Escreva uma fórmula tridimensional para cada uma das seguintes moléculas, utilizando o formalismo de cunha cheia e cunha tracejada. Indique os elétrons desemparelhados dos átomos correspondentes (exceto He C ). Se a molécula tiver um momento de dipolo resultante, indique seu sentido com uma seta. Se a molécula não tiver um momento de dipolo resultante, você deve indicar esse fato. (Ignore a pequena polaridade das ligações C-H ao resolver esse e outros problemas semelhantes.)
\mathrm{CHF}_{3}

Passo 1

O enunciado pede para desenhar uma fórmula tridimensional de \mathrm{CHF}_{3} usando o formalismo de cunha cheia (solid wedge) e cunha tracejada (dashed wedge), indicar elétrons desemparelhados dos átomos (se houver), e indicar o sentido do momento dipolar resultante ou afirmar que não há momento dipolar. Informações dadas e coisas claras a partir do enunciado:
  • Molécula: \mathrm{CHF}_{3}.
  • Deve-se usar representação 3D (cunha cheia / cunha tracejada / ligações no plano).
  • Deve-se indicar elétrons desemparelhados (se existirem).
  • Deve-se dizer se existe momento dipolar resultante; se sim, indicar seu sentido com uma seta; se não, dizer que não há momento dipolar.
    A partir daí, vamos construir a estrutura passo a passo.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência e estrutura de Lewis (para saber onde ficam pares e ligantes).
  • Valência de cada átomo: \mathrm{C} tem 4 elétrons, \mathrm{H} tem 1, cada \mathrm{F} tem 7.
  • Soma total de elétrons de valência:
4 + 1 + 3\cdot 7 = 4 + 1 + 21 = 26\\ \text{elétrons}é
  • Em pares: 26 elétrons = 13 pares de elétrons.
  • Ligações simples que formam a molécula: \mathrm{C} formará quatro ligações (uma com \mathrm{H} e três com \mathrm{F}), ou seja, usamos 4 pares para as quatro ligações. Restam 13-4=9 pares para distribuir como pares não ligantes.
  • Cada \mathrm{F} precisa ter três pares não ligantes (cada \mathrm{F} fica com 3 pares = 3\times 3=9 pares). Isso usa exatamente os 9 pares restantes.
    Conclusão da Lewis: \mathrm{C} não tem pares isolados; cada \mathrm{F} tem três pares não ligantes; \mathrm{H} não tem pares isolados. Não sobra nenhum elétron desemparelhado em nenhum átomo — ou seja, não há elétrons não pareados.

Passo 3

Geometria eletrônica e geometria molecular (por que usar tetraédrica).
  • O carbono central tem quatro regiões de densidade eletrônica (quatro ligações simples). Quatro regiões ao redor de um átomo sem pares isolados se acomodam em uma geometria \mathrm{sp^{3}} tetraédrica para minimizar repulsões.
  • O ângulo ideal é aproximadamente \,109{,}5^\circ.
  • Portanto a geometria molecular é tetraédrica: um vértice será ocupado por \mathrm{H} e os outros três vértices por \mathrm{F}.

Passo 4

Como desenhar em cunha cheia / cunha tracejada (escolha prática e explícita para a prova).
Vou descrever uma disposição padrão fácil de desenhar à mão:
  • Coloque o átomo de \mathrm{C} no centro.
  • Desenhe duas ligações no plano da folha (linhas normais): uma ligação para a esquerda conectando ao \mathrm{H} e uma ligação para a direita conectando a um dos \mathrm{F}. Essas duas ficam no plano.
  • Desenhe uma ligação saindo da folha (cunha cheia) para um segundo \mathrm{F} — essa ligação aparece como um triângulo sólido apontando para o \mathrm{F} (portanto esse \mathrm{F} está vindo em nossa direção).
  • Desenhe uma ligação indo para trás da folha (cunha tracejada) para o terceiro \mathrm{F} — aparece como linhas tracejadas convergindo no \mathrm{F} (esse \mathrm{F} está para trás).
  • Em termos de rótulos (tente desenhar assim na folha da prova):
    • À esquerda (linha no plano): \mathrm{H}.
    • À direita (linha no plano): \mathrm{F}.
    • Cunha cheia (para cima/fora da folha): \mathrm{F}.
    • Cunha tracejada (para baixo/para trás da folha): \mathrm{F}.
  • Indicação dos pares não ligantes: cada \mathrm{F} tem três pares isolados (cada par é representado como dois pontos ao redor do símbolo \mathrm{F}). Você pode desenhar os três pares ao redor de cada \mathrm{F} (em geral são colocados na sua volta como três pares de pontos).
  • Elétrons desemparelhados: conforme a contagem de elétrons, não há elétrons desemparelhados em \mathrm{C}, \mathrm{H} ou \mathrm{F}. Então não marque elétrons isolados (radicais).
  • Resumindo a convenção de desenho para a prova (modelo prático):
    • \mathrm{H} — linha reta no plano — \mathrm{C} — linha reta no plano — \mathrm{F}
    • uma \mathrm{F} com cunha cheia saindo do \mathrm{C} (vindo para você)
    • uma \mathrm{F} com cunha tracejada saindo do \mathrm{C} (indo para trás)
    • cada \mathrm{F} acompanhada de três pares de elétrons (••) ao seu redor

Passo 5

Análise do momento dipolar (direção e motivo).
  • Polaridades das ligações: \mathrm{C-F} é bastante polar com polo negativo no \mathrm{F}; \mathrm{C-H} é praticamente não polar (enunciado pede para ignorar a pequena polaridade de \mathrm{C-H}).
  • Vetorialmente: as três ligações \mathrm{C-F} têm vetores de dipolo (apontando do carbono para cada flúor). Essas três vetores não se cancelam com a presença de apenas um \mathrm{H} no quarto vértice; a soma vetorial das três \mathrm{C-F} aponta para o lado onde estão as três \mathrm{F} (isto é, para o centro da face triangular formada pelas três \mathrm{F}).
  • Assim, existe um momento dipolar resultante diferente de zero. O sentido do vetor dipolo total \vec{\mu} é do lado do \mathrm{H} (mais positivo) em direção ao conjunto das \mathrm{F} (mais negativo). Em palavras curtas: a seta aponta da posição do \mathrm{H} para a face formada pelas três \mathrm{F}.
  • Em notação simbólica: \vec{\mu} aponta em direção às \mathrm{F}.

Passo 6

Comentário final didático e dicas para a prova (rápido e prático).
  • Para fazer isso rápido na prova: desenhe o \mathrm{C} central, coloque \mathrm{H} e uma \mathrm{F} no plano, desenhe uma \mathrm{F} com cunha cheia e outra com cunha tracejada, acrescente três pares de pontos em cada \mathrm{F}, escreva “sem elétrons desemparelhados” e desenhe uma seta do \mathrm{H} apontando para o agrupamento das \mathrm{F} (ou escreva “ \vec{\mu} → direção das F”).

Resposta

Desenho: carbono central com quatro ligações em geometria tetraédrica — \mathrm{H} em linha no plano, uma \mathrm{F} em linha no plano, uma \mathrm{F} em cunha cheia (saindo da folha) e uma \mathrm{F} em cunha tracejada (indo para trás); cada \mathrm{F} com três pares não ligantes. Elétrons desemparelhados: nenhum (não há radicais). Momento dipolar: existe; \vec{\mu} aponta do lado do \mathrm{H} em direção ao conjunto das três \mathrm{F} (seta apontando para as \mathrm{F}).

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