O gás metano ( \mathrm{CH}_{4} ) pode ser obtido no espaço sideral pelo choque entre os átomos de hidrogênio liberados pelas estrelas e a grafite presente na poeira cósmica. Sobre as moléculas do metano pode-se afirmar que o tipo de ligação intermolecular e sua geometria são, respectivamente:
a) ligações de hidrogênio e tetraédrica
b) dipolo induzido e trigonal plana
c) covalentes e trigonal plana
d) dipolo induzido e tetraédrica

Passo 1

O enunciado nos dá a molécula \mathrm{CH}_{4} (metano) e pergunta qual é, entre as alternativas, o tipo de ligação/interação intermolecular e a geometria da molécula. As alternativas são:
a) ligações de hidrogênio e tetraédrica
b) dipolo induzido e trigonal plana
c) covalentes e trigonal plana
d) dipolo induzido e tetraédrica
Informações relevantes fornecidas: a fórmula molecular \mathrm{CH}_{4}.
O que é pedido: identificar (1) o tipo de interação intermolecular predominante da amostra de metano e (2) a geometria molecular do metano.

Passo 2

Como é a estrutura eletrônica e geométrica do metano (sem pular etapas): carbono tem quatro elétrons na camada de valência e forma quatro ligações com hidrogênios. Esses quatro pares ligantes ocupam posições que se repelem mutuamente e se arranjam de forma a minimizar essa repulsão. Isso leva à formação de quatro orbitais equivalentes no carbono — expliquei por partes abaixo.
Breve explicação de híbridação (passo a passo e intuitivo):
  • O carbono no estado fundamental tem orbitais 2s e 2p disponíveis. Para formar quatro ligações equivalentes, os orbitais se combinam (misturam) para formar quatro orbitais híbridos chamados \mathrm{sp^3}.
  • Cada orbital \mathrm{sp^3} forma uma ligação \sigma com o 1s de um hidrogênio.
  • Quatro pontos em torno de um átomo central distribuídos igualmente no espaço formam uma disposição tetraédrica. O ângulo entre ligações em um tetraedro regular é \,109,5^\circ.
Portanto, a geometria do metano é tetraédrica. Isso responde a parte (2) da pergunta.

Passo 3

Por que não é trigonal plana?
  • Geometria trigonal plana ocorre quando há três pares ligantes espaçados em 120^\circ no mesmo plano — tipicamente quando o átomo central é \mathrm{sp^2} (por exemplo \mathrm{BF_3} ou moléculas com ligação dupla). No metano há quatro ligações simples equivalentes, não três, então não pode ser trigonal plana.

Passo 4

Agora sobre polaridade e forças intermoleculares: pensar primeiro na polaridade das ligações e depois no conjunto da molécula.
Eletronegatividades (valores aproximados): \chi_{\mathrm{C}}=2,55 e \chi_{\mathrm{H}}=2,20. A diferença \chi_{\mathrm{C}}-\chi_{\mathrm{H}} é pequena (aproximadamente 0,35), ou seja, cada ligação C–H é apenas levemente polar. Além disso, por simetria tetraédrica essas pequenas polaridades individuais se cancelam, resultando em uma molécula sem dipolo permanente: o metano é uma molécula apolar.
Tipos de forças intermoleculares possíveis (explicação didática e simples):
  • Ligações de hidrogênio: ocorrem quando há H ligado a N, O ou F e interação com pares livres — requisito não satisfeito em \mathrm{CH_4}.
  • Dipolo-dipolo: requer moléculas com dipolo permanente — não é o caso do metano, que é apolar.
  • Dipolo induzido / forças de London (também chamadas forças de dispersão): ocorrem em todas as moléculas, mas são a única contribuição significativa quando a molécula é apolar. São causadas por flutuações instantâneas na distribuição eletrônica que induzem dipolos temporários em moléculas vizinhas. Essas forças existem mesmo em gases nobres e em hidrocarbonetos como o metano.

Passo 5

Aplicando ao metano: por ser molecularmente apolar e sem H ligado a N/O/F, as únicas interações intermoleculares relevantes são as forças de dispersão (também chamadas de dipolo induzido). A geometria, como vimos, é tetraédrica.
Comparação rápida (para fixar): água ( \mathrm{H_2O}) tem ligações de hidrogênio e geometria angular; \mathrm{CH_4} NÃO tem ligações de hidrogênio e tem geometria tetraédrica. Isso ajuda a lembrar por contraste.

Resposta

d) dipolo induzido e tetraédrica