Faça uma revisão dos ângulos de ligação para o CH 4 , NH3 e H2O. Quais teriam ângulos tetraédricos exatos e quais teriam ângulos aproximados? Quais são os ângulos observados. Explicar.
Passo 1
O enunciado pede uma revisão dos ângulos de ligação para
,
e
. Especificamente quer:
- Identificar quais moléculas teriam ângulos tetraédricos exatos e quais teriam ângulos apenas aproximados.
- Informar os ângulos observados (valores experimentais).
- Explicar o porquê das diferenças (ou da exatidão).
Informações úteis que o enunciado deu (diretamente ou que podemos considerar como dadas):
- As fórmulas das moléculas são
, e . - Precisamos comparar ângulos de ligação H–X–H (ou H–C–H / H–N–H / H–O–H) entre as moléculas.
- Não foi dada figura; usarei as informações eletrônicas padrão (número de pares de ligação e de pares isolados no átomo central).
Passo 2
Contagem de pares ligantes e pares isolados no átomo central (passo fundamental; fácil de fazer na prova):
- Para
: o carbono central tem 4 elétrons de valência e forma 4 ligações simples com H. Portanto há 4 pares ligantes e 0 pares isolados. - Em TeX: 4 pares ligantes, 0 pares isolados.
- Para
: o nitrogênio tem 5 elétrons de valência; forma 3 ligações H–N e sobra 1 par isolado. Portanto 3 pares ligantes + 1 par isolado. - Em TeX: 3 pares ligantes, 1 par isolado.
- Para
: o oxigênio tem 6 elétrons de valência; forma 2 ligações H–O e sobra 2 pares isolados. Portanto 2 pares ligantes + 2 pares isolados. - Em TeX: 2 pares ligantes, 2 pares isolados.
Esses números determinam a geometria eletrônica básica (número de “domínios” eletrônicos) e a geometria molecular (posição dos átomos).
Passo 3
Princípio qualitativo que usaremos (a “ferramenta” da prova — explico como se aplica):
- Regra VSEPR (explicada de forma simples): os domínios eletrônicos (pares ligantes e pares isolados) ao redor do átomo central se arranjam no espaço para minimizar repulsões entre eles.
- Ordem de repulsão (importante para prever ângulos):
- par isolado — par isolado (lp–lp) > par isolado — par ligante (lp–bp) > par ligante — par ligante (bp–bp).
- Ou seja: pares isolados ocupam mais “espaço” e empurram os pares ligantes, reduzindo ângulos entre ligações.
- Geometria com 4 domínios eletrônicos (sejam eles pares de ligação ou pares isolados) tende à geometria eletrônica tetraédrica (posições que os 4 domínios ocupam são os vértices de um tetraedro ideal).
Passo 4
Valor ideal do ângulo tetraédrico (aquela constante que aparece sempre): derivei e explico o porquê de
- Um tetraedro regular tem 4 vértices igualmente afastados do centro; os vetores do centro para dois vértices quaisquer têm produto escalar negativo fixo.
- Um modo simples de obter
: escolha dois vetores representando direções centro→vértice, por exemplo (qualquer escolha simétrica funciona; depois normalizamos). - Produto escalar:
. - Norma:
, mesma norma para . - Portanto
(note: com as escolhas de vetores opostos obtém-se ; a fórmula comum dá para o ângulo entre ligações — aqui o sinal depende da orientação escolhida; o resultado numérico para o ângulo entre ligações é o mesmo a seguir) - O ângulo correspondente é
- Conclusão: o ângulo tetraédrico “ideal” (a partir de geometria regular) é
(comumente arredondado para ). Esse é o valor de referência.
Passo 5
Aplicando ao caso de
(explicação passo a passo para a prova):
-
tem 4 pares ligantes e 0 pares isolados (Passo 2). - Logo os 4 domínios são simétricos — nada “empurra” mais do que outra coisa. Isso gera a geometria molecular tetraédrica perfeita (todas as posições equivalentes).
- Consequência prática e resposta:
tem ângulos tetraédricos exatos (ou muito bem aproximados ao ideal) e o ângulo H–C–H observado é - Raciocínio físico simples: o orbital do carbono central é híbrido
, quatro orbitais equivalentes orientados tetraedralmente — simetria total, ângulos iguais.
Passo 6
Aplicando ao caso de
(explicação com motivos físicos):
-
tem 3 pares ligantes e 1 par isolado (Passo 2). O arranjo dos quatro domínios eletrônicos ainda é tetraédrico (geometria eletrônica), mas a geometria molecular (posição só dos H) é piramidal trigonal (trigonal pyramidal). - O par isolado exerce maior repulsão sobre os pares de ligação, empurrando os 3 H para mais perto uns dos outros — isto reduz o ângulo H–N–H em relação ao valor tetraédrico ideal.
- Observação experimental típica: o ângulo H–N–H em amônia é aproximadamente
(comumente citado como ; valores experimentais finos podem dar – dependendo do método). - Conclusão:
não tem ângulos tetraédricos exatos — tem ângulos aproximados (reduzidos) por causa do par isolado.
Passo 7
Aplicando ao caso de
(explicação com comparação direta):
-
tem 2 pares ligantes e 2 pares isolados (Passo 2). Ainda que a geometria eletrônica seja tetraédrica (4 domínios), a geometria molecular é “angular” ou “dobrada” (bent). - Aqui há dois pares isolados, e cada um exerce repulsão maior do que um par ligante; a presença de dois pares isolados comprime ainda mais o ângulo H–O–H do que em
. - Observação experimental bem conhecida:
- Conclusão:
tem ângulo significativamente menor que o tetraédrico ideal — é aproximadamente .
Passo 8
Resumo físico-intuitivo (para decorar e aplicar em prova):
- Se o átomo central tem 4 domínios eletrônicos e todos são pares ligantes (como em
), as posições são simétricas e o ângulo é o tetraédrico ideal . - Cada par isolado adicional reduz os ângulos de ligação entre pares ligantes, na ordem:
- 0 pares isolados (CH4): ângulo ~
— praticamente exato. - 1 par isolado (NH3): ângulo ~
— redução pequena (~2–3°). - 2 pares isolados (H2O): ângulo ~
— redução maior (~5°).
- 0 pares isolados (CH4): ângulo ~
- Motivação física: pares isolados ocupam mais “espaço” (não sendo puxados por outro núcleo), causando maior repulsão e compressão dos ângulos entre ligações.
Passo 9
Observações finais e dica de prova (motivação amiga):
- Na prova, conte sempre os pares ligantes e pares isolados primeiro; isso já te dá a geometria eletrônica e uma ideia imediata de se o ângulo será o tetraédrico ideal ou menor.
- Lembre-se da ordem de repulsão lp–lp > lp–bp > bp–bp para justificar por que
tem ângulo menor que . - Você consegue decorar três números chave:
(tetraédrico ideal), (amônia), (água). Isso resolve a maioria das questões rápidas.