4- A molécula
tem um momento dipolar igual a
, e a
tem um momento dipolo igual a zero.
a) Explique a diferença no momento de dipolo das duas moléculas?
b) Qual a geometria de cada uma das moléculas?
a) Explique a diferença no momento de dipolo das duas moléculas?
b) Qual a geometria de cada uma das moléculas?
Passo 1
O enunciado dá duas informações claras e pede duas coisas:
- Dados: a molécula
tem momento dipolar igual a e a molécula tem momento dipolar igual a . - Perguntas:
a) Explique por quetem momento dipolar diferente de zero enquanto tem momento dipolar nulo.
b) Determine a geometria (a forma espacial) de cada molécula.
Passo 2
O que é momento dipolar e como ele surge (aulas rápidas e práticas).
- O momento dipolar de uma molécula é uma grandeza vetorial que mede a separação média de cargas positivas e negativas; denota-se por
. - Uma expressão simples e útil é
, onde é uma carga efetiva e é o vetor que separa as cargas. A unidade mais usada em química é o Debye (D). - Em moléculas, cada ligação covalente polar (ligação entre átomos com eletronegatividades diferentes) cria um “dipolo de ligação” — um vetor apontando da região menos eletronegativa para a mais eletronegativa.
- O momento dipolar total da molécula é a soma vetorial de todos os dipolos de ligação mais possíveis contribuições de pares isolados (lone pairs). Se esses vetores se cancelarem, o momento total é zero; se não, fica diferente de zero.
Passo 3
Como determinar a geometria — resumo do método VSEPR (passo a passo simples).
- VSEPR significa teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência. Conta-se o número de pares de elétrons ao redor do átomo central (pares ligantes + pares não ligantes).
- Regras práticas:
- Some elétrons de valência do átomo central.
- Subtraia elétrons usados em ligações (cada ligação simples usa 1 par do central).
- Pares não ligantes ocupam posições e empurram a geometria.
- A geometria que minimiza repulsões determina a forma (linear, trigonal planar, tetraédrica, trigonal piramidal, etc.).
Passo 4
Aplicando VSEPR em
— contagem de elétrons e geometria.
- Fósforo tem
elétrons de valência; cada flúor fornece 1 elétron para a ligação, formando três ligações P–F. Em termos práticos: - Elétrons ao redor do P:
. - Três ligações usam
desses elétrons para parear com os três F. - Sobra
elétrons no P, ou seja, um par isolado (lone pair).
- Elétrons ao redor do P:
- Assim, ao redor do P há três pares ligantes e um par não ligante: arranjo eletronar é parecido com o de um tetraedro (espacial), mas com um vértice ocupado por um lone pair.
- Geometria das posições dos átomos (considerando apenas os átomos): trigonal piramidal (semelhante ao
). Portanto: - Geometria eletrônica: tetraédrica (3 ligantes + 1 lone pair).
- Geometria molecular (somente átomos): trigonal piramidal.
Passo 5
Aplicando VSEPR em
— contagem de elétrons e geometria.
- Boro tem
elétrons de valência; forma três ligações simples com três flúor e, em um modelo simples, não fica com pares isolados no boro. - Assim, existem três pares ligantes e zero pares isolantes no átomo central.
- A disposição que minimiza repulsões para três pares é trigonal planar (ângulos de
), ou seja, os átomos formam um triângulo plano em torno do boro. - Geometria: trigonal planar (plana, simétrica).
Passo 6
Por que vetores de dipolo podem se cancelar — demonstração simples para três vetores iguais em
.
- Suponha três vetores de mesmo módulo
no plano, separados por . Em coordenadas no plano podemos escolher: - Soma:
- Conclusão: três dipolos iguais no plano em
se cancelam perfeitamente — o momento dipolar resultante é nulo.
Passo 7
Aplicando a cancelamento ao
(conexão direta com o enunciado).
- Em
cada ligação B–F é polar (F é muito mais eletronegativo que B), então há três dipolos de ligação iguais apontando em direção aos flúors. - Esses três dipolos estão dispostos no plano com ângulos de
. Pela demonstração do Passo 6, eles se cancelam exatamente. - Resultado: momento dipolar total
, ou seja, momento dipolar igual a zero (concorda com o dado do enunciado).
Passo 8
Por que
tem momento dipolar diferente de zero — explicação vetorial e influência do lone pair.
- Em
as P–F são ligações polares (F é muito eletronegativo em relação a P), então existem dipolos de ligação. - No entanto, a geometria não é planar simétrica: é trigonal piramidal por causa do par isolado no P. Isso quebra a simetria que permitiria o cancelamento total dos dipolos.
- Dois efeitos principais que somam para produzir
: - A inclinação tridimensional das ligações faz com que as componentes vetoriais dos dipolos P–F não se anulem completamente; em particular, resta uma componente resultante ao longo do eixo da pirâmide.
- O par isolado (lone pair) no P é uma região de maior densidade eletrônica que também contribui para o momento dipolar (pode ser visto como outro vetor que se soma aos dipolos das ligações).
- Um modelo simples: se cada dipolo de ligação tem componente na direção axial (vertical) igual a
(com o ângulo entre a ligação e o eixo da pirâmide), as componentes horizontais ainda se cancelam por simetria e a componente axial soma para dar algo como que é não nulo se . Somando a contribuição do lone pair obtém-se o momento dipolar total observado. - Consequência prática:
tem momento dipolar não nulo; o valor experimental é o resultado dessa soma vetorial incompletamente cancelada.
Passo 9
Comparação rápida de eletronegatividades (intuição adicional).
- Valores (Pauling) aproximados:
, , . - Em ambas as moléculas as ligações B–F e P–F são polares (F é bastante eletronegativo). A diferença é que em
a disposição simétrica faz os vetores se cancelarem; em a simetria é quebrada (lone pair), então o cancelamento é parcial e aparece um dipolo líquido. - Observação: detalhes eletrônicos (como algum caráter covalente/retrodoação em
) podem modificar intensidades de ligações, mas a razão do momento zero de é essencialmente geométrica/simétrica.
Passo 10
Resumo final curto e direto (pré-resposta).
-
: três dipolos de ligação iguais em plano a → cancelamento → . -
: par isolado no P gera geometria trigonal piramidal; dipolos de ligação + lone pair não se cancelam → (valor experimental ).
Resposta
a)
tem momento dipolar diferente de zero porque a presença do par isolado no fósforo produz uma geometria trigonal piramidal que impede o cancelamento vetorial completo dos dipolos P–F; em
os três dipolos B–F, iguais e dispostos no plano com ângulos de
, se cancelam exatamente, resultando em momento dipolar nulo.
b) Geometria de : trigonal piramidal (geometria molecular); geometria de
: trigonal planar.
b) Geometria de