Indique se as seguintes moléculas são polares ou apolares? Justifique a sua resposta:
\mathrm{NCl}_{3};

Passo 1

O que o enunciado pede: determinar se a molécula \mathrm{NCl}_3 é polar ou apolar e justificar a resposta.
Informações relevantes que vamos usar (nenhuma informação adicional foi pedida ao usuário, portanto uso apenas conhecimento padrão de química):
  • Fórmula: \mathrm{NCl}_3.
  • Valores típicos de eletronegatividade de Pauling (usados para avaliar polaridade de ligações): \chi(\mathrm{N})\approx 3{,}04 e \chi(\mathrm{Cl})\approx 3{,}16.
  • Regras de VSEPR para geometria molecular (contagem de pares de elétrons ao redor do átomo central).

Passo 2

Construção da estrutura de Lewis e contagem de domínios eletrônicos (passo a passo didático).
  1. Esqueleto: átomo central é o nitrogênio ligado a três cloros: \mathrm{N}-\mathrm{Cl} (três ligações simples).
  2. Elétrons de valência: \mathrm{N} tem 5 elétrons; cada \mathrm{Cl} tem 7 elétrons. Total = 5 + 3\times7 = 26 elétrons de valência. Distribuindo-os para formar três ligações N–Cl (cada ligação usa 2 elétrons) sobram elétrons para completar octetos. O nitrogênio terá um par não-ligante (lone pair) e cada cloro completa seu octeto.
  3. Domínios eletrônicos ao redor do nitrogênio: três pares ligantes (cada N–Cl) + um par isolado = 4 domínios eletrônicos.

Passo 3

Determinar a geometria molecular com VSEPR (explicação prática).
  • Regra VSEPR: domínios eletrônicos (pares ligantes + pares isolantes) se dispõem para minimizar repulsões.
  • Com 4 domínios ( 3 ligantes + 1 lone pair) o arranjo eletrônico é tetraédrico, mas a geometria molecular (somente átomos) é trigonal piramidal. Em notação VSEPR isso é \text{AX}_3\text{E}.
  • Consequência: os três átomos de Cl formam uma base triangular e o N fica no ápice; há assimetria causada pelo par isolado em N (o lone pair ocupa mais espaço e “empurra” as ligações).

Passo 4

Avaliar polaridade das ligações \mathrm{N}-\mathrm{Cl} usando eletronegatividade (aula rápida sobre dipolo de ligação).
  • Definição prática: uma ligação é polar se os átomos têm eletronegatividades diferentes; o vetor dipolo de ligação aponta do átomo menos eletronegativo para o mais eletronegativo (do pólo positivo parcial ao negativo parcial).
  • Aqui \chi(\mathrm{N})\approx 3{,}04 e \chi(\mathrm{Cl})\approx 3{,}16. A diferença é pequena, mas \mathrm{Cl} é ligeiramente mais eletronegativo que \mathrm{N}. Portanto cada ligação \mathrm{N}-\mathrm{Cl} é ligeiramente polar, com dipolo apontando de \mathrm{N} para \mathrm{Cl}. Denotemos a magnitude do dipolo de cada ligação por p e o vetor por \vec{p}_i.

Passo 5

Somatório vetorial dos dipolos (explicação passo a passo como decidir se a molécula inteira tem dipolo resultante nulo ou não).
  • Geometricamente, as três ligações \mathrm{N}-\mathrm{Cl} são idênticas e estão dispostas simetricamente ao redor do eixo que passa pelo N e pelo centro do triângulo formado pelos 3 Cl (eixo C_3 da pirâmide).
  • Cada dipolo ligado tem uma componente radial no plano da base e uma componente axial ao longo do eixo da pirâmide. As componentes radiais (no plano) das três \vec{p}_i se cancelam por simetria (soma vetorial das partes horizontais é zero). As componentes axiais (paralelas ao eixo) se somam.
  • Escrevendo isso matematicamente: se a magnitude de cada dipolo de ligação é p e o ângulo entre a ligação e o eixo é \theta, então a componente axial de cada dipolo é p\cos\theta. A soma axial das três é
\vec{p}_\text{total,lig}=\sum_{i=1}^{3}\vec{p}_i=3p\cos\theta\,\hat{z},
onde \hat{z} é o vetor unitário ao longo do eixo. Como p e \cos\theta são diferentes de zero, a soma não é zero.
  • Além disso, o par isolado no nitrogênio cria uma distribuição de carga que também contribui para a polaridade (a densidade eletrônica do lone pair faz com que o centro de carga não coincida com a geometria simétrica). Em resumo: a presença do lone pair quebra a simetria total e impede o cancelamento completo dos dipolos de ligação.

Passo 6

Conclusão física e como memorizar/decidir rápido na prova (dica prática).
  • Moléculas do tipo trigonal piramidal \text{AX}_3\text{E} com ligações polares são, em geral, polares (ex.: \mathrm{NH}_3 é polar). Comparando com um caso que cancela: se fosse trigonal planar simétrico ( \mathrm{AX}_3, sem lone pair) como \mathrm{BCl}_3, os dipolos se cancelariam e a molécula seria apolar.
  • Aplicando isso a \mathrm{NCl}_3: as ligações são (ligeiramente) polares em direção a \mathrm{Cl} e a geometria trigonal piramidal com um lone pair impede o cancelamento; portanto existe um momento dipolar resultante diferente de zero.

Resposta

\mathrm{NCl}_3: polar.

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