- O sulfamato de amônio ou sulfamidato (
) é um herbicida inorgânico, que ainda é usado como dessecante e como arbusticida. Este composto contém o ânion sulfamato,
, o qual, pode ser imaginado como sendo formado pela reação entre o ânion amideto,
e o trióxído de enxofre,
, 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,
pode ser formado pela reação entre o gás carbônico,
e o ânion hidróxido,
, 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.
(b) Com base nas Estruturas de Lewis, represente as reações químicas de formação dos ions sulfamato e bicarbonato.
(c) Indique se houve ou não mudança na carga formal dos átomos envolvidos na formação das novas espécies químicas,
(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.
(b) Com base nas Estruturas de Lewis, represente as reações químicas de formação dos ions sulfamato e bicarbonato.
(c) Indique se houve ou não mudança na carga formal dos átomos envolvidos na formação das novas espécies químicas,
Passo 1
O enunciado pede 3 coisas, relativas às reações descritas no texto:
- (a) Representar as estruturas de Lewis das espécies envolvidas, com estruturas de ressonância quando houver e indicar a carga formal de cada átomo.
- (b) A partir dessas estruturas de Lewis, representar as reações químicas de formação do ânion sulfamato e do íon bicarbonato.
- (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
, - trióxido de enxofre
, - ânion sulfamato (vou usar a fórmula mais comum de sulfamato:
), - gás carbônico
, - íon hidróxido
, - íon bicarbonato
.
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:
onde
é o número de elétrons de valência do átomo isolado,
é o número de elétrons não-ligantes (lone pair) em torno do átomo na estrutura, e
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):
Vou aplicar essa regra sistematicamente a cada espécie.
Passo 3
Desenhando e avaliando o ânion amideto
(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
elétrons ligados; dois pares solitários elétrons não-ligantes. Total 8 — octeto satisfeito. - Cálculo da carga formal do nitrogênio:
- Cargas formais dos hidrogênios: cada
tem .
Conclusão: emo nitrogênio tem carga formal e cada hidrogênio .
Passo 4
Desenhando e avaliando
(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:
, , . - Para enxofre com três duplas:
, , . - 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
(não é como um íon carregado onde cargas se repartem).
Conclusão: emtodos os átomos têm carga formal .
Passo 5
Construindo a estrutura do ânion sulfamato
(produto esperado da adição do
ao
).
- Ideia de reação (conceitual de Lewis): o par de elétrons do
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).
- S ligado a: N (simples), O (dupla), O (dupla), O (simples com carga
- Cálculos de carga formal:
- Nitrogênio no produto:
, tem 1 lone pair , ligações: três ligações simples (2 H + 1 S) . - Enxofre: tem duas duplas (cada uma dá 4 elétrons na contagem de ligação) e duas ligações simples (S–N e S–O^-), total
elétrons em ligações. - Oxigênio duplamente ligado:
- Oxigênio ligado por simples (o que carrega a carga):
- Hidrogênios:
.
- Nitrogênio no produto:
- Ressonância: a carga negativa no grupo
pode ser deslocalizada entre os oxigênios que estão em ligações simples/duplas com o S; portanto existem várias formas ressonantes em que o 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, fica com carga formal , com , um dos tem (naquela forma) e os demais O e H têm ; 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):
(N com um par solitário extra e carga ) ataca (enxofre com orbitais vazios/aceitadores). - Equação simplificada em termos de espécies:
- Mecanismo conceitual: par de elétrons não-ligantes do
forma a ligação S–N; a topologia eletrônica resultante é a descrita no passo anterior, com a carga total agora localizada (ressonante) nos oxigênios do grupo sulfonato.
Passo 7
Agora a outra meia-reação:
e
.
Desenhando :
Desenhando
- Estrutura de Lewis: linear
com cada ligação C=O sendo dupla. - Cálculos de carga formal em
: - Carbono:
- Cada oxigênio duplamente ligado: já feito antes
.
- Carbono:
- Estrutura de
: - Oxigênio com três pares solitários (
elétrons não-ligantes) e uma ligação simples a H (2 elétrons ligados). - Cálculo:
- H tem FC
.
Conclusão: emo oxigênio tem carga formal ; em todos átomos têm carga formal .
- Oxigênio com três pares solitários (
Passo 8
Formação do íon bicarbonato
e suas estruturas de ressonância.
- Processo conceitual (Lewis): o par de elétrons do
ataca o carbono do (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 . - 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
; o grupo OH é neutro (oxigênio do OH tem FC ). Assim a carga negativa fica deslocalizada entre os dois oxigênios equivalentes que não carregam H. - Cálculos de carga formal em uma forma canônica:
- Carbono:
- Oxigênio com ligação dupla:
- Oxigênio do grupo
: (pois é representado como O ligado a H e a C, com dois pares solitários). - Oxigênio com carga (single-bond a C):
- Carbono:
- Ressonância: a carga
é deslocalizada entre os dois oxigênios “livres” (os não protonados), assim o íon bicarbonato é representado por duas formas ressonantes equivalentes. - Equação (Lewis) simplificada:
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:
Vou listar cada átomo-chave e sua carga formal inicial e final, para deixar claro se houve mudança:
Reação 1:
- Nitrogênio do
: - Antes:
(no ). - Depois:
(no ). - Mudança: sim, do
para .
- Antes:
- Oxigênio que passa a conter a carga negativa no ânion sulfamato:
- Antes (nessa posição no
): . - Depois:
em uma das formas (ressonância deslocaliza essa carga entre oxigênios). - Mudança: sim, de
para (mas em realidade a carga fica ressonante sobre os oxigênios).
- Antes (nessa posição no
- Enxofre:
- Antes:
. - Depois:
. - Mudança: não.
Resumo qualitativo: a carga negativa se deslocou do átomo de N (no reagente) para os oxigênios do grupono produto (ressonante).
- Antes:
Reação 2:
- Oxigênio do
(o nucleófilo): - Antes:
. - Depois: esse mesmo oxigênio torna-se o oxigênio do grupo
em , com . - Mudança: sim, de
para .
- Antes:
- Carbono do
: - Antes:
. - Depois:
. - Mudança: não.
- Antes:
- Oxigênio(s) originalmente em
: - Antes:
. - Depois: um desses oxigênios apresenta
em cada forma ressonante (a carga negativa fica deslocalizada entre os dois oxigênios não protonados). - Mudança: sim, pelo menos um oxigênio passa de
para (por ressonância a carga é compartilhada).
Resumo qualitativo: a carga negativa doé parcialmente transferida para um dos oxigênios do no bicarbonato; o O nucleófilo perde sua carga negativa formal ao ser protonado/ligado (virando OH ligado ao C).
- Antes:
Passo 10
Observações finais (didáticas e motivacionais, rapidinhas):
- Em ambas as reações temos basicamente um ataque nucleofílico (par de elétrons de uma base:
ou ) a um centro eletrofílico (S em ou C em ). 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:
-
: N ligado a dois H e com dois lone pairs; , . -
: S ligado a três O por duplas (forma simétrica); , . -
(ânion sulfamato): forma canônica com S ligado a N (simples), duas O com dupla e um O com ligação simples carregada ; , , , ; as formas de ressonância deslocam a carga negativa entre os oxigênios ligados ao S. -
: ; , . -
: O com três lone pairs e ligação a H; , . -
(bicarbonato): uma forma canônica tem C ligado a uma O (FC ), um O (FC ) e um (FC ); . Dois formulários de ressonância equivalentes deslocam a carga negativa entre os dois oxigênios não protonados.
(b) Reações (representação por espécies / Lewis):
(c) Mudança nas cargas formais dos átomos envolvidos:
- Na formação do sulfamato: sim. O nitrogênio passa de
(em ) para (em ); a carga negativa aparece em um oxigênio do grupo (de para , deslocalizada por ressonância). - Na formação do bicarbonato: sim. O oxigênio do
vai de para (tornando-se o oxigênio do grupo em ); simultaneamente, um dos oxigênios do passa de para (a carga é deslocalizada entre os dois oxigênios por ressonância).