O trifluoreto de cloro,
, é um dos compostos mais reativos que se conhece. Reage violentamente com muitas substâncias que, em geral, são inertes, e foi usado em bombas incendiárias na Segunda Grande Guerra. Pode ser obtido pelo aquecimento de
e
num vaso fechado.
a) Escreva a equação equilibrada da reação entre o
e
para produzir
.
b) Se forem misturados
de
com
de
, qual a produção teórica de
? Qual é o reagente limitante? Quanto resta do reagente excedente?
c) Qual a estrutura de Lewis do
?
d) Qual a geometria dos pares de elétrons e molecular do
?
a) Escreva a equação equilibrada da reação entre o
b) Se forem misturados
c) Qual a estrutura de Lewis do
d) Qual a geometria dos pares de elétrons e molecular do
Passo 1
O enunciado pede quatro coisas:
- (a) escrever a equação química balanceada entre
e para formar ; - (b) dado
de e de , calcular a produção teórica de , determinar o reagente limitante e quanto do reagente em excesso resta; - (c) desenhar e justificar a estrutura de Lewis de
; - (d) determinar a geometria dos pares de elétrons (geometria eletrônica) e a geometria molecular de
.
Informações numéricas dadas:
- massa de
; - massa de
.
Não se pede rendimento experimental — só a produção teórica (a partir de quantidades dadas).
Passo 2
(a) Balanceamento da reação. Vou balancear seguindo conservação de átomos: colocar coeficientes inteiros que façam número de Cl e F iguais nos dois lados. Se eu tentar uma equação do tipo
cada
fornece 2 átomos de Cl, e cada molécula de
tem 1 átomo de Cl. Para equilibrar Cl, precisamos de
quando há 1 mol de
no lado reagente. Cada
tem 3 F, então 2 mol de
precisa de
átomos de F, ou seja
mol de
. Assim a equação balanceada é
Passo 3
(b) Preparação para estequiometria: converter massas em mols. Primeiro calculamos massas molares aproximadas (usando massas atômicas:
e
):
Explicando: a massa molar de uma molécula é a soma das massas atômicas dos átomos que a compõem; usamos valores tabulados para
e
.
Passo 4
Calcular mols iniciais de cada reagente:
Comentário didático: para cada mol você divide massa pela massa molar; aqui arredondei com cuidado, mantendo casas suficientes para não perder precisão antes do resultado final.
Passo 5
Determinar o reagente limitante usando a estequiometria da equação balanceada
A razão estequiométrica pede
mol de
para cada
mol de
.
- Se todo o
fosse consumido, a quantidade de necessária seria
Mas só temos
de
, ou seja, há menos
do que a quantidade requerida — portanto
é o reagente limitante.
Outra forma (checar): com o
disponível, o
que seria consumido é
que é menor que o
, confirmando que sobra
.
Passo 6
Calcular a produção teórica de
. Pela estequiometria,
mol de
produzem
mol de
, então cada mol de
produz
mol de
. Usando o mol de
disponível (limitante):
Converter para massa usando
:
Arredondando de acordo com os dados iniciais (2 algarismos significativos), a produção teórica é cerca de
de
.
Passo 7
Calcular quanto resta do reagente em excesso (
). Já calculamos que o
consumido foi
Assim o
que sobra é
Converter para massa:
Arredondando (2 algarismos significativos) obtemos aproximadamente
de
restante.
Passo 8
(c) Estrutura de Lewis de
.
Vou construir passo a passo e explicar didaticamente.
- Contar elétrons de valência:
tem elétrons de valência; cada tem . Total:
- Colocar o átomo menos eletronegativo no centro:
central e três ligados a ele por ligações simples. Cada ligação simples usa elétrons; para 3 ligações usamos elétrons. Restam
- Completar octeto dos flúors: cada
precisa de elétrons não ligantes (3 pares) além da ligação para completar seu octeto. Para 3 precisamos de elétrons. Subtraindo:
-
Os
elétrons restantes vão como pares isolados no cloro: isto é, pares solitários em . Assim a estrutura final tem com 3 ligações simples e 2 pares isolados (totalizando 10 elétrons ao redor do — expansão do octeto, permitida no 3º período). -
Verificar cargas formais (fórmula): carga formal
(elétrons valência do átomo) (elétrons não ligantes) (metade dos elétrons de ligação). Para cada :
Para
:
Portanto cargas formais zero em todos os átomos — estrutura adequada.
- Representação simbólica (em Lewis, mostrando pares como pontos): uma forma textual em LaTeX simples é
com um terceiro
ligado perpendicularmente e com os pares não-ligantes sobre cada
e dois pares sobre
. (Isso é uma descrição linear; na prática cada
tem três pares isolados e o
tem dois pares isolados.)
Resumo didático:
tem 28 elétrons de valência; 3 ligações simples
;
carrega 2 pares isolados (expansão do octeto), e todas as cargas formais são zero.
Passo 9
(d) Geometria dos pares de elétrons e geometria molecular — explicação com VSEPR (modelo de repulsão dos pares de elétrons da camada de valência).
-
Contar domínios eletrônicos ao redor do centro
: há ligações (três átomos ligados) e pares isolados, totalizando domínios eletrônicos. Para domínios a geometria eletrônica (dos pares de elétrons) é trigonal bipiramidal. -
Distribuição dos pares isolados: em uma geometria trigonal bipiramidal existem duas posições equatoriais (num plano formando 120° entre si) e três posições que incluem os dois axiais (um acima e um abaixo formando 180°) e uma equatorial. Pares isolados ocupam preferencialmente posições equatoriais porque lá sofrem menos repulsão (cada par equatorial tem duas ligações a
enquanto um par axial teria três ligações a ; menos contatos a = menos repulsão). Assim os dois pares isolados em ficam nas duas posições equatoriais. -
Resultado para a estrutura: com duas posições equatoriais ocupadas por pares isolados e três posições restantes ocupadas por átomos de
, a geometria molecular (a forma que vemos considerando apenas os átomos) é em “T” (T-shaped). Esquematicamente, dois flúors ficam em posições axiais opostas e um flúor fica na posição equatorial que resta, formando um “T”. -
Ângulos de ligação aproximados: os ângulos ideais em TBP (trigonal bipiramidal) seriam
entre axial e equatorial e entre equatoriais; com pares isolados equatoriais as ligações axial-equatorial ficam um pouco menores que (por repulsão extra dos pares), mas, em resumo, as ligações relevantes são próximas de e (entre os dois axiais). -
Conclusão: geometria dos pares de elétrons = trigonal bipiramidal; geometria molecular = T-shaped (T).
Resposta
(a)
(b) Produção teórica de :
(aprox.
); reagente limitante:
; massa de
restante:
.
(c) Estrutura de Lewis: central ligado a três
por ligações simples, com dois pares isolados em
(total de 28 elétrons de valência); todos os átomos têm carga formal
(Cl com expansão do octeto: 10 elétrons ao seu redor).
(d) Geometria dos pares de elétrons: trigonal bipiramidal; geometria molecular: T-shaped (T), com os dois pares isolados em posições equatoriais; ângulos aproximados e
.
(b) Produção teórica de
(c) Estrutura de Lewis:
(d) Geometria dos pares de elétrons: trigonal bipiramidal; geometria molecular: T-shaped (T), com os dois pares isolados em posições equatoriais; ângulos aproximados