Em virtude da natureza de suas ligações químicas e números de átomos presentes em suas estruturas, as moléculas podem apresentar diferentes arranjos espaciais, denominados de geometria. Nesse contexto, para as moléculas de amônia, metano, dióxido de carbono e água, determine:
a) a geometria espacial de cada molécula;
b) quais devem ser classificadas como polares e apolares.
a) a geometria espacial de cada molécula;
b) quais devem ser classificadas como polares e apolares.
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Determinar, para as moléculas
, , e : - a geometria espacial de cada molécula (forma molecular);
- quais são polares e quais são apolares.
Informações relevantes que temos (fornecidas pelo enunciado / implícitas nas fórmulas):
- As fórmulas químicas centrais são
, , e . - Devemos usar a natureza das ligações e o número de átomos/pares de elétrons em torno do átomo central para decidir geometria e polaridade.
Passo 2
Principais ideias e regra prática que vou usar (explicação didática e passo a passo):
- Para encontrar a geometria molecular, usar a ideia de “domínios eletrônicos” ao redor do átomo central:
- Cada ligação simples, dupla ou tripla conta como um domínio eletrônico (ou par ligado).
- Cada par de elétrons não ligantes (par isolado, lone pair) conta como um domínio.
- O número total de domínios é o chamado número estérico (steric number).
- Mapeamento prático do número estérico para geometria eletrônica:
-
geometria eletrônica: linear (ângulo ). -
geometria eletrônica: trigonal plana (ângulo ). -
geometria eletrônica: tetraédrica (ângulo ideal ).
-
- A geometria molecular (a forma observada) depende de quantos desses domínios são pares isolados: pares isolados ocupam mais espaço e achatam os ângulos de ligação.
- Para polaridade:
- Cada ligação tem um dipolo elétrico se os átomos ligados tiverem eletronegatividades diferentes; a direção vai do átomo menos eletronegativo para o mais eletronegativo.
- A molécula é apolar quando os dipolos das ligações se cancelam por simetria; é polar quando há um dipolo resultante não nulo (vetorial).
- Observação prática: ao contar domínios, tratar dupla ligação como um domínio único; basta identificar pares ligados vs pares não ligados.
Passo 3
Resolução para
(metano)
- Contagem de domínios no átomo central (C):
- Carbono ligado a quatro hidrogênios: quatro ligações simples
quatro domínios. - Não há pares isolados no carbono.
- Logo
.
- Carbono ligado a quatro hidrogênios: quatro ligações simples
- Geometria:
- Para
a geometria eletrônica é tetraédrica. - Como não há pares isolados, a geometria molecular é também tetraédrica (átomos de H nos vértices de um tetraedro).
- Ângulo de ligação aproximado:
.
- Para
- Polaridade:
- As ligações C–H são muito pouco polares (diferença de eletronegatividade pequena). Mesmo se considerarmos um pequeno dipolo em cada ligação, a simetria tetraédrica faz com que os vetores dipolo se anulem.
- Conclusão:
é apolar.
Passo 4
Resolução para
(amônia)
- Contagem de domínios no átomo central (N):
- Nitrogênio ligado a três hidrogênios: três ligações simples
três domínios ligados. - Nitrogênio tem um par isolado (lone pair) não ligado
mais um domínio. - Logo
(3 ligantes + 1 par isolado).
- Nitrogênio ligado a três hidrogênios: três ligações simples
- Geometria:
- Geometria eletrônica: tetraédrica (porque
). - Geometria molecular: com um par isolado e três ligantes, a forma é piramidal trigonal (trigonal pyramidal).
- O par isolado exerce maior repulsão, reduzindo o ângulo H–N–H do ideal
para cerca de .
- Geometria eletrônica: tetraédrica (porque
- Polaridade:
- Eletronegatividade de
é maior que de , então cada ligação N–H tem um dipolo apontando para o N. - A forma piramidal não é simétrica de modo a cancelar esses dipolos: existe um dipolo resultante apontando do grupo H para o N (em direção ao par isolado).
- Conclusão:
é polar (tem momento dipolar não nulo).
- Eletronegatividade de
Passo 5
Resolução para
(água)
- Contagem de domínios no átomo central (O):
- Oxigênio ligado a dois hidrogênios: dois domínios ligados.
- Oxigênio com dois pares isolados: dois domínios não ligados.
- Logo
(2 ligantes + 2 pares isolados).
- Geometria:
- Geometria eletrônica: tetraédrica (por
). - Geometria molecular: com dois pares isolados e dois ligantes, a forma é angular (bent) ou dobrada.
- O par isolado empurra as ligações, reduzindo o ângulo H–O–H do ideal
para cerca de .
- Geometria eletrônica: tetraédrica (por
- Polaridade:
- Oxigênio é muito mais eletronegativo que hidrogênio, então cada ligação O–H tem um dipolo apontando para o O.
- A geometria dobrada impede o cancelamento desses dipolos; o resultado é um dipolo resultante significativo apontando para o átomo de O.
- Conclusão:
é polar.
Passo 6
Resolução para
(dióxido de carbono)
- Contagem de domínios no átomo central (C):
- Carbono ligado a dois oxigênios por duplas ligações: duas duplas
dois domínios (cada dupla conta como um domínio). - Carbono não tem pares isolados.
- Logo
.
- Carbono ligado a dois oxigênios por duplas ligações: duas duplas
- Geometria:
- Para
a geometria é linear. - Ângulo O–C–O é
.
- Para
- Polaridade:
- Cada ligação C=O é polar (O mais eletronegativo que C), portanto há dois dipolos opostos apontando de C para cada O.
- Devido à geometria linear e simetria (os dois dipolos têm mesma magnitude e direção oposta), eles se cancelam exatamente.
- Conclusão:
é apolar (mesmo tendo ligações polares, a molécula inteira é apolar).
Passo 7
Resumo rápido de como aplicar no exame (dicas práticas)
- Passo a passo que pode usar em prova sem calculadora:
- Identifique o átomo central (geralmente o átomo menos eletronegativo ou o que aparece uma vez).
- Conte ligações (simples/duplas) e pares isolados no átomo central → obtenha
. - Use o mapeamento
geometria eletrônica, depois ajuste pela presença de pares isolados para obter a geometria molecular. - Para polaridade: calcule direções qualitativas dos dipolos das ligações (olhe eletronegatividades) e verifique se a simetria cancela ou não.
- Lembrete: dupla ligação conta como um domínio; número de ligações não é o mesmo que número de elétrons ligantes.
Resposta
a) Geometrias:
: piramidal trigonal (trigonal pyramidal, ângulo
).
: tetraédrica (ângulo
).
: linear (ângulo
).
: angular / dobrada (bent, ângulo
).
b) Polaridade:
: polar.
: apolar.
: apolar.
: polar.