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.

Passo 1

O que o enunciado pede:
  • Determinar, para as moléculas \mathrm{NH_3}, \mathrm{CH_4}, \mathrm{CO_2} e \mathrm{H_2O}:
    1. a geometria espacial de cada molécula (forma molecular);
    2. quais são polares e quais são apolares.
Informações relevantes que temos (fornecidas pelo enunciado / implícitas nas fórmulas):
  • As fórmulas químicas centrais são \mathrm{NH_3}, \mathrm{CH_4}, \mathrm{CO_2} e \mathrm{H_2O}.
  • 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:
    • \text{steric number}=2 \Rightarrow geometria eletrônica: linear (ângulo 180^\circ).
    • \text{steric number}=3 \Rightarrow geometria eletrônica: trigonal plana (ângulo \approx120^\circ).
    • \text{steric number}=4 \Rightarrow geometria eletrônica: tetraédrica (ângulo ideal \approx109{,}5^\circ).
  • 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 \mathrm{CH_4} (metano)
  • Contagem de domínios no átomo central (C):
    • Carbono ligado a quatro hidrogênios: quatro ligações simples \Rightarrow quatro domínios.
    • Não há pares isolados no carbono.
    • Logo \text{steric number}=4.
  • Geometria:
    • Para \text{steric number}=4 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: \approx109{,}5^\circ.
  • 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: \mathrm{CH_4} é apolar.

Passo 4

Resolução para \mathrm{NH_3} (amônia)
  • Contagem de domínios no átomo central (N):
    • Nitrogênio ligado a três hidrogênios: três ligações simples \Rightarrow três domínios ligados.
    • Nitrogênio tem um par isolado (lone pair) não ligado \Rightarrow mais um domínio.
    • Logo \text{steric number}=4 (3 ligantes + 1 par isolado).
  • Geometria:
    • Geometria eletrônica: tetraédrica (porque \text{steric number}=4).
    • 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 109{,}5^\circ para cerca de \approx107^\circ.
  • Polaridade:
    • Eletronegatividade de \mathrm{N} é maior que de \mathrm{H}, 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: \mathrm{NH_3} é polar (tem momento dipolar não nulo).

Passo 5

Resolução para \mathrm{H_2O} (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 \text{steric number}=4 (2 ligantes + 2 pares isolados).
  • Geometria:
    • Geometria eletrônica: tetraédrica (por \text{steric number}=4).
    • 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 109{,}5^\circ para cerca de \approx104{,}5^\circ.
  • 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: \mathrm{H_2O} é polar.

Passo 6

Resolução para \mathrm{CO_2} (dióxido de carbono)
  • Contagem de domínios no átomo central (C):
    • Carbono ligado a dois oxigênios por duplas ligações: duas duplas \Rightarrow dois domínios (cada dupla conta como um domínio).
    • Carbono não tem pares isolados.
    • Logo \text{steric number}=2.
  • Geometria:
    • Para \text{steric number}=2 a geometria é linear.
    • Ângulo O–C–O é 180^\circ.
  • 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: \mathrm{CO_2} 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:
    1. Identifique o átomo central (geralmente o átomo menos eletronegativo ou o que aparece uma vez).
    2. Conte ligações (simples/duplas) e pares isolados no átomo central → obtenha \text{steric number}.
    3. Use o mapeamento \text{steric number} \to geometria eletrônica, depois ajuste pela presença de pares isolados para obter a geometria molecular.
    4. 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:
\mathrm{NH_3}: piramidal trigonal (trigonal pyramidal, ângulo \approx107^\circ).
\mathrm{CH_4}: tetraédrica (ângulo \approx109{,}5^\circ).
\mathrm{CO_2}: linear (ângulo 180^\circ).
\mathrm{H_2O}: angular / dobrada (bent, ângulo \approx104{,}5^\circ).
b) Polaridade:
\mathrm{NH_3}: polar.
\mathrm{CH_4}: apolar.
\mathrm{CO_2}: apolar.
\mathrm{H_2O}: polar.

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