Exercício 1: Faça a representação de Lewis das espécies químicas a seguir. Indique a hibridização dos átomos centrais:
Passo 1
O enunciado pede: representar em estruturas de Lewis a espécie
e indicar a hibridização do(s) átomo(s) central(is).
Informações dadas e que usarei:
- Cada átomo de carbono tem
elétrons de valência. - Cada átomo de oxigênio tem
elétrons de valência. - O íon tem carga total
, portanto adicionam-se elétrons extras ao total de valência. - Não há outras informações (como geometria experimental) dadas no enunciado; usarei as regras de desenho de Lewis e de ressonância.
Passo 2
Contagem total de elétrons de valência (fundamental para a estrutura de Lewis).
Calcula-se:
Calcula-se:
Portanto há
elétrons para distribuir na estrutura de Lewis de
.
(Sobre essa contagem: o
vem da carga
do ânion; cada unidade de carga negativa corresponde a um elétron extra.)
Passo 3
Esqueleto da molécula (arranjo de átomos) — escolha do átomo central.
- Carbono geralmente é o átomo central em óxidos/carbonatos. Então coloco o
no centro e os três ao redor, ligados inicialmente por ligações simples:
Passo 4
Colocação inicial de ligações e alocação de elétrons não-ligantes para completar octetos.
- Três ligações simples C–O usam
elétrons. - Restam
elétrons, que distribuímos como pares isolados (lone pairs) preferencialmente nos átomos mais eletronegativos (os ). - Se colocarmos 6 elétrons (três pares) em cada oxigênio, cada oxigênio atinge o octeto: isso consome
elétrons. Assim todos os 24 elétrons foram usados.
Estrutura obtida (estado inicial, só com ligações simples):
- Carbono: nenhuma dupla ligação, três ligações simples (sem pares).
- Cada oxigênio: três pares isolados + 1 ligação simples.
Passo 5
Cálculo das cargas formais na estrutura inicial e verificação se é aceitável.
Fórmula da carga formal: .
Fórmula da carga formal:
Calculemos:
- Para o carbono (na estrutura com três ligações simples): valência
,
elétrons não-ligantes, elétrons de ligação (três ligações simples), - Para cada oxigênio (ligado por ligação simples, com três pares isolados): valência
,
elétrons não-ligantes, elétrons de ligação ,
Somando as cargas:
, que é a carga total correta, mas não é a melhor distribuição: o carbono carregando
é desfavorável porque carbono é menos eletronegativo que oxigênio e esperamos carga positiva preferir ficar em átomos menos eletronegativos somente se necessário. Podemos reduzir a carga positiva do C criando ligações duplas.
Passo 6
Formação de duplas para reduzir cargas formais (ajuste para melhores estruturas de Lewis).
- Tomando um par isolado de um oxigênio e formando uma ligação dupla com o carbono, obtemos uma estrutura em que:
- Esse oxigênio passa a ter dois pares isolados e uma ligação dupla (formal charge
). - Os outros dois oxigênios continuam com ligação simples e ficam com carga formal
. - O carbono passa a ter uma ligação dupla + duas simples, totalizando 4 pares de elétrons ao redor (octeto satisfeito) e carga formal
.
- Esse oxigênio passa a ter dois pares isolados e uma ligação dupla (formal charge
Cálculos das cargas formais nessa estrutura com uma dupla:
- Carbono: valência
, elétrons não-ligantes , elétrons de ligação (uma dupla =4 elétrons, duas simples =2+2), - Oxigênio com dupla: valência
, não-ligantes , ligação , - Cada oxigênio com ligação simples: valência
, não-ligantes , ligação ,
A soma das cargas é
, correta. Esta é claramente melhor (menores magnitudes de cargas formais em carbono).
Passo 7
Ressonância — por que existem três estruturas e o que isso implica.
- A dupla pode estar em qualquer um dos três oxigênios: portanto há três estruturas-resonância equivalentes, cada uma com uma dupla diferente.
- Escrevendo qualitativamente:
(cada set tem dois oxigênios com carga formal e um oxigênio com carga formal ; o carbono tem carga em cada forma). - No híbrido de ressonância, os elétrons
estão deslocalizados por sobre os três oxigênios e o carbono, tornando os três enlaces C–O equivalentes. - Ordem de ligação média entre C e O no híbrido:
Isso explica por que experimentalmente os três comprimentos C–O são iguais e intermediários entre uma única e uma dupla ligação.
Passo 8
Hibridização do átomo central (
) — explicação didática e simples.
- Para decidir a hibridização usamos o número estérico (steric number): número de regiões de densidade eletrônica (ligações sigma + pares isolados) ao redor do átomo central.
- No íon carbonato, o carbono forma três ligações sigma com os três oxigênios e não tem pares isolados. Assim o número estérico é
. - Hibridização que corresponde a número estérico
é . - Interpretação física: o carbono usa três orbitais
para formar três ligações sigma com os oxigênios num arranjo trigonal planar; sobra um orbital não hibridizado que participa da nuvem deslocalizada sobre todo o sistema (ressonância). - Portanto o íon
é plano e o carbono é (os três C–O são equivalentes no híbrido de ressonância).
Passo 9
Recapitulando em linguagem prática (como desenhar na prova).
- Desenhe o carbono central ligado a três oxigênios.
- Coloque pares isolados em cada oxigênio para completar octetos.
- Converta um par isolado de um oxigênio em ligação dupla para reduzir a carga formal no carbono; indique que existem três estruturas de ressonância (a dupla pode estar em qualquer oxigênio).
- Escreva o híbrido de ressonância com ligações equivalentes (ordem de ligação
). - Hibridização do carbono:
.
Resposta
Três estruturas-resonância equivalentes: cada estrutura tem uma ligação dupla C=O e duas ligações simples C–O (os dois oxigênios simples com carga formal
, o oxigênio duplo com carga formal
, carbono com carga formal
); no híbrido de ressonância os três enlaces C–O são equivalentes com ordem média de ligação
.
Hibridização do átomo central (C): .
Hibridização do átomo central (C):