Esboce as estrutruras de Lewis para as moléculas: (1) NH3; (2) C2H4; (3) HCO3 e (4) N2. Terão momento polar igual a zero as moléculas:
Somente a molécula de número 1
2 e 4
a) 2, 3, e 4
Somente a molécula de número 4
Somente a molécula de número 1
2 e 4
a) 2, 3, e 4
Somente a molécula de número 4
Passo 1
O enunciado pede que eu esboce as estruturas de Lewis de quatro espécies e, a partir disso, identifique quais têm momento dipolar (momento polar) igual a zero. As quatro espécies dadas são:
,
,
e
.
Observações/assunção: como a fórmula
normalmente corresponde ao íon bicarbonato, vou tratar o item (3) como o íon
(bicarbonato). Se você quisesse outra espécie (por exemplo radical neutro), a resposta poderia mudar; aqui uso a forma mais comum.
Informações relevantes dadas (resumindo):
- Temos as quatro espécies químicas listadas.
- Objetivo final: identificar quais dessas têm momento dipolar igual a zero.
A partir daqui vou desenhar as estruturas de Lewis passo a passo, explicar a geometria molecular (VSEPR) e como isso determina se o momento dipolar é zero ou não.
Passo 2
Breve aula: como montar uma estrutura de Lewis (passos gerais que vou aplicar em cada caso)
- Contar elétrons de valência disponíveis: some os elétrons de valência de cada átomo e acrescente carga extra se for íon (para ânions, some elétrons; para cátions, subtraia).
- Montar o esqueleto: normalmente o átomo menos eletronegativo (exceto H) fica no centro.
- Colocar ligações simples entre átomos (cada ligação = 2 elétrons).
- Distribuir os elétrons restantes como pares isolados (lone pairs) para completar os octetos (ou duetos para H). Se necessário, transformar pares isolados em ligações múltiplas para satisfazer o octeto do átomo central.
- Calcular cargas formais para checar a melhor estrutura (menores cargas formais preferíveis).
- Usar VSEPR para determinar a geometria eletrônica e a geometria molecular (posição de pares ligantes e pares isolados).
- Determinar polaridade: veja se os vetores de momento de ligação (devido a diferenças de eletronegatividade) se cancelam por simetria. Se cancelam perfeitamente, momento dipolar total = zero; caso contrário, é diferente de zero.
Vou aplicar esse procedimento em cada espécie com explicações bem detalhadas.
Passo 3
Estrutura de Lewis e polaridade de
(amônia)
- Contagem de elétrons de valência:
- Nitrogênio:
elétrons de valência. - Cada hidrogênio:
elétron; há três hidrogênios .
Total de elétrons de valência =elétrons.
- Esqueleto e ligações:
- Esqueleto:
com o terceiro H ligado ao N (N no centro). - Usamos
ligações N–H; cada ligação consome elétrons elétrons usados.
- Distribuição dos elétrons restantes:
- Dos
elétrons totais, já foram usados nas três ligações; restam elétrons = um par isolado que fica no nitrogênio como par livre (lone pair).
- Octeto e cargas formais:
- N tem 3 ligações (6 elétrons) + 1 par isolado (2 elétrons) = 8 elétrons ao redor → octeto satisfeito.
- Formalmente todas as cargas formais são zero (H tende a 0, N tende a 0 nesta disposição).
- Geometria (VSEPR):
- N tem
pares ligantes + par isolado → geometria eletrônica tetraédrica, geometria molecular: pirâmide triangular (trigonal pyramidal). - O par isolado ocupa posição com maior repulsão, deslocando os ligantes.
- Polaridade:
- As ligações N–H são polares (N mais eletronegativo que H). Como a molécula é assimétrica (pirâmide, não plana), os vetores molares das 3 ligações não se cancelam.
- Além disso, o par isolado cria um vetor de densidade eletrônica apontando para N.
Resultado: a molécula tem momento dipolar diferente de zero → polar.
Passo 4
Estrutura de Lewis e polaridade de
(eteno/etileno)
- Contagem de elétrons de valência:
- Cada C:
elétrons → . - Cada H:
elétron → .
Total =elétrons de valência.
- Esqueleto e ligações prováveis:
- Estrutura conhecida:
. Cada carbono liga-se ao outro por uma ligação dupla e a dois hidrogênios. - Vamos contar: temos
ligações C–H e ligação dupla C=C (que é 2 pares, 4 elétrons). Total de pares eletrônicos usados = ligações C–H × 2 elétrons + 2 pares da ligação dupla = elétrons (exatamente os disponíveis).
- Octeto:
- Cada carbono participa de três regiões de ligação (duas C–H e uma C=C), porém a ligação dupla fornece elétrons suficientes para completar o octeto de cada C (3 ligações sigma + 1 pi = 8 elétrons efetivos ao redor do C).
- Geometria (VSEPR e hibridação):
- Cada carbono é
hibridizado → geometria ao redor de cada C: trigonal plana; toda a molécula é plana (todas as 6 átomos em um mesmo plano).
- Polaridade:
- As ligações C–H são quase apolares (diferença de eletronegatividade pequena) e a ligação C=C é simétrica.
- A molécula
é simétrica em relação ao plano médio; quaisquer pequenos momentos de C–H se cancelam por simetria.
Resultado: momento dipolar total = zero → apolar.
Passo 5
Estrutura de Lewis e polaridade de
(íon bicarbonato)
- Contagem de elétrons de valência:
- H:
. - C:
. - O (3 átomos):
. - Carga extra de
: adicionar elétron.
Total =elétrons de valência.
- Esqueleto:
- Carbono no centro ligado a três oxigênios:
e um desses O também ligado a H (formando OH). Esqueleto é tipicamente na representação mais comum (mas há ressonância entre as duas O simples).
- Distribuição e ligações:
- Para satisfazer o octeto do carbono é comum ter uma estrutura com uma ligação dupla C=O e duas ligações simples C–O, sendo que uma das O simples está protonada (OH) e a outra tem carga negativa. Isso usa pares para completar octetos e resulta em uma carga formal localizada numa das oxygens em uma estrutura de ressonância.
- Existem estruturas de ressonância que delocalizam a carga negativa entre as duas oxygens não protonadas; o grupo CO3 em média é planar ao redor do C (C é
).
- Ressonância:
- O íon bicarbonato apresenta ressonância entre formas nas quais a dupla ligação com C se encontra alternadamente em cada uma das duas oxygens que não estão protonadas. O H fica ligado a uma oxygen específica, portanto a ressonância não torna a molécula totalmente simétrica em relação ao H.
- Geometria:
- Em torno do carbono a geometria é trigonal plana (
), mas como um dos oxigênios tem H ligado, a distribuição real de cargas e átomos não é totalmente simétrica (há uma extremidade com OH diferente das outras O). - Globalmente, a forma do íon não é simétrica de modo que os vetores de ligação não se cancelam por completo.
- Polaridade:
- Há diferenças de eletronegatividade significativas entre C, O e H e a presença do grupo OH e dos oxigênios com carga parcial negativa cria um dipolo molecular resultante.
- Mesmo com ressonância (que delocaliza carga), a presença do H ligado a apenas um O quebra a simetria total.
Resultado: momento dipolar total diferente de zero → polar.
Passo 6
Estrutura de Lewis e polaridade de
(dinitrogênio)
- Contagem de elétrons de valência:
- Cada N:
→ total elétrons.
- Esqueleto e ligações:
- A estrutura mais estável:
(ligação tripla), cada N com um par isolado (cada N tem um lone pair).
- Octeto e cargas formais:
- Cada N tem 3 ligações (6 elétrons compartilhados) + 1 par isolado (2 elétrons) = 8 elétrons → octeto satisfeito.
- Ambos os nitrogênios são idênticos; cargas formais zero.
- Geometria e polaridade:
- Molécula diatômica homonuclear (os dois átomos idênticos).
- Não há diferença de eletronegatividade entre os dois átomos, logo a ligação é apolar e o dipolo é zero.
Resultado: momento dipolar total = zero → apolar.
Passo 7
Síntese e conclusão por comparação (por que cada uma é ou não apolar)
-
: pirâmide trigonal, par isolado no N → assimétrica → polar (momento ≠ zero). -
: planar, simétrica ( ), vetores se cancelam → apolar (momento = 0). -
: íon bicarbonato com OH em apenas uma oxygen e ressonância que não restaura simetria completa → assimétrico → polar (momento ≠ 0). -
: diatômico homonuclear → simétrico → apolar (momento = 0).
Portanto as moléculas/espécies que têm momento dipolar igual a zero são os itens
e
.