Questão 9. Forneça todas as estruturas de Lewis razoáveis para as moléculas e íons a seguir. Em caso de existir mais de uma estrutura de ressonância, indique a dominante.
Passo 1
O enunciado pede: “Forneça todas as estruturas de Lewis razoáveis para
. Em caso de existir mais de uma estrutura de ressonância, indique a dominante.”\n
Informações dadas e coisas a notar:
Informações dadas e coisas a notar:
- Íon diatômico com dois átomos de oxigênio:
átomos de O. - Carga global do íon:
. - Cada oxigênio tem
elétrons de valência; há um elétron extra por causa da carga . - Total de elétrons de valência a distribuir:
elétrons (número ímpar → espécie radical). - O esqueleto possível é apenas
(dois átomos ligados entre si).
Passo 2
Vou calcular o número total de elétrons de valência com a notação em TeX:
Explicação didática: somamos os elétrons de valência de cada átomo (cada O dá
) e somamos
por causa da carga negativa do íon. O total é ímpar, portanto teremos um elétron não pareado (radical) em qualquer estrutura de Lewis correta.
Passo 3
Escolha de conectividade e primeiro esboço: os dois oxigênios devem ligar-se entre si. Começo desenhando uma ligação simples
. Uma ligação simples usa
elétrons, restando
para distribuir como pares e um elétron isolado.
Passo 4
Distribuição dos elétrons para satisfazer, na medida do possível, a regra do octeto e contabilizar o elétron ímpar:
- Vou testar uma distribuição razoável: dar 3 pares (6 elétrons) a um oxigênio e 2 pares (4 elétrons) + 1 elétron isolado ao outro. Isso usa
elétrons restantes, como precisamos. - Assim obtemos a seguinte configuração por átomo:
- Átomo A: ligação simples + 3 pares isolados → não-ligantes =
elétrons. - Átomo B: ligação simples + 2 pares isolados + 1 elétron isolado → não-ligantes =
elétrons (contando o elétron solitário).
- Átomo A: ligação simples + 3 pares isolados → não-ligantes =
- Verificação de octeto: A tem
elétrons na ligação + não-ligantes = elétrons → octeto completo. B tem (ligação) + (dois pares) + (elétron não pareado) = elétrons ao seu redor → é radical (aceitável porque o total de elétrons é ímpar).
Passo 5
Cálculo das cargas formais (fórmula e aplicação). Fórmula da carga formal:
onde
é o número de elétrons de valência do átomo isolado,
é o número de elétrons não ligantes no átomo na estrutura, e
é o número de elétrons envolvidos em ligações (contando todos os elétrons de ligação ao redor do átomo). Aplicando para cada átomo nas estruturas propostas:
- Para o átomo A (o que tem 3 pares):
- Para o átomo B (o que tem 2 pares + 1 elétron isolado):
Resultado: a estrutura tem uma carga formal
distribuída sobre o átomo que tem 3 pares; o outro átomo é neutro mas carrega o elétron não pareado (radical). A carga global é
, consistente.
Passo 6
Construção das estruturas de ressonância: o elétron não pareado pode estar em qualquer um dos dois átomos de oxigênio, e a posição da carga formal
também muda de átomo quando trocamos quem tem os 3 pares. Portanto existem duas estruturas de Lewis equivalentes (ressonantes), obtidas trocando os papéis dos dois oxigênios:
- Estrutura 1: a esquerda tem a carga formal
(3 pares), a direita tem o elétron não pareado. - Estrutura 2: a direita tem a carga formal
(3 pares), a esquerda tem o elétron não pareado.
Essas duas estruturas são equivalentes por simetria (troca de átomos) e, portanto, contribuem igualmente para o híbrido de ressonância.
Passo 7
Discussão física sobre ordem de ligação e dominância: as duas estruturas de ressonância acima têm ligação simples entre os oxigênios em cada fórmula de Lewis, mas experimentalmente o comprimento de ligação e teorias de orbitais moleculares mostram uma ordem de ligação fracionária
. Explicação rápida (sem entrar em muita álgebra): ao adicionar um elétron ao
neutro, esse elétron vai para um orbital
(antiligante), reduzindo a ordem de ligação em
em relação ao
(que tem ordem 2). Assim
tem ordem de ligação
. Isso é coerente com o fato das duas estruturas ressonantes compartilharem a carga negativa e o radical — o elétron e a carga ficam delocalizados entre os dois átomos, gerando um vínculo intermediário entre simples e duplo.
Passo 8
Conclusões finais e resposta direta pedida:
- Existem exatamente duas estruturas de Lewis razoáveis (resonantes), que são imagens uma da outra por troca de átomos.
- As duas contribuem igualmente (são equivalentes); não há uma estrutura dominante.
- Híbrido de ressonância: elétron não pareado e carga negativa delocalizados; ordem de ligação efetiva
.