Escreva a estrutura de Lewis e determine a carga formal para os átomos das estruturas abaixo.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas para o íon
: (1) escrever a(s) estrutura(s) de Lewis e (2) determinar a carga formal dos átomos em cada estrutura. Informação dada e relevante: fórmula química
(um átomo de carbono, três de oxigênio e carga total
).
Passo 2
Vamos contar os elétrons de valência disponíveis — passo obrigatório antes de desenhar qualquer estrutura de Lewis. Cada átomo contribui com seus elétrons de valência:
Somando:
Passo 3
Escolha da geometria inicial (esqueleto): carbonos geralmente são centro em oxiânions simples, então começamos com C ligado aos três O por ligações simples:
Cada ligação simples usa
elétrons; com três ligações simples usamos
elétrons. Restam:
Passo 4
Colocando pares de elétrons para completar octetos nos oxigênios:
cada oxigênio precisa de 8 elétrons ao redor (contando os usados nas ligações). Se deixarmos inicialmente cada oxigênio com três pares de elétrons adicionais (6 elétrons não ligantes) teremos:
cada oxigênio precisa de 8 elétrons ao redor (contando os usados nas ligações). Se deixarmos inicialmente cada oxigênio com três pares de elétrons adicionais (6 elétrons não ligantes) teremos:
que são exatamente os
que sobraram. Assim, após distribuir, cada oxigênio fica com três pares de não-ligação + uma ligação ao C, o que dá octeto para cada O. Mas o carbono, ligado por apenas três ligações simples, tem apenas 6 elétrons ao redor — ou seja, o carbono não tem octeto completo. Portanto precisamos reorganizar elétrons para satisfazer o octeto do carbono.
Passo 5
Solução: formar uma ligação dupla entre C e um dos O movendo um par isolado de um oxigênio para formar a ligação C=O. Isso não muda o número total de elétrons, só os redistribui. O resultado (uma das ressonâncias) terá:
- um oxigênio com ligação dupla ao carbono e dois pares de elétrons não-ligantes (octeto completo),
- dois oxigênios com ligação simples ao carbono e três pares de elétrons não-ligantes (octeto completo),
- carbono com quatro ligações no total (uma dupla + duas simples) — octeto completo.
Passo 6
Explicando o conceito de carga formal (fórmula e significado):
a carga formal mede a distribuição de elétrons “oficiais” no desenho de Lewis. A fórmula é
a carga formal mede a distribuição de elétrons “oficiais” no desenho de Lewis. A fórmula é
onde
= número de elétrons de valência do átomo isolado (ex.:
para C,
para O),
= número de elétrons não-ligantes (pares isolados) no átomo na estrutura de Lewis,
= número de elétrons envolvidos em ligações ao redor do átomo (ou seja, soma dos elétrons em ligações em que o átomo participa). Equivalentemente alguns usam
= número de elétrons partilhados contados para o átomo (número de ligações).
Vou usar essa fórmula passo a passo para cada átomo na estrutura com uma ligação dupla e duas simples.
Passo 7
Calcular a carga formal do oxigênio que faz a ligação dupla (esse oxigênio tem dois pares não-ligantes e uma ligação dupla):
Passo 8
Calcular a carga formal de um oxigênio que está ligado por ligação simples (cada um desses oxigênios tem três pares não-ligantes e uma ligação simples):
Passo 9
Calcular a carga formal do carbono na mesma estrutura (carbono sem pares isolados, com uma ligação dupla e duas simples):
Portanto, numa das estruturas de Lewis (com uma ligação dupla e duas simples) as cargas formais são:
, um
(o duplo), e dois
(os simples). A soma dá
, conforme a carga do íon.
Passo 10
Ressonância: a dupla pode estar com qualquer um dos três oxigênios. Assim existem três estruturas de ressonância equivalentes, cada uma com uma O com carga formal
e duas O com carga formal
. Como são equivalentes, o elétron é delocalizado e a carga negativa está distribuída igualmente pelos três oxigênios.
Passo 11
Cargas formais médias (quando consideramos a deslocalização/resonância): o carbono tem sempre
em todas as ressonâncias, e cada oxigênio tem, em média,
Isso significa que, na estrutura real (estado ressonante), cada oxigênio carrega formalmente cerca de
de carga, enquanto o carbono permanece com carga formal
.
Resposta
Estruturas de Lewis: três formas de ressonância equivalentes em que o carbono está central ligado a três oxigênios, com uma ligação dupla e duas ligações simples alternando entre os oxigênios; duas formas mostram duas O com carga
e uma O com carga
(a dupla), totalizando carga
.
Cargas formais em cada estrutura de ressonância:
; dois
; um
.
Cargas formais médias (devido à ressonância):
e cada
.