Escreva a estrutura de Lewis de cada um dos seguintes compostos, diga qual é a forma e a hibridação de cada átomo central e se a espécie é polar ou apolar:
Passo 1
O enunciado pede para o composto
: (a) desenhar a estrutura(es) de Lewis, (b) dizer a forma (geometria molecular) e (c) a hibridação do átomo central, e (d) indicar se a espécie é polar ou apolar.
Informações relevantes dadas pelo enunciado: a fórmula molecular é . Não há figura adicional. Vou usar apenas essa informação para construir a estrutura de Lewis, identificar geometria, hibridação e polaridade.
Informações relevantes dadas pelo enunciado: a fórmula molecular é
Passo 2
Contagem de elétrons de valência (etapa básica e essencial). Explique comigo: para fazer a estrutura de Lewis contamos todos os elétrons de valência dos átomos.
- Nitrogênio:
elétrons de valência. - Oxigênio:
elétrons de valência cada.
Total:elétrons de valência.
Observação importante: deu um número ímpar (); isso indica que é uma espécie com um elétron desemparelhado — um radical (ou seja, não é possível completar octetos para todos usando pares de elétrons apenas).
Passo 3
Escolha do esqueleto e distribuição inicial de elétrons.
- O nitrogênio costuma ser o átomo central por ser menos eletronegativo que o oxigênio; portanto a disposição será
. - Começo colocando ligações simples entre
e cada . Cada ligação simples usa elétrons. Para duas ligações simples preciso de elétrons. - Dos
elétrons totais, sobraram elétrons a distribuir como pares/livre. Coloco elétrons não ligantes primeiro para completar octetos preferencialmente nos oxigênios.
Passo 4
Completar octetos nos oxigênios e ver o que sobra.
- Cada oxigênio ligado por ligação simples precisa de
elétrons não ligantes (3 pares) para completar octeto. Dois oxigênios exigiriam elétrons. - Se eu der 12 elétrons para os dois oxigênios, junto com os 4 já usados nas ligações temos
elétrons contabilizados. Mas eu tenho elétrons totais, então sobra 1 elétron, que fica como elétron desemparelhado. Esse elétron não consegue formar par, então ficará no nitrogênio (ou será delocalizado depois).
Resultado dessa etapa: cada oxigênio tem octeto completo, o nitrogênio tem duas ligações (4 elétrons ao redor) mais um elétron desemparelhado (1 elétron), então não tem octeto completo — isso é esperado pois total de elétrons é ímpar.
Passo 5
Tentar reduzir cargas formais com múltiplas ligações (estratégia padrão).
Explico a ideia: estruturas com menores cargas formais geralmente são mais estáveis. Podemos tentar fazer uma dupla ligação para melhorar a distribuição de cargas. Vou calcular as cargas formais antes e depois. A fórmula para carga formal é:
Explico a ideia: estruturas com menores cargas formais geralmente são mais estáveis. Podemos tentar fazer uma dupla ligação
Primeiro, a estrutura com uma dupla ligação e uma simples ligação e o elétron desemparelhado no nitrogênio (essa é a estrutura canônica típica):
Descrevo a estrutura: um oxigênio com dupla ligação
, o outro com ligação simples
. Os oxigênios têm pares não ligantes suficientes para completar octeto, e há um elétron desemparelhado no nitrogênio.
Calculemos as cargas formais:
- Para o oxigênio com dupla ligação: valência
; tem elétrons não ligantes (2 pares) e participa de elétrons de ligação (duas ligações) → carga formal - Para o oxigênio com ligação simples: valência
; tem elétrons não ligantes (3 pares) e participa de elétrons de ligação → carga formal - Para o nitrogênio: valência
; tem elétron não ligante (o elétron desemparelhado) e participa de elétrons de ligação (uma dupla =4 e uma simples =2) → carga formal
Portanto nessa estrutura temos cargas formais:
, um
(o ligado por simples) e o outro
.
Passo 6
Resonância e desenho das estruturas de Lewis finais.
- A dupla ligação pode estar com qualquer um dos oxigênios; assim existem duas estruturas-resonância equivalentes em que a dupla ligação troca de oxigênio. Em todas as estruturas canônicas o nitrogênio carrega carga formal
e um oxigênio . O elétron desemparelhado fica associado ao nitrogênio (no esqueleto canônico que desenhamos). - Escrevo as duas estruturas de ressonância (de forma curta usando notação de cargas e o elétron desemparelhado como
):
Interpretação: o radical (o elétron desemparelhado) está essencialmente sobre o nitrogênio na representação de Lewis, e as cargas
ficam alternadamente em um dos oxigênios nas estruturas canônicas; na realidade eletrônica a carga e o elétron estão parcialmente deslocalizados.
Passo 7
Comentário sobre octeto e situação do nitrogênio (por que aceitável).
- Nitrogênio não completa o octeto na estrutura de Lewis devido ao número ímpar de elétrons; isso é aceitável e caracteriza
como radical. - As estruturas-resonância mostram que a ligação
tem caráter intermediário entre simples e dupla (uma ligação média) por delocalização.
Passo 8
Determinação da geometria molecular (forma) usando VSEPR de modo didático.
- Para aplicar VSEPR contamos regiões de densidade eletrônica ao redor do átomo central (nitrogênio). Cada ligação
conta como uma região; o elétron desemparelhado também conta como uma região (sim, mesmo sendo só um elétron ele ocupa espaço e causa repulsão). Portanto temos: 2 regiões de ligação + 1 região do elétron isolado = 3 regiões eletrônicas. - Três regiões eletrônicas correspondem, em termos de geometria eletrônica, a uma disposição trigonal plana (arranjo que minimiza repulsões). Porém, como uma dessas regiões é um elétron isolado (não ligado), a geometria molecular (a forma observada pelas posições dos átomos) é angular (curvada, “bent”), semelhante à de uma molécula com 3 regiões e 1 par isolado (por exemplo,
ou têm bend). - O ângulo aproximado entre as ligações em
é maior que ? Na verdade, devido ao caráter do elétron desemparelhado e diferenças de repulsão, o ângulo experimental em é aproximadamente . (Não precisa decorar para a prova, mas é útil saber que não é exatamente .)
Passo 9
Determinação da hibridação do átomo central (explicação passo a passo).
- Regra prática: o número de orbitais híbridos corresponde ao número de regiões de densidade eletrônica. Aqui são 3 regiões ao redor de
, logo a hibridação é . - Em palavras:
orbital + orbitais do nitrogênio combinam para formar três orbitais orientados em (arranjo trigonal plano eletronicamente); um dos orbitais remanescentes (não hibridizado) contribui para a formação de ligações quando há dupla ligação parcial com oxigênio. - Conclusão: hibridação do nitrogênio central é
. (Os oxigênios que participam da dupla ligação também terão caráter para acomodar o par de elétrons não ligantes e o orbital que forma a ligação .)
Passo 10
Análise da polaridade (por que polar ou apolar).
- A molécula tem geometria angular (não linear e não simétrica); mesmo na média eletrônica (considerando ressonância) não existe cancelamento perfeito dos momentos dipolares das ligações
. - Além disso, há distribuição desigual de carga (formal charge parcial positiva no
e parcial negativa em um dos na estrutura canônica, e delocalização disso nas ressonâncias) e o elétron desemparelhado contribui para assimetria eletrônica. - Portanto
é uma molécula polar.
Passo 11
Resumo final — desenho de Lewis, forma, hibridação e polaridade (tudo junto, claro e direto).
- Estruturas de ressonância (Lewis):
- Forma (geometria molecular): angular (curvada, bent), com ângulo aproximado
. - Hibridação do átomo central (nitrogênio):
. - Polaridade: a espécie é polar.
Resposta
Lewis (duas estruturas-resonância):
Forma: angular (bent), ângulo aproximado
Hibridação do átomo central (N):
Polaridade: polar
Forma: angular (bent), ângulo aproximado
Hibridação do átomo central (N):
Polaridade: polar