A química está na base do desenvolvimento econômico e tecnológico. Da siderurgia à indústria da informática, das artes à construção civil, da agricultura à indústria aeroespacial, não há área ou setor que não utilize em seus processos ou produtos algum insumo de origem química. Um desses insumos é o metano, gás natural, usado como
combustível na indústria química. A queima do metano pode ser representada pela seguinte equação:
\mathrm{CH}_{4}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
Em relação ao metano ( \mathrm{CH}_{4} ) e ao dióxido de carbono ( \mathrm{CO}_{2} ), pode-se dizer que a forma geométrica de cada um desses compostos, respectivamente, é
a) tetraédrica e trigonal planar.
b) tetraédrica e linear.
c) quadrática planar e trigonal planar.
d) quadrática planar e linear.
e) tetraédrica e quadrática planar.

EXPLIQUE:

Passo 1

O enunciado pede para identificar a forma geométrica do metano e do dióxido de carbono respectivamente. As informações relevantes dadas:
  • A equação da combustão do metano aparece no enunciado, mostrando as fórmulas dos compostos envolvidos: \mathrm{CH}_{4} e \mathrm{CO}_{2}.
  • A pergunta quer a forma geométrica de \mathrm{CH}_{4} e de \mathrm{CO}_{2} na ordem indicada e fornece alternativas (a)–(e).

Passo 2

Como vamos proceder (passo-a-passo didático): para determinar a forma geométrica de uma molécula, primeiro desenhamos a estrutura de Lewis (contando elétrons de valência e distribuindo ligações e pares isolados) e então aplicamos a ideia de que os pares de elétrons ao redor do átomo central se repelem e se organizam para minimizar essa repulsão. Essa ideia leva à regra prática conhecida por VSEPR (valence shell electron pair repulsion): o arranjo geométrico depende do número de regiões de densidade eletrônica (também chamadas de domínios eletrônicos) ao redor do átomo central. Regras úteis e lembretes:
  • Cada ligação simples, dupla ou tripla conta como UMA região de densidade eletrônica quando se decide a geometria ao redor do átomo central.
  • Pares de elétrons não-ligantes (lone pairs) também contam como regiões e influenciam a geometria.
  • Exemplos rápidos: 2 regiões → geometria linear (ângulo 180^\circ); 3 regiões → trigonal planar (ângulo 120^\circ); 4 regiões → tetraédrica (ângulo aproximadamente 109{,}5^\circ).

Passo 3

Determinação da geometria de \mathrm{CH}_{4}.
  • Contagem de elétrons de valência: carbono tem 4 elétrons de valência e cada hidrogênio tem 1. Total 4 + 4\cdot1 = 8 elétrons de valência.
  • Estrutura de Lewis: o carbono forma quatro ligações simples com quatro hidrogênios: \mathrm{H}-\mathrm{C}-\mathrm{H} em quatro direções, sem pares isolados no carbono. Esquematicamente: \mathrm{H}:\!\!-\!\mathrm{C}\!\!-\!\mathrm{H} (quatro ligações simples).
  • Número de regiões de densidade eletrônica ao redor do átomo central ( \mathrm{C}): existem quatro ligações (cada ligação simples é uma região) e zero pares isolados no carbono ⇒ 4 regiões.
  • Pela regra VSEPR, 4 regiões ao redor do átomo central organizam-se em arranjo tetraédrico para minimizar repulsão, com ângulo entre ligações próximo de \,109{,}5^\circ.
  • Conclusão para \mathrm{CH}_{4}: forma geométrica tetraédrica (sem ambiguidade). Em termos de hibridização: o carbono neste caso é \mathrm{sp}^3, o que dá suporte à geometria tetraédrica.

Passo 4

Determinação da geometria de \mathrm{CO}_{2}.
  • Contagem de elétrons de valência: carbono tem 4 elétrons de valência e cada oxigênio tem 6. Total 4 + 2\cdot6 = 16 elétrons de valência.
  • Estrutura de Lewis que satisfaz o octeto: o carbono fica ligado aos dois oxigênios por duas ligações duplas, formando \mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}. Cada oxigênio completa seu octeto com pares isolados; o carbono não possui pares isolados, apenas as duas ligações duplas.
  • Número de regiões de densidade eletrônica ao redor do átomo central ( \mathrm{C}): existem duas regiões (cada ligação dupla conta como UMA região) e zero pares isolados no carbono ⇒ 2 regiões.
  • Pela regra VSEPR, 2 regiões ao redor do átomo central organizam-se em arranjo linear, com ângulo entre as ligações igual a 180^\circ.
  • Conclusão para \mathrm{CO}_{2}: forma geométrica linear. Em termos de hibridização: o carbono é \mathrm{sp}, consistente com a linearidade.

Passo 5

Comparando com as alternativas: \mathrm{CH}_{4} é tetraédrica e \mathrm{CO}_{2} é linear. Isso corresponde à alternativa (b). Explicação curta do porquê as outras opções falham: trigonal planar exigiria 3 regiões ao redor do átomo central; “quadrática planar” (provavelmente referindo-se a planar quadrada) não é aplicável a moléculas com esses centros (e exigiria 4 ligações em plano com pares isolados específicos, caso de complexos d); portanto nenhuma outra alternativa descreve corretamente os números de regiões eletrônicas que obtivemos para os dois carbonos centrais.

Resposta

b) tetraédrica e linear.

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