Utilize reações químicas para explicar sua resposta. Com base na Teoria da Ligação de Valência (TLV), descreva as ligações químicas presentes no ácido bórico.

Passo 1

O enunciado pede que eu descreva, usando a Teoria da Ligação de Valência (TLV), as ligações químicas presentes no ácido bórico. Informações dadas / que vou usar diretamente:
  • Fórmula molecular do ácido bórico: \mathrm{B(OH)_3}.
  • Preciso usar reações químicas para explicar parte da resposta (p. ex. comportamento em água).
  • Vou explicar passo a passo como as ligações aparecem segundo a TLV e como mudam em reações.

Passo 2

Noções básicas da Teoria da Ligação de Valência (TLV) — explicação didática e necessária:
  • Na TLV uma ligação covalente é formada quando orbitais atômicos de dois átomos se sobrepõem e os elétrons são compartilhados entre eles. Essa sobreposição forma uma ligação sigma ( \sigma) ou pi ( \pi), dependendo da geometria da sobreposição.
  • Híbridos: átomos podem formar orbitais híbridos (por exemplo, sp, sp^2, sp^3) que explicam geometrias observadas. Um orbital sp^2 é formado pela combinação de um orbital s com dois orbitais p, dando três orbitais equivalentes no mesmo plano (120° entre si) e deixando um orbital p não-hibridizado perpendicular ao plano.
  • Ligação dativa (ou coordenada): quando ambos os elétrons da ligação vêm do mesmo átomo (um doador com par isolado) e o outro átomo aceita esse par em um orbital vazio. Na TLV isso é tratado como formação de uma ligação covalente através da sobreposição do orbital com par solitário com o orbital vazio do outro átomo.
  • Polaridade: diferença de eletronegatividade entre átomos gera distribuição desigual dos elétrons da ligação, tornando-a polar (com cargas parciais \delta^+ e \delta^-).

Passo 3

Aplicando a TLV ao ácido bórico — geometria e hibridização:
  • O ácido bórico tem um átomo de boro ligado a três grupos \mathrm{OH}. A estrutura observada é trigonal plana. Vou escrever a fórmula em TeX: \mathrm{B(OH)_3}.
  • No modelo da TLV o boro usa hibridação sp^2: três orbitais sp^2 formam três ligações sigma com os oxigênios das hidroxilas; sobra um orbital p não-hibridizado e vazio perpendicular ao plano.
  • Cada oxigênio de \mathrm{OH} é aproximadamente sp^3 hibridizado: dois lócus ocupados por pares não ligantes (lone pairs), um orbital para ligar ao hidrogênio ( \mathrm{O–H}) e outro para ligar ao boro ( \mathrm{O–B}). Assim cada oxigênio forma duas ligações sigma e mantém dois pares isolados.

Passo 4

Descrição detalhada das ligações em \mathrm{B(OH)_3}:
  • Ligações \mathrm{B–O}: são ligações sigma ( \sigma) formadas pela sobreposição entre um orbital sp^2 do boro e um orbital apropriado do oxigênio (par que participa da ligação). Por causa da diferença de eletronegatividade (valores aproximados usados para raciocínio: \chi(\mathrm{B})\approx 2,0, \chi(\mathrm{O})\approx 3,5, \chi(\mathrm{H})\approx 2,1) essas ligações têm caráter polar, com oxigênio parcialmente negativo ( \delta^-) e boro parcialmente positivo ( \delta^+). Importante: o boro fica com apenas 6 elétrons na camada de valência (é deficiente em elétrons) — isso é consistente com o orbital p vazio mencionado.
  • Ligações \mathrm{O–H}: são ligações sigma covalentes polares, formadas por sobreposição entre orbital sp^3 do oxigênio e orbital 1s do hidrogênio. O hidrogênio fica \delta^+ e o oxigênio \delta^-.
  • Interações intermoleculares: os grupos \mathrm{OH} permitem que moléculas de \mathrm{B(OH)_3} formem ligações de hidrogênio ( \mathrm{O–H\cdots O}) entre si. Essas ligações não são covalentes na TLV (são interações eletrostáticas e parcialmente direcionais), mas influenciam estrutura cristalina e propriedades físicas (ponto de fusão, solubilidade).
  • Conclusão até aqui: na molécula neutra temos três ligações covalentes polares \mathrm{B–O}, três ligações covalentes polares \mathrm{O–H} e ligações de hidrogênio intermoleculares.

Passo 5

Comportamento ácido em água explicado pela TLV — reações que ilustram mudança de ligações:
  • O ácido bórico é um ácido de Lewis: ele aceita um par de elétrons no orbital p vazio do boro, em vez de doar próton. Dois exemplos de reações que explicam isso (vou usar notação química em display para clareza):
\mathrm{B(OH)_3 + OH^- \longrightarrow B(OH)_4^-}
Explicação TLV: o íon hidróxido ( \mathrm{OH^-}) doa um par de elétrons de um de seus oxigênios para o orbital vazio do boro, formando uma ligação dativa ( \mathrm{O\to B}) que é energeticamente equivalente a uma ligação covalente. Após essa doação o boro passa a ter quatro ligações e muda hibridização de sp^2 para sp^3 (geometria tetraédrica) no ânion \mathrm{B(OH)_4^-}.
  • Equilíbrio ácido em água (mostrando formação de hidrônio, abordagem prática):
\mathrm{B(OH)_3 + 2 H_2O \rightleftharpoons B(OH)_4^- + H_3O^+}
Explicação TLV: uma molécula de água doa par de elétrons ao boro formando \mathrm{B(OH)_4^-} (como acima) e outro rearranjo/protonação gera \mathrm{H_3O^+}. Isso demonstra que a acidez de \mathrm{B(OH)_3} em água é mediada pela sua habilidade de aceitar pares de elétrons (característica de Lewis), não por liberarem diretamente um H+ da hidroxila.
  • Reações com álcoois/dióis — formação de ésteres de boro:
\mathrm{B(OH)_3 + 3 CH_3OH \rightleftharpoons B(OCH_3)_3 + 3 H_2O}
ou para diol que forma éster cíclico (ex.: manitol), a ligação do par isolado do diol ao boro estabiliza a forma tetraédrica, aumentando a acidez aparente. Em TLV isso é explicado pela doação de pares isolados do oxigênio do álcool para o orbital vazio do boro, formando ligações coordenadas que acabam equivalendo a ligações covalentes no complexo.

Passo 6

Mecanismo conceitual (muito prático para prova): como desenhar/justificar as ligações no exame
  • Desenhe a molécula trigonal plana: escreva \mathrm{B} no centro e três grupos \mathrm{OH} nos vértices de um triângulo; marque o orbital p vazio do boro perpendicular ao plano.
  • Para cada \mathrm{B–O}: indique que é sigma ( \sigma) pela sobreposição sp^2_{\mathrm{B}} \leftrightarrow sp^x_{\mathrm{O}} (não precisa detalhar qual exato do oxigênio, apenas que o oxigênio doa um orbital que participa da ligação).
  • Para explicar reação com \mathrm{OH^-}: desenhe o par isolado do oxigênio de \mathrm{OH^-} apontando para o orbital p vazio do boro e escreva a equação:
\mathrm{B(OH)_3 + OH^- \longrightarrow B(OH)_4^-}
e explique que após a doação a geometria passa a tetraédrica e a hibridização do boro para sp^3.

Passo 7

Resumo didático e conclusão (o que você deve anotar na folha da prova)
  • Ligações presentes em \mathrm{B(OH)_3}:
    • \mathrm{B–O}: três ligações covalentes sigma, majoritariamente formadas por sobreposição de sp^2 do boro com orbitais do oxigênio; polares ( \mathrm{O} é \delta^-, \mathrm{B} é \delta^+); boro fica eletronicamente deficiente (orbital p vazio).
    • \mathrm{O–H}: três ligações covalentes sigma polares (oxigênio parcialmente negativo, hidrogênio parcialmente positivo).
    • Ligações de hidrogênio intermoleculares \mathrm{O–H\cdots O}: forças importantes para estrutura sólida e propriedades físicas.
    • Ligação dativa / coordenada quando reage com um doador de par (ex.: \mathrm{OH^-} ou \mathrm{H_2O}): formação de \mathrm{B(OH)_4^-} com mudança de sp^2 para sp^3 no boro.
  • Reações úteis para lembrar:
\mathrm{B(OH)_3 + OH^- \longrightarrow B(OH)_4^-}
\mathrm{B(OH)_3 + 2 H_2O \rightleftharpoons B(OH)_4^- + H_3O^+}
\mathrm{B(OH)_3 + 3 CH_3OH \rightleftharpoons B(OCH_3)_3 + 3 H_2O}

Resposta

\mathrm{B–O}: três ligações covalentes \sigma polares (bora sp^2 — trigonal planar; orb. p vazio no B).
\mathrm{O–H}: três ligações covalentes \sigma polares (oxigênio aproximadamente sp^3).
Ligações intermoleculares: ligações de hidrogênio \mathrm{O–H\cdots O}.
Ligação coordenada (dativa) possível em reações: formação de \mathrm{B(OH)_4^-} por doação de par isolado ( \mathrm{OH^-} ou \mathrm{H_2O}), com mudança de sp^2 para sp^3 no boro.

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