Questão 1: O óxido nitroso ( \mathrm{N}_{2} \mathrm{O} ) é um gás incolor e tem os seus átomos ligados na ordem da fórmula química de modo a formar uma molécula linear. Desenhe as estruturas de ressonância da molécula \mathrm{N}_{2} \mathrm{O} e, a partir do cálculo da carga formal de cada uma das espécies, determine a estrutura de ressonância mais estável.

Passo 1

O enunciado pede que eu desenhe as estruturas de ressonância da molécula linear \mathrm{N}_{2}\mathrm{O} (ordem dos átomos dada pela fórmula: terminal nitrogênio — nitrogênio central — oxigênio) e que eu determine, a partir do cálculo das cargas formais, qual estrutura de ressonância é a mais estável. Informações relevantes dadas pelo enunciado:
  • A molécula é linear e os átomos aparecem na ordem \mathrm{N}-\mathrm{N}-\mathrm{O}.
  • Preciso desenhar estruturas de ressonância e calcular cargas formais para decidir a mais estável.
  • Não há outra figura ou dado adicional. Vou usar a contagem de elétrons de valência e a regra do octeto para construir as estruturas plausíveis.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência (isso é essencial para construir as estruturas):
  • Cada nitrogênio tem 5 elétrons de valência; há dois nitrogênios \Rightarrow 2\times 5 = 10.
  • O oxigênio tem 6 elétrons de valência.
  • Total de elétrons de valência = 10 + 6 = 16.
Vou começar com o esqueleto linear obrigatório \mathrm{N}_1-\mathrm{N}_2-\mathrm{O}_3 (vou numerar os átomos para ficar claro: \mathrm{N}_1 terminal à esquerda, \mathrm{N}_2 central, \mathrm{O}_3 terminal à direita). Cada ligação simples consome 2 elétrons; com duas ligações simples iniciais ( \mathrm{N}_1-\mathrm{N}_2 e \mathrm{N}_2-\mathrm{O}_3) usamos 4 elétrons e restam 12 elétrons para distribuir como pares isolados ou para formar múltiplas ligações conforme a regra do octeto.

Passo 3

Possíveis padrões de ligações (estruturas de ressonância plausíveis), dada a contagem de elétrons e a necessidade de satisfazer o octeto:
  • Estrutura A: \mathrm{N}_1\equiv\mathrm{N}_2-\mathrm{O}_3 (tripla entre \mathrm{N}_1 e \mathrm{N}_2, simples entre \mathrm{N}_2 e \mathrm{O}_3).
  • Estrutura B: \mathrm{N}_1=\mathrm{N}_2=\mathrm{O}_3 (dupla entre \mathrm{N}_1 \mathrm{N}_2 e dupla entre \mathrm{N}_2 \mathrm{O}_3).
  • Estrutura C: \mathrm{N}_1-\mathrm{N}_2\equiv\mathrm{O}_3 (simétrica de A, com tripla entre \mathrm{N}_2 e \mathrm{O}_3 e simples entre \mathrm{N}_1 e \mathrm{N}_2).
Para cada uma vou completar os pares isolados de modo que cada átomo atinja o octeto (quando possível), e depois calcular as cargas formais para comparar estabilidade.

Passo 4

Explicação e fórmula da carga formal (método que usarei): a carga formal de um átomo é dada por
\text{carga formal} = \text{(elétrons de valência do átomo neutro)} - \big(\text{elétrons não compartilhados no átomo}\big) - \tfrac{1}{2}\big(\text{elétrons em ligações envolvendo o átomo}\big).éêáéãáéçõá
Aqui:
  • “elétrons não compartilhados” = pares isolados atribuídos ao átomo.
  • “elétrons em ligações” = todos os elétrons das ligações em que o átomo participa (cada ligação simples = 2 elétrons, dupla = 4, tripla = 6).
    Vou aplicar essa fórmula passo a passo em cada estrutura.

Passo 5

Cálculo de cargas formais para a Estrutura A: \mathrm{N}_1\equiv\mathrm{N}_2-\mathrm{O}_3
Desenho e distribuição de elétrons (usando os 16 elétrons totais):
  • Ligações: tripla \mathrm{N}_1\equiv\mathrm{N}_2 (6 elétrons), simples \mathrm{N}_2-\mathrm{O}_3 (2 elétrons) → total 8 elétrons em ligações. Restam 8 elétrons para pares isolados.
  • Para satisfazer octetos: \mathrm{N}_1 (com tripla) precisa de 1 par isolado (2 elétrons) para completar 8; \mathrm{N}_2 (tripla + simples) já tem 8 elétrons em ligações, então não tem pares isolados; \mathrm{O}_3 (ligado por simples) precisa de 3 pares isolados (6 elétrons). Soma dos pares isolados: 2 + 0 + 6 = 8, fecha a conta.
Agora cargas formais (uso a fórmula para cada átomo):
  • Para \mathrm{N}_1: valência 5, elétrons não compartilhados 2, elétrons em ligações 6.
\text{FC}(\mathrm{N}_1)=5 - 2 - \tfrac{6}{2} = 5 - 2 - 3 = 0.
  • Para \mathrm{N}_2: valência 5, elétrons não compartilhados 0, elétrons em ligações 6+2=8.
\text{FC}(\mathrm{N}_2)=5 - 0 - \tfrac{8}{2} = 5 - 0 - 4 = +1.
  • Para \mathrm{O}_3: valência 6, elétrons não compartilhados 6, elétrons em ligações 2.
\text{FC}(\mathrm{O}_3)=6 - 6 - \tfrac{2}{2} = 6 - 6 - 1 = -1.
Resumo Estrutura A: \mathrm{N}_1(0)-\mathrm{N}_2(+1)-\mathrm{O}_3(-1).

Passo 6

Cálculo de cargas formais para a Estrutura B: \mathrm{N}_1=\mathrm{N}_2=\mathrm{O}_3
Distribuição de elétrons:
  • Ligações: duas duplas (cada uma 4 elétrons) → 8 elétrons em ligações. Restam 8 para pares isolados.
  • Para octeto: \mathrm{N}_1 com dupla precisa de 2 pares isolados (4 elétrons); \mathrm{N}_2 (dupla em ambos os lados) tem suas 8 elétrons em ligações e, portanto, 0 pares isolados; \mathrm{O}_3 com dupla precisa de 2 pares isolados (4 elétrons). Soma 4+0+4=8, bate com o total restante.
Agora cargas formais:
  • Para \mathrm{N}_1: valência 5, não compartilhados 4, elétrons em ligações 4.
\text{FC}(\mathrm{N}_1)=5 - 4 - \tfrac{4}{2} = 5 - 4 - 2 = -1.
  • Para \mathrm{N}_2: valência 5, não compartilhados 0, elétrons em ligações 4+4=8.
\text{FC}(\mathrm{N}_2)=5 - 0 - \tfrac{8}{2} = 5 - 0 - 4 = +1.
  • Para \mathrm{O}_3: valência 6, não compartilhados 4, elétrons em ligações 4.
\text{FC}(\mathrm{O}_3)=6 - 4 - \tfrac{4}{2} = 6 - 4 - 2 = 0.
Resumo Estrutura B: \mathrm{N}_1(-1)-\mathrm{N}_2(+1)-\mathrm{O}_3(0).

Passo 7

Cálculo de cargas formais para a Estrutura C: \mathrm{N}_1-\mathrm{N}_2\equiv\mathrm{O}_3
Distribuição:
  • Ligações: simples \mathrm{N}_1-\mathrm{N}_2 (2 elétrons) e tripla \mathrm{N}_2\equiv\mathrm{O}_3 (6 elétrons) → 8 elétrons em ligações; restam 8 para pares isolados.
  • Para octeto: \mathrm{N}_1 (simples) precisa de 3 pares isolados (6 elétrons); \mathrm{N}_2 (simples + tripla) tem 8 elétrons em ligações e 0 pares isolados; \mathrm{O}_3 (tripla) precisa de 1 par isolado (2 elétrons). Soma 6+0+2=8, ok.
Cargas formais:
  • Para \mathrm{N}_1: valência 5, não compartilhados 6, elétrons em ligações 2.
\text{FC}(\mathrm{N}_1)=5 - 6 - \tfrac{2}{2} = 5 - 6 - 1 = -2.
  • Para \mathrm{N}_2: valência 5, não compartilhados 0, elétrons em ligações 2 + 6 = 8.
\text{FC}(\mathrm{N}_2)=5 - 0 - \tfrac{8}{2} = 5 - 0 - 4 = +1.
  • Para \mathrm{O}_3: valência 6, não compartilhados 2, elétrons em ligações 6.
\text{FC}(\mathrm{O}_3)=6 - 2 - \tfrac{6}{2} = 6 - 2 - 3 = +1.
Resumo Estrutura C: \mathrm{N}_1(-2)-\mathrm{N}_2(+1)-\mathrm{O}_3(+1).

Passo 8

Comparação das estruturas e escolha da mais estável — raciocínio didático:
  • Princípio básico: estruturas de ressonância mais estáveis tendem a minimizar a separação e a magnitude das cargas formais, e colocam cargas negativas em átomos mais eletronegativos.
  • Resultado das cargas:
    • Estrutura A: cargas 0,\\\ +1,\\\ -1 em \mathrm{N}_1,\mathrm{N}_2,\mathrm{O}_3.
    • Estrutura B: cargas -1,\\\ +1,\\\ 0.
    • Estrutura C: cargas -2,\\\ +1,\\\ +1.
  • A Estrutura C é claramente desfavorável porque gera cargas formais de grande magnitude (um -2 e dois +1), o que é energeticamente ruim.
  • Resta comparar A e B. Ambas têm uma separação de cargas simples (um +1 e um -1), mas em A a carga negativa está no oxigênio ( \mathrm{O}_3) enquanto em B a carga negativa está no nitrogênio terminal ( \mathrm{N}_1). Como o oxigênio é mais eletronegativo que o nitrogênio, é energeticamente mais favorável que a carga negativa esteja no oxigênio. Além disso, na estrutura A a carga total é melhor distribuída com o nitrogênio terminal neutro, o que também é preferível.
  • Conclusão: a Estrutura A ( \mathrm{N}_1\equiv\mathrm{N}_2-\mathrm{O}_3 com cargas formais 0,+1,-1) é o principal (mais estável) contributor para a ressonância. A Estrutura B contribui, mas em menor grau; Estrutura C é um contributor muito menor.

Resposta

A estrutura de ressonância mais estável é \mathrm{N}\equiv\mathrm{N}-\mathrm{O} com cargas formais \mathrm{N}_{\text{terminal}}(0),\\ \mathrm{N}_{\text{central}}(+1),\\ \mathrm{O}(-1).

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