Dê a hibridização do átomo em negrito da molécula do \mathbf{S F}_{4} e estabeleça o arranjo eletrônico e a geometria dessa molécula, indicando se ela polar ou apolar. Dado de número atômico: \mathrm{S}=16, \mathrm{~F}=9.
\begin{aligned} & S=1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{6} 3 s^{2} 3 p^{4} \\\ & F=1 s^{2} 2 s^{2} 2 p^{5} \end{aligned}

Passo 1

O que o enunciado pede e o que foi dado:
  • Pede-se a hibridização do átomo em negrito na molécula \mathbf{S F}_{4}. Aqui o átomo em negrito é o enxofre (S), o átomo central da molécula.
  • Pede-se também o arranjo eletrônico (ou seja: disposição dos pares eletrônicos ao redor do átomo central), a geometria molecular (forma dos átomos ligados) e se a molécula é polar ou apolar.
  • Informação fornecida (configurações eletrônicas): \mathrm{S}=1s^{2}\;2s^{2}\;2p^{6}\;3s^{2}\;3p^{4}, \qquad \mathrm{F}=1s^{2}\;2s^{2}\;2p^{5}.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência (passo fundamental para montar a estrutura de Lewis).
  • Elétrons de valência do enxofre \mathrm{S}: na camada 3 tem 3s^{2}3p^{4} \;6\; elétrons de valência. Escrevemos \mathrm{S}: 6 elétrons.
  • Elétrons de valência de cada flúor \mathrm{F}: 2s^{2}2p^{5} \;7\; elétrons de valência por átomo.
  • Em \mathrm{SF}_{4} há 1 S e 4 F, então total de elétrons de valência: \text{total} = 6 + 4\cdot 7 = 6 + 28 = 34 \text{ elétrons de valência}.éê

Passo 3

Montagem da estrutura de Lewis (passo a passo, com contagem de elétrons).
  • Coloca-se \mathrm{S} no centro e liga-se os quatro \mathrm{F} por ligações simples \mathrm{S}\!-\!\mathrm{F}. Cada ligação simples usa 2 elétrons.
  • Elétrons usados nas 4 ligações simples: 4 \times 2 = 8\\ \text{elétrons}.éRestam 34-8=26 elétrons para distribuir como pares livres.
  • Completar o octeto dos 4 flúor: cada \mathrm{F} precisa de 3 pares livres (6 elétrons) além da ligação: 4\times 6 = 24\\ \text{elétrons}.éSubtraindo: 26-24=2 elétrons restantes.
  • Esses 2 elétrons restantes formam um par isolado (lone pair) sobre o enxofre \mathrm{S}.
  • Conclusão da estrutura de Lewis: \mathrm{S} com 4 ligações simples para 4 \mathrm{F} e 1 par isolado no S. O enxofre, portanto, tem 5 “domínios eletrônicos” ao redor (4 ligações ligantes + 1 par isolado). Observe que aqui o enxofre tem “octeto expandido” (mais de 8 elétrons ao seu redor em termos de contagem formal), o que é possível porque estamos na terceira camada (nível n=3).

Passo 4

Determinação do arranjo eletrônico (VSEPR) a partir do número de domínios eletrônicos.
  • Definição prática: cada ligação simples, dupla, tripla ou par isolado conta como um domínio eletrónico. Aqui há 4 domínios ligantes + 1 domínio não-ligante = 5 domínios.
  • Para 5 domínios a geometria eletrônica (arranjo dos pares eletrônicos) que minimiza repulsões é a trigonal bipiramidal.
  • Logo, o arranjo eletrônico em torno do enxofre é: trigonal bipiramidal .

Passo 5

Determinação da hibridização do átomo central (explicação didática do conceito).
  • Conceito rápido: hibridização é um modelo que mistura orbitais atômicos (s, p, d, …) para formar um conjunto de orbitais híbridos equivalentes que acomodam os domínios eletrônicos.
  • Para acomodar cinco domínios eletrônicos precisamos de cinco orbitais híbridos no átomo central. A combinação natural (modelo clássico) é juntar um orbital s, três p e um d para formar cinco híbridos do tipo \mathrm{sp}^{3}\mathrm{d}.
  • Portanto, a hibridização do enxofre em \mathrm{SF}_{4} é \mathrm{sp}^{3}\mathrm{d}.
  • Observação prática: esse uso de orbitais d é a explicação clássica para o octeto expandido em elementos do terceiro período; modelos quânticos mais avançados discutem a contribuição real dos orbitais d, mas para resolver provas de química geral a resposta aceita é \mathrm{sp}^{3}\mathrm{d}.

Passo 6

Determinação da geometria molecular (forma real dos átomos) e posicionamento do par isolado.
  • Em geometria trigonal bipiramidal há duas posições diferentes: posições axiais (duas, em linha, opostas) e posições equatoriais (três, formando um triângulo ao redor do centro).
  • Regras VSEPR: pares isolados preferem a posição que minimiza repulsões 90°. Um par isolado em posição equatorial tem apenas duas interações de 90^\circ com átomos axiais, enquanto se estivesse em posição axial teria três interações de 90^\circ com as equatoriais. Portanto o par isolado ocupa uma posição equatorial.
  • Com um par isolado em posição equatorial e quatro átomos ligados (três equatoriais/um substituído por par isolado → sobram 2 axiais + 3 equatoriais mas um equatorial é o lone pair), a geometria molecular resultante (disposição apenas dos átomos) chama-se “seesaw” em inglês — em português frequentemente descrita como geometria em gangorra ou bipirâmide trigonal distorcida (geometria em gangorra).
  • Ângulos aproximados: idealmente a trigonal bipiramidal tem ângulos \;120^\circ entre equatoriais e \;90^\circ entre axial e equatorial. Na prática, devido ao par isolado que causa maior repulsão, os ângulos equatorial–equatorial ficam ligeiramente menores que 120^\circ e os ângulos axial–equatorial ficam maiores que 90^\circ. Ou seja: pequena distorção a partir dos valores ideais.

Passo 7

Determinação da polaridade da molécula (por que é polar ou apolar).
  • Cada ligação \mathrm{S}\!-\!\mathrm{F} é polar (o flúor é muito mais eletronegativo que o enxofre), então há dipolos individuais dirigidos do enxofre para cada flúor.
  • Na disposição axial, os dois dipolos axiais apontam em sentidos opostos e se tendem a cancelar parcialmente; porém os três centros equatoriais (dois ocupados por \mathrm{F} e um pela lone pair) não são simetricamente equivalentes por causa do par isolado. O par isolado não é um átomo, mas cria assimetria na distribuição eletrônica.
  • Essa assimetria impede o cancelamento perfeito dos vetores dipolos; o resultado é um momento dipolar líquido diferente de zero.
  • Logo, a molécula \mathrm{SF}_{4} é polar (tem momento dipolar resultante ≠ 0). Em palavras de amigo: a “gangorra” não é simétrica — sobra um lado mais negativo — então dá dipolo.

Passo 8

Resumo final compacto (antes da resposta final): hibridização \mathrm{sp}^{3}\mathrm{d}; arranjo eletrônico trigonal bipiramidal; geometria molecular em gangorra (seesaw); molécula polar.

Resposta

Hibridização do átomo em negrito (S): \mathrm{sp}^{3}\mathrm{d}
Arranjo eletrônico (disposição dos pares eletrônicos): trigonal bipiramidal
Geometria molecular (átomos apenas): gangorra (seesaw — bipirâmide trigonal distorcida)
Polaridade: polar

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