Questão 06. As espécies \mathrm{CO}, \mathrm{CO}_{2}, \mathrm{CH}_{3} \mathrm{OH} e \mathrm{CO}_{3}{ }^{2-} contêm ligações carbono-oxigênio.
a) Coloque as quatro espécies em ordem crescente de energia de ligação carbono-oxigênio. Justifique.
b) Qual espécie deve apresentar o menor comprimento para a ligação carbono-oxigênio? Justifique.

Passo 1

O enunciado dá quatro espécies que contêm ligações carbono–oxigênio: \mathrm{CO}, \mathrm{CO}_2, \mathrm{CH_3OH} e \mathrm{CO}_3^{2-}. Pergunta-se:
(a) Colocar as quatro espécies em ordem crescente de energia de ligação carbono–oxigênio e justificar.
(b) Dizer qual espécie apresenta o menor comprimento para a ligação carbono–oxigênio e justificar.
Informações relevantes que temos no enunciado:
  • As quatro espécies mencionadas e que todas possuem ligações C–O.
  • Não foram dadas energias ou comprimentos numéricos; portanto devemos usar propriedades estruturais (ordem de ligação, ressonância, ligações simples/duplas/triplas, cargas formais) para comparar energia e comprimento das ligações C–O.

Passo 2

Conceitos que vamos usar (explicação didática e passo a passo):
  • O que é ordem de ligação: a ordem de ligação é, de forma simples, o “número de ligações químicas” efetivas entre dois átomos. Uma ligação simples tem ordem 1, uma dupla ordem 2, uma tripla ordem 3. Para casos com ressonância, a ordem pode ser fracionária (média entre estruturas de ressonância).
  • Relação ordem de ligação × energia × comprimento: em geral, quanto maior a ordem de ligação, maior a energia (a ligação é mais forte) e menor o comprimento (os átomos ficam mais próximos). Essa é uma regra empírica muito usada em química. Vou usar essa regra para comparar as espécies, porque o enunciado não dá dados experimentais.
  • Como calcular ordem de ligação por ressonância / Lewis: quando existem estruturas de ressonância, a ordem de ligação entre os dois átomos é a média do número de ligações presentes nessas estruturas equivalentes. Exemplo rápido: no \mathrm{O}_3 cada ligação O–O tem ordem 1{,}5 porque existem uma ligação dupla e uma simples distribuídas em duas ligações equivalentes.
  • Outra maneira (para moléculas diatômicas ou MO) é \displaystyle \text{BO}=\frac{n_b-n_a}{2}, onde n_b são elétrons ligantes e n_a são elétrons antiligantes; aqui usaremos principalmente o método de Lewis/ressonância porque é o mais direto para estas espécies.

Passo 3

Analisando cada espécie: desenhar mentalmente (ou por Lewis) a estrutura e obter a ordem de ligação C–O.
  1. \mathrm{CH_3OH} (metanol).
  • O carbono está ligado a três hidrogênios e a um oxigênio por ligação simples. O oxigênio está ligado ao hidrogênio (OH) e ao carbono. Não há ressonância que envolva a ligação C–O.
  • Portanto a ligação C–O é uma ligação simples com ordem de ligação \displaystyle \text{BO}(\mathrm{CH_3OH})=1.
  1. \mathrm{CO}_2 (dióxido de carbono).
  • Estrutura de Lewis típica: O=C=O, duas ligações duplas equivalentes (cada C–O é uma dupla). Não há ressonância que mude a ordem média entre as duas O; ambas são iguais e de ordem 2.
  • Então \displaystyle \text{BO}(\mathrm{CO}_2)=2.
  1. \mathrm{CO} (monóxido de carbono).
  • Estrutura de Lewis mais representativa: existe, efetivamente, uma ligação tripla entre C e O (uma maneira de desenhar é com três traços entre C e O, mais pares isolados). A descrição de cargas formais mostra que o carbono tem carga parcial negativa e o oxigênio parcial positiva em uma das estruturas, mas isso não muda o fato de que há três pares de elétrons compartilhados (ligação tripla).
  • Portanto \displaystyle \text{BO}(\mathrm{CO})\approx 3. (Observação: a descrição de MO confirma ordem de ligação próxima a 3; por isso \mathrm{CO} tem ligação muito forte e curta.)
  1. \mathrm{CO}_3^{2-} (íon carbonato).
  • Estruturas de ressonância: há três estruturas equivalentes onde em cada estrutura um dos C–O é dupla e os outros dois são simples com cargas negativas distribuídas. Assim, a ordem média de ligação entre C e cada O é a média de uma dupla e duas simples dividida por três.
  • Calcular explicitamente:
\text{BO}(\mathrm{CO}_3^{2-})=\frac{2 + 1 + 1}{3}=\frac{4}{3}\approx 1{,}33.
  • Então cada ligação C–O no carbonato tem ordem \displaystyle \frac{4}{3}.

Passo 4

Converter ordens de ligação em comparação de energias (regra: maior ordem → maior energia de ligação). Colocando as ordens que encontramos:
\begin{aligned} \text{BO}(\mathrm{CH_3OH})&=1,\\\ \text{BO}(\mathrm{CO}_3^{2-})&=\tfrac{4}{3}\approx 1{,}33,\\\ \text{BO}(\mathrm{CO}_2)&=2,\\\ \text{BO}(\mathrm{CO})&\approx 3. \end{aligned}
Assim, em ordem crescente de energia de ligação C–O (menor energia primeiro) fica:
\mathrm{CH_3OH}\;(<)\;\mathrm{CO}_3^{2-}\;(<)\;\mathrm{CO}_2\;(<)\;\mathrm{CO}.
Justificativa: a energia de ligação aumenta com a ordem de ligação; o metanol tem apenas ligação simples (mais fraca), o carbonato tem ligações intermediárias por ressonância ( \tfrac{4}{3}), o \mathrm{CO}_2 tem dupla (mais forte) e o \mathrm{CO} tem ordem tripla (a mais forte).

Passo 5

Converter ordens de ligação em comparação de comprimentos (regra: maior ordem → menor comprimento). Portanto o menor comprimento de ligação C–O ocorre na espécie com maior ordem de ligação, que é \mathrm{CO} com ordem aproximadamente 3. Justificativa: ligações múltiplas aproximam os núcleos dos átomos e aumentam a densidade eletrônica entre eles, puxando-os mais perto e reduzindo o comprimento. Logo a sequência inversa de comprimentos (do menor para o maior) acompanha a ordem de ligação: \mathrm{CO} (menor) < \mathrm{CO}_2 < \mathrm{CO}_3^{2-} < \mathrm{CH_3OH} (maior).

Passo 6

Comentários finais rápidos para fixar (máquina de memorização amiga): pense assim na prova — primeiro descubra a ordem de ligação por Lewis/ressonância; depois lembre: maior ordem → ligação mais forte e mais curta. Exemplos curtos para lembrar: \mathrm{N}_2 (BO =3) é muito curta e forte; \mathrm{O}_2 (BO =2) é intermediária; ligações simples são as mais longas e fracas.

Resposta

(a) \mathrm{CH_3OH} < \mathrm{CO}_3^{2-} < \mathrm{CO}_2 < \mathrm{CO}\n
(b) \mathrm{CO}

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