ligação H–C contém 2 elétrons). -
-
-
Carbono
: -
. - elétrons não ligantes
(C não tem pares solitários na estrutura). - ligações: uma ligação simples com H (2 elétrons) + uma ligação tripla com N (6 elétrons) →
. -
-
-
Nitrogênio
: -
. - elétrons não ligantes
(um par solitário). - ligações: tripla ligação com C →
. -
-
Conclusão deste passo: em
todas as cargas formais são zero.
Passo 4
Comparação de formas alternativas para
e escolha da de menor energia.
- Uma forma alternativa envolveria separação de carga (por exemplo, transferir um par do N para formar um íon com cargas formais como
ou parecido). Essas formas têm carga formal não nula (por exemplo e ). - Regras heurísticas: estruturas sem separação de carga são normalmente mais estáveis do que estruturas com separação de carga. Se houver separação de carga inevitável, é preferível que o átomo mais eletronegativo carregue a carga negativa.
- No caso de
, a forma mostrada (todas cargas 0 e octeto satisfeito) é claramente a de menor energia. Portanto a estrutura com tripla ligação é a mais estável.
Passo 5
Cálculo para
(metilidenimina / metilamina dupla, SMILES
).
Desenho de ligações (Lewis): carbono
ligado a dois hidrogênios
e ligado por dupla ligação ao nitrogênio
;
ligado a um hidrogênio
e possui um par solitário.
Agora calculo átomo a átomo:
-
Hidrogênios
: - Para cada
: , , . -
- Logo todos os hidrogênios têm carga formal
.
- Para cada
-
Carbono
: -
. -
(sem pares solitários no C nesta estrutura). - ligações: duas ligações C–H (2×2 elétrons = 4) + uma dupla ligação C= N (4 elétrons) ⇒
. -
-
-
Nitrogênio
: -
. - elétrons não ligantes
(um par solitário). - ligações: uma ligação simples N–H (2 elétrons) + uma ligação dupla N=C (4 elétrons) ⇒
. -
-
Conclusão deste passo: em
todos os átomos também têm carga formal zero.
Passo 6
Comparação de formas alternativas para
e escolha da de menor energia.
- Existe uma forma com separação de cargas (por exemplo,
ou outras ressonâncias com carga separada), mas essas envolvem uma carga negativa em carbono ou uma carga positiva em nitrogênio, o que é menos favorável porque carbono é menos eletronegativo que nitrogênio. - A estrutura neutra com dupla ligação
, em que todos têm carga formal zero e o octeto está satisfeito, é a forma de menor energia. - Regra prática: prefira a estrutura que minimiza cargas formais; se houver carga negativa, coloque-a no átomo mais eletronegativo. Aqui a forma neutra atende a ambos os critérios.
Resposta
Para
(SMILES
):
H:
C:
N:
Estrutura de menor energia: (forma neutra, sem separação de cargas).
H:
C:
N:
Estrutura de menor energia:
Para
(SMILES
):
:
C:
N:
Estrutura de menor energia: (forma neutra, sem separação de cargas).
C:
N:
Estrutura de menor energia: