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.
\mathrm{O}_{2}^{-}

Passo 1

O enunciado pede: “Forneça todas as estruturas de Lewis razoáveis para \mathrm{O}_2^{-}. Em caso de existir mais de uma estrutura de ressonância, indique a dominante.”\n
Informações dadas e coisas a notar:
  • Íon diatômico com dois átomos de oxigênio: 2 átomos de O.
  • Carga global do íon: -1.
  • Cada oxigênio tem 6 elétrons de valência; há um elétron extra por causa da carga -1.
  • Total de elétrons de valência a distribuir: \;2\cdot 6 + 1 = 13 elétrons (número ímpar → espécie radical).
  • O esqueleto possível é apenas \mathrm{O}-\mathrm{O} (dois átomos ligados entre si).

Passo 2

Vou calcular o número total de elétrons de valência com a notação em TeX:
\text{eletrons totais} = 2\cdot 6 + 1 = 13.
Explicação didática: somamos os elétrons de valência de cada átomo (cada O dá 6) e somamos 1 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 \mathrm{O}-\mathrm{O}. Uma ligação simples usa 2 elétrons, restando
13 - 2 = 11\\ \text{elétrons}é
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 6 + 4 + 1 = 11 elétrons restantes, como precisamos.
  • Assim obtemos a seguinte configuração por átomo:
    • Átomo A: ligação simples + 3 pares isolados → não-ligantes = 6 elétrons.
    • Átomo B: ligação simples + 2 pares isolados + 1 elétron isolado → não-ligantes = 5 elétrons (contando o elétron solitário).
  • Verificação de octeto: A tem 2 elétrons na ligação + 6 não-ligantes = 8 elétrons → octeto completo. B tem 2 (ligação) + 4 (dois pares) + 1 (elétron não pareado) = 7 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:
\text{carga formal} = V - N - \frac{B}{2}
onde \;V é o número de elétrons de valência do átomo isolado, \;N é o número de elétrons não ligantes no átomo na estrutura, e \;B 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): V=6,\\ N=6,\\ B=2 \Rightarrow \text{c.f.} = 6 - 6 - \frac{2}{2} = -1.
  • Para o átomo B (o que tem 2 pares + 1 elétron isolado): V=6,\\ N=5,\\ B=2 \Rightarrow \text{c.f.} = 6 - 5 - \frac{2}{2} = 0.
Resultado: a estrutura tem uma carga formal -1 distribuída sobre o átomo que tem 3 pares; o outro átomo é neutro mas carrega o elétron não pareado (radical). A carga global é -1, 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 -1 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 -1 (3 pares), a direita tem o elétron não pareado.
  • Estrutura 2: a direita tem a carga formal -1 (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 \approx 1{,}5. Explicação rápida (sem entrar em muita álgebra): ao adicionar um elétron ao \mathrm{O}_2 neutro, esse elétron vai para um orbital \pi^* (antiligante), reduzindo a ordem de ligação em 0{,}5 em relação ao \mathrm{O}_2 (que tem ordem 2). Assim \mathrm{O}_2^{-} tem ordem de ligação 2 - 0{,}5 = 1{,}5. 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 \approx 1{,}5.

Resposta

[\,\mathrm{O}^{-}-\mathrm{O}\bullet\,] e [\,\bullet\mathrm{O}-\mathrm{O}^{-}\,] — duas estruturas de ressonância equivalentes (nenhuma domina); híbrido com ordem de ligação \approx 1{,}5.

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