Dê a hibridação do átomo em vermelho negrito das seguintes moléculas e identifique o número de ligações \sigma (sigma) e \pi (pi):
\mathrm{NO}_{3}{ }^{-};

Passo 1

O enunciado pede duas coisas para a molécula \mathrm{NO}_3^{-}: (1) a hibridação do átomo em vermelho negrito e (2) o número de ligações \sigma e \pi envolvendo esse átomo.
Como não foi enviada imagem, vou assumir —seguindo o caso mais comum nessa questão— que o átomo em vermelho negrito é o nitrogênio central. As informações que temos (do enunciado) são apenas a fórmula \mathrm{NO}_3^{-} e que devemos analisar o átomo destacado.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência (passo obrigatório para montar a estrutura de Lewis). Vou explicar devagarinho como contar:
  • Nitrogênio tem 5 elétrons de valência.
  • Cada oxigênio tem 6 elétrons de valência, e há 3 oxigênios: isso dá 3\cdot6.
  • O íon tem carga -1, ou seja, tem 1 elétron extra.
Escrevendo em fórmula:
5 + 3\cdot 6 + 1 = 24
Logo há 24 elétrons no total, que correspondem a 12 pares eletrônicos para distribuir.

Passo 3

Montagem da estrutura de Lewis e justificativa (passo a passo e explicando porque fazemos cada escolha):
  1. Coloca-se o nitrogênio no centro e os três oxigênios ao redor. Inicialmente liga-se o nitrogênio a cada oxigênio com uma ligação simples. Cada ligação simples usa um par de elétrons (um par é contado como ligação). Após colocar as três ligações simples, usamos 3 pares (ou 6 elétrons) das 12 pares totais. Restam 9 pares para completar octetos.
  2. Distribui-se os pares restantes nos oxigênios para completar o octeto deles. Cada oxigênio precisa de 3 pares adicionais (além da ligação simples) para completar o octeto. Colocando três pares em cada oxigênio usamos 3\cdot 3 = 9 pares, exatamente os que restavam.
  3. Agora verifique o nitrogênio: ele está ligado a três oxigênios por ligações simples (3 pares usados para ligar) e não tem pares isolados, então tem somente 6 elétrons ao redor — ficou com octeto incompleto (o nitrogênio tende a ter 8 elétrons). Para satisfazer o octeto do nitrogênio convém transformar uma das ligações N–O simples em dupla (ou seja, formar uma ligação \mathrm{N=O} com compartilhamento adicional), usando um par de elétrons não ligantes de um oxigênio para fazer a ligação \pi.
  4. Esse procedimento gera uma estrutura de Lewis com uma ligação dupla N=O e duas ligações simples N–O, e as cargas formais resultantes são: nitrogênio com carga +1 e um dos oxigênios com carga 0 (o ligado por dupla), os outros dois oxigênios com carga -1 cada? Na verdade, há redistribuição por ressonância: existem três estruturas-resonância equivalentes nas quais a dupla pode estar em qualquer uma das três ligações N–O. O resultado real é que as três ligações N–O são equivalentes e o elétron \pi está deslocalizado.
Observação sobre carga total: como contamos inicialmente o elétron extra, a carga total do íon é -1 e a soma das cargas formais nas ressonâncias confirma isto.

Passo 4

Determinação da hibridação do átomo central (a parte didática concreta):
Regra prática e simples para hibridação: conta-se o número de regiões de densidade eletrônica (ou “domínios eletrônicos”) ao redor do átomo central — cada ligação simples, cada ligação múltipla (conta como uma região) e cada par isolado contam como um domínio. Depois relaciona-se com a hibridação:
  • 2 domínios → sp
  • 3 domínios → sp^2
  • 4 domínios → sp^3
No nosso caso, no nitrogênio central:
  • há três ligações N–O (mesmo que uma seja, em uma ressonância, dupla, todas três contam como 3 domínios distintos), e não há pares isolados no nitrogênio.
    Portanto número de domínios ao redor do nitrogênio =3. Logo a hibridação é
\mathrm{sp}^2.
Explicando o que isso significa qualitativamente: o nitrogênio usa três orbitais híbridos \mathrm{sp}^2 (dispostos em um plano trigonal, ângulo próximo de 120^\circ) para formar as três ligações sigma com os oxigênios. Resta um orbital 2p não hibridizado no nitrogênio, perpendicular ao plano, que participa do sistema \pi deslocalizado com orbitais p dos oxigênios.

Passo 5

Contagem de ligações \sigma (sigma) envolvendo o átomo em questão — explicando a regra usada:
  • Cada ligação simples contém exatamente uma ligação \sigma.
  • Uma ligação dupla contém uma \sigma e uma \pi.
  • Em ressonância, as ligações efetivas podem ser parcialmente duplas, mas a contagem de \sigma por par de átomos costuma corresponder ao número de ligações diretas entre aqueles átomos (cada conexão tem uma \sigma).
No \mathrm{NO}_3^{-} real há três ligações N–O (três conexões entre N e O). Assim o número de ligações \sigma no nitrogênio central é
\boxed{\sigma = 3.}

Passo 6

Contagem de ligações \pi (pi) envolvendo o átomo em questão — explicando cuidadosamente a ideia de ressonância e delocalização:
  • Nas estruturas-resonância uma das três ligações é uma dupla (contendo uma \pi localizada) e as outras duas são simples (sem \pi). Portanto, em cada forma-resonância há exatamente uma \pi ligado ao nitrogênio.
  • Na descrição real, essa \pi está deslocalizada sobre as três ligações N–O; matematicamente temos um único par de elétrons \pi (dois elétrons) espalhado pelo sistema. Por isso diz-se que há “uma ligação \pi deslocalizada” envolvendo o nitrogênio e os oxigênios.
Assim o número total de ligações \pi envolvendo o nitrogênio (considerando a molécula real / estado ressonante) é
\boxed{\pi = 1.}
Se quiser, pode interpretar também como ordem de ligação média entre N e cada O igual a \tfrac{4}{3} (pois há 3 ligações \sigma e 1 \pi no total distribuídas entre três N–O), mas o que foi pedido era apenas o número de ligações \sigma e \pi.

Passo 7

Resumo físico-químico final e pequena motivação para lembrar na prova:
  • Hibridação sp^2 → é útil procurar “3 regiões de densidade” ao redor do átomo.
  • Sempre conte \sigma como uma por conexão direta; \pi aparece por cada ligação múltipla, ou por elétrons \pi deslocalizados (ressonância) conte-os como um total fracionado se necessário, mas aqui contabilizamos o total real de pares \pi (um par → uma ligação \pi).
  • Dica de prova: desenhe rapidamente a estrutura de Lewis, conte domínios para hibridação, e conte \sigma e \pi como expliquei. Respira fundo — funciona sempre.

Resposta

\mathrm{sp}^2;\\ \sigma=3,\\ \pi=1

Exercícios relacionados