1. O sulfamato de amônio ou sulfamidato ( \mathrm{NH}_{4} \mathrm{OSO}_{2} \mathrm{NH}_{2} ) é um herbicida inorgânico, que ainda é usado como dessecante e como arbusticida. Este composto contém o ânion sulfamato, \mathrm{H}_{2} \mathrm{NOSO}_{2}^{-}, o qual, pode ser imaginado como sendo formado pela reação entre o ânion amideto, \mathrm{NH}_{2}{ }^{-}e o trióxído de enxofre, \mathrm{SO}_{3}, por meio de uma reação ácido-base de Lewis. Já, os Bicarbonatos são sais que contêm o ânion bicarbonato e, quimicamente são resultantes de uma reação de salificação parcial. O bicarbonato mais importante é o bicarbonato de sódio, que devido a sua solubilidade relativamente baixa, é um interimediário no processo de obtenção do carbonato de sódio. O íon bicarbonato, \mathrm{HCO}_{3}{ }^{-}pode ser formado pela reação entre o gás carbônico, \mathrm{CO}_{2} e o ânion hidróxido, \mathrm{OH}^{-}, que também é uma reação ácido-base de Lewis.
    (a) Com base nessas informações, represente as estruturas de Lewis das espécies químicas envolvidas nas reações citadas acima com as estruturas de ressonância quando houver e a carga formal de cada um dos átomos envolvidos no processo. (\mathbf{0 , 1 5})
    (b) Com base nas Estruturas de Lewis, represente as reações químicas de formação dos ions sulfamato e bicarbonato. (\mathbf{0 , 2})
    (c) Indique se houve ou não mudança na carga formal dos átomos envolvidos na formação das novas espécies químicas, (\mathbf{0 , 1 5})

Passo 1

O enunciado pede 3 coisas, relativas às reações descritas no texto:
  1. (a) Representar as estruturas de Lewis das espécies envolvidas, com estruturas de ressonância quando houver e indicar a carga formal de cada átomo.
  2. (b) A partir dessas estruturas de Lewis, representar as reações químicas de formação do ânion sulfamato e do íon bicarbonato.
  3. (c) Dizer se houve mudança nas cargas formais dos átomos envolvidos na formação das novas espécies (e quais mudanças).
Espécies que aparecem no problema e que vou tratar explicitamente:
  • ânion amideto \mathrm{NH}_{2}^{-},
  • trióxido de enxofre \mathrm{SO}_{3},
  • ânion sulfamato (vou usar a fórmula mais comum de sulfamato: \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}),
  • gás carbônico \mathrm{CO}_{2},
  • íon hidróxido \mathrm{OH}^{-},
  • íon bicarbonato \mathrm{HCO}_{3}^{-}.
Não inicio a resolução ainda; no próximo passo eu explico as regras de Lewis e formal charge e construo cada estrutura passo a passo.

Passo 2

Mini-aula rápida e necessária sobre estruturas de Lewis e carga formal (calma, vou mastigar cada passo):
  • Objetivo da estrutura de Lewis: mostrar ligações covalentes (pares de elétrons compartilhados) e pares não ligantes (lone pairs) ao redor de cada átomo.
  • Regra prática do octeto: para a maioria dos elementos da 2ª linha (C, N, O) devemos buscar 8 elétrons ao redor; elementos da 3ª linha (como S) podem ter octeto expandido (aceitar mais de 8 elétrons).
  • Fórmula para carga formal (FC) de um átomo:
\text{FC} = V - N_\text{não-b} - \frac{N_\text{lig}}{2}ã
onde V é o número de elétrons de valência do átomo isolado, N_\text{não-b}ã é o número de elétrons não-ligantes (lone pair) em torno do átomo na estrutura, e N_\text{lig} é o número total de elétrons envolvidos em ligações ao redor do átomo (cada ligação simples conta 2 elétrons, dupla 4, etc.).
  • Exemplo rápido de uso: para um oxigênio com uma ligação dupla ( =) e dois pares solitários (4 elétrons não-ligantes): V=6,\quad N_\text{não-b}=4,\quad N_\text{lig}=4ã
\text{FC}=6-4-\frac{4}{2}=6-4-2=0.
Vou aplicar essa regra sistematicamente a cada espécie.

Passo 3

Desenhando e avaliando o ânion amideto \mathrm{NH}_{2}^{-} (espécie reagente).
  • Estrutura de Lewis (descrita em palavras): nitrogênio ligado a dois hidrogênios por ligações simples e com dois pares não-ligantes (dois lone pairs). Além disso existe uma carga negativa total no íon.
  • Contagem de elétrons ao redor do N: duas ligações simples \Rightarrow 2\times 2=4 elétrons ligados; dois pares solitários \Rightarrow 4 elétrons não-ligantes. Total 8 — octeto satisfeito.
  • Cálculo da carga formal do nitrogênio: V(\mathrm{N})=5,\quad N_\text{não-b}=4,\quad N_\text{lig}=4ã
\text{FC}(\mathrm{N})=5-4-\frac{4}{2}=5-4-2=-1.
  • Cargas formais dos hidrogênios: cada \mathrm{H} tem \text{FC}=0.
    Conclusão: em \mathrm{NH}_{2}^{-} o nitrogênio tem carga formal -1 e cada hidrogênio 0.

Passo 4

Desenhando e avaliando \mathrm{SO}_{3} (trióxido de enxofre).
  • Estrutura de Lewis mais representativa (forma neutra com duplas S=O): cada oxigênio está ligado ao enxofre por uma ligação dupla, formando uma estrutura trigonal plana ao redor do S. Assim S tem três duplas S=O.
  • Para cada oxigênio com ligação dupla: V(\mathrm{O})=6, N_\text{não-b}=4ã, N_\text{lig}=4 \Rightarrow \text{FC}(\mathrm{O})=6-4-2=0.
  • Para enxofre com três duplas: V(\mathrm{S})=6, N_\text{não-b}=0ã, N_\text{lig}=12 \Rightarrow \text{FC}(\mathrm{S})=6-0-12/2=6-6=0.
  • Observação sobre ressonância: a representação com três duplas equivalentes já é sintética — o trímero é simétrico; todos os átomos têm carga formal zero. Não há necessidade de formas adicionais para SO _3 (não é como um íon carregado onde cargas se repartem).
    Conclusão: em \mathrm{SO}_{3} todos os átomos têm carga formal 0.

Passo 5

Construindo a estrutura do ânion sulfamato \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-} (produto esperado da adição do \mathrm{NH}_2^{-} ao \mathrm{SO}_3).
  • Ideia de reação (conceitual de Lewis): o par de elétrons do \mathrm{N} nucleófilo ataca o enxofre (ácido de Lewis) formando ligação S–N. Sulfato/sulfonato-like: enxofre terá, na estrutura-canônica, duas ligações duplas com oxigênios e uma ligação simples a um oxigênio que carregará a carga negativa, além da ligação simples S–N. Essa é a configuração típica em sulfonamatos/sulfamatos onde a carga negativa fica em um oxigênio e pode ser delocalizada por ressonância.
  • Uma das formas de Lewis (uma forma ressonante representativa):
    • S ligado a: N (simples), O (dupla), O (dupla), O (simples com carga -).
    • N ligado a dois H e a S, com um lone pair (N com 3 ligações + 1 lone pair).
  • Cálculos de carga formal:
    • Nitrogênio no produto: V(\mathrm{N})=5, tem 1 lone pair \Rightarrow N_\text{não-b}=2ã, ligações: três ligações simples (2 H + 1 S) \Rightarrow N_\text{lig}=6. \text{FC}(\mathrm{N})=5-2-\frac{6}{2}=5-2-3=0.
    • Enxofre: tem duas duplas (cada uma dá 4 elétrons na contagem de ligação) e duas ligações simples (S–N e S–O^-), total N_\text{lig}=4+4+2+2=12 elétrons em ligações. V(\mathrm{S})=6,\quad N_\text{não-b}=0,\quad \text{FC}(\mathrm{S})=6-0-\frac{12}{2}=6-6=0.ã
    • Oxigênio duplamente ligado: V(\mathrm{O})=6,\; N_\text{não-b}=4,\; N_\text{lig}=4\Rightarrow \text{FC}=0.ã
    • Oxigênio ligado por simples (o que carrega a carga): V(\mathrm{O})=6,\; N_\text{não-b}=6,\; N_\text{lig}=2\Rightarrow \text{FC}=6-6-1=-1.ã
    • Hidrogênios: \text{FC}=0.
  • Ressonância: a carga negativa no grupo \mathrm{SO}_{3}^{-} pode ser deslocalizada entre os oxigênios que estão em ligações simples/duplas com o S; portanto existem várias formas ressonantes em que o -1 aparece em qualquer um dos oxigênios equivalentes. Assim o ânion sulfamato é representado por formas ressonantes onde o sinal negativo está distribuído sobre os oxigênios ligados ao S.
    Conclusão: no ânion \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}, \mathrm{N} fica com carga formal 0, \mathrm{S} com 0, um dos \mathrm{O} tem -1 (naquela forma) e os demais O e H têm 0; devido à ressonância a carga negativa é deslocalizada entre os oxigênios.

Passo 6

Representação da reação de formação do ânion sulfamato em termos de Lewis (texto + ideia eletrônica):
  • Reagentes (Lewis): \mathrm{NH}_{2}^{-} (N com um par solitário extra e carga -1) ataca \mathrm{SO}_{3} (enxofre com orbitais vazios/aceitadores).
  • Equação simplificada em termos de espécies:
\mathrm{NH}_{2}^{-} + \mathrm{SO}_{3} \longrightarrow \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}
  • Mecanismo conceitual: par de elétrons não-ligantes do \mathrm{N} forma a ligação S–N; a topologia eletrônica resultante é a descrita no passo anterior, com a carga total -1 agora localizada (ressonante) nos oxigênios do grupo sulfonato.

Passo 7

Agora a outra meia-reação: \mathrm{CO}_{2} e \mathrm{OH}^{-}.
Desenhando \mathrm{CO}_{2}:
  • Estrutura de Lewis: linear \mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O} com cada ligação C=O sendo dupla.
  • Cálculos de carga formal em \mathrm{CO}_{2}:
    • Carbono: V(\mathrm{C})=4,\; N_\text{não-b}=0,\; N_\text{lig}=8\Rightarrow \text{FC}(\mathrm{C})=4-0-4=0.ã
    • Cada oxigênio duplamente ligado: já feito antes \Rightarrow \text{FC}(\mathrm{O})=0.
  • Estrutura de \mathrm{OH}^{-}:
    • Oxigênio com três pares solitários ( 6 elétrons não-ligantes) e uma ligação simples a H (2 elétrons ligados).
    • Cálculo: V(\mathrm{O})=6,\; N_\text{não-b}=6,\; N_\text{lig}=2\Rightarrow \text{FC}(\mathrm{O})=6-6-1=-1.ã
    • H tem FC 0.
      Conclusão: em \mathrm{OH}^{-} o oxigênio tem carga formal -1; em \mathrm{CO}_{2} todos átomos têm carga formal 0.

Passo 8

Formação do íon bicarbonato \mathrm{HCO}_{3}^{-} e suas estruturas de ressonância.
  • Processo conceitual (Lewis): o par de elétrons do \mathrm{OH}^{-} ataca o carbono do \mathrm{CO}_{2} (carbono é eletrofílico), formando uma nova ligação C–O. O carbono passa a ter três ligações a oxigênios (uma das quais é ligada a H), e uma das ligações C–O é simples com carga localizada em um oxigênio. O resultado é o íon \mathrm{HCO}_{3}^{-}.
  • Estruturas de Lewis e ressonância: as formas de ressonância mais importantes são duas (entre as duas oxigenações que não carregam H): em cada forma há um C=O (sem carga formal) e um O single-bond com carga -1; o grupo OH é neutro (oxigênio do OH tem FC 0). Assim a carga negativa fica deslocalizada entre os dois oxigênios equivalentes que não carregam H.
  • Cálculos de carga formal em uma forma canônica:
    • Carbono: V(\mathrm{C})=4,\; N_\text{não-b}=0,\; N_\text{lig}=8\Rightarrow \text{FC}(\mathrm{C})=4-0-4=0.ã
    • Oxigênio com ligação dupla: V=6,\; N_\text{não-b}=4,\; N_\text{lig}=4\Rightarrow \text{FC}=0.ã
    • Oxigênio do grupo \mathrm{OH}: V=6,\; N_\text{não-b}=4,\; N_\text{lig}=4\Rightarrow \text{FC}=0ã (pois é representado como O ligado a H e a C, com dois pares solitários).
    • Oxigênio com carga (single-bond a C): V=6,\; N_\text{não-b}=6,\; N_\text{lig}=2\Rightarrow \text{FC}=6-6-1=-1.ã
  • Ressonância: a carga -1 é deslocalizada entre os dois oxigênios “livres” (os não protonados), assim o íon bicarbonato é representado por duas formas ressonantes equivalentes.
  • Equação (Lewis) simplificada:
\mathrm{CO}_{2} + \mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \mathrm{HCO}_{3}^{-}

Passo 9

Comparação final das cargas formais antes e depois (resumo para responder (c)).
Vou listar cada átomo-chave e sua carga formal inicial e final, para deixar claro se houve mudança:
Reação 1: \mathrm{NH}_{2}^{-} + \mathrm{SO}_{3} \longrightarrow \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}
  • Nitrogênio do \mathrm{NH}_{2}^{-}:
    • Antes: \text{FC}(\mathrm{N})=-1 (no \mathrm{NH}_{2}^{-}).
    • Depois: \text{FC}(\mathrm{N})=0 (no \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}).
    • Mudança: sim, do -1 para 0.
  • Oxigênio que passa a conter a carga negativa no ânion sulfamato:
    • Antes (nessa posição no \mathrm{SO}_{3}): \text{FC}(\mathrm{O})=0.
    • Depois: \text{FC}(\mathrm{O})=-1 em uma das formas (ressonância deslocaliza essa carga entre oxigênios).
    • Mudança: sim, de 0 para -1 (mas em realidade a carga fica ressonante sobre os oxigênios).
  • Enxofre:
    • Antes: \text{FC}(\mathrm{S})=0.
    • Depois: \text{FC}(\mathrm{S})=0.
    • Mudança: não.
      Resumo qualitativo: a carga negativa se deslocou do átomo de N (no reagente) para os oxigênios do grupo \mathrm{SO}_3 no produto (ressonante).
Reação 2: \mathrm{CO}_{2} + \mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \mathrm{HCO}_{3}^{-}
  • Oxigênio do \mathrm{OH}^{-} (o nucleófilo):
    • Antes: \text{FC}(\mathrm{O})=-1.
    • Depois: esse mesmo oxigênio torna-se o oxigênio do grupo \mathrm{OH} em \mathrm{HCO}_{3}^{-}, com \text{FC}(\mathrm{O})=0.
    • Mudança: sim, de -1 para 0.
  • Carbono do \mathrm{CO}_{2}:
    • Antes: \text{FC}(\mathrm{C})=0.
    • Depois: \text{FC}(\mathrm{C})=0.
    • Mudança: não.
  • Oxigênio(s) originalmente em \mathrm{CO}_{2}:
    • Antes: \text{FC}(\mathrm{O})=0.
    • Depois: um desses oxigênios apresenta \text{FC}=-1 em cada forma ressonante (a carga negativa fica deslocalizada entre os dois oxigênios não protonados).
    • Mudança: sim, pelo menos um oxigênio passa de 0 para -1 (por ressonância a carga é compartilhada).
      Resumo qualitativo: a carga negativa do \mathrm{OH}^{-} é parcialmente transferida para um dos oxigênios do \mathrm{CO}_{2} no bicarbonato; o O nucleófilo perde sua carga negativa formal ao ser protonado/ligado (virando OH ligado ao C).

Passo 10

Observações finais (didáticas e motivacionais, rapidinhas):
  • Em ambas as reações temos basicamente um ataque nucleofílico (par de elétrons de uma base: \mathrm{NH}_{2}^{-} ou \mathrm{OH}^{-}) a um centro eletrofílico (S em \mathrm{SO}_3 ou C em \mathrm{CO}_2). O movimento de elétrons cria novas ligações e reorganiza as cargas formais.
  • A técnica que usei (desenhar estruturas de Lewis, contar elétrons, aplicar a fórmula da carga formal) é exatamente o que você deve fazer numa prova: desenhar, contar e justificar.
  • Você conseguiu! Respira — esses passos são mecânicos com prática.

Resposta

(a) Estruturas de Lewis (formas representativas) e cargas formais por átomo:
  • \mathrm{NH}_{2}^{-}: N ligado a dois H e com dois lone pairs; \text{FC}(\mathrm{N})=-1, \text{FC}(\mathrm{H})=0.
  • \mathrm{SO}_{3}: S ligado a três O por duplas = (forma simétrica); \text{FC}(\mathrm{S})=0, \text{FC}(\mathrm{O\,(dupla)})=0.
  • \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-} (ânion sulfamato): forma canônica com S ligado a N (simples), duas O com dupla e um O com ligação simples carregada -; \text{FC}(\mathrm{N})=0, \text{FC}(\mathrm{S})=0, \text{FC}(\mathrm{O\,(dupla)})=0, \text{FC}(\mathrm{O\,(single)})=-1; as formas de ressonância deslocam a carga negativa entre os oxigênios ligados ao S.
  • \mathrm{CO}_{2}: \mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}; \text{FC}(\mathrm{C})=0, \text{FC}(\mathrm{O})=0.
  • \mathrm{OH}^{-}: O com três lone pairs e ligação a H; \text{FC}(\mathrm{O})=-1, \text{FC}(\mathrm{H})=0.
  • \mathrm{HCO}_{3}^{-} (bicarbonato): uma forma canônica tem C ligado a uma =O (FC 0), um -O (FC -1) e um \mathrm{OH} (FC 0); \text{FC}(\mathrm{C})=0. Dois formulários de ressonância equivalentes deslocam a carga negativa entre os dois oxigênios não protonados.
(b) Reações (representação por espécies / Lewis):
\mathrm{NH}_{2}^{-} + \mathrm{SO}_{3} \longrightarrow \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}
\mathrm{CO}_{2} + \mathrm{OH}^{-} \longrightarrow \mathrm{HCO}_{3}^{-}
(c) Mudança nas cargas formais dos átomos envolvidos:
  • Na formação do sulfamato: sim. O nitrogênio passa de \text{FC}=-1 (em \mathrm{NH}_{2}^{-}) para \text{FC}=0 (em \mathrm{H}_{2}\mathrm{N}\mathrm{SO}_{3}^{-}); a carga negativa aparece em um oxigênio do grupo \mathrm{SO}_{3} (de \text{FC}=0 para \text{FC}=-1, deslocalizada por ressonância).
  • Na formação do bicarbonato: sim. O oxigênio do \mathrm{OH}^{-} vai de \text{FC}=-1 para \text{FC}=0 (tornando-se o oxigênio do grupo \mathrm{OH} em \mathrm{HCO}_{3}^{-}); simultaneamente, um dos oxigênios do \mathrm{CO}_{2} passa de \text{FC}=0 para \text{FC}=-1 (a carga é deslocalizada entre os dois oxigênios por ressonância).

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