aula2- A forma e a estrutura da molécula

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A forma e a estrutura 
da molécula
 
Prof. Dra. Eliene L. Araújo
 
Disciplina: Química Geral e Inorgânica
 
Por que precisamos saber isso? 
As formas das moléculas: 
 
Determinam o cheiro, o sabor e a ação de medicamentos; 
 
Governa as reações que ocorrem em nossos corpos e contribui para nos manter vivos 
Por que precisamos saber isso? 
Determina as propriedades dos materiais (coloração e solubilidade); 
 
Define também se uma substância será sólida, líquida ou gasosa; 
 
Somente no século XX que os químicos descobriram que as cores se devem à presença de certos compostos orgânicos com tipos característicos de ligação. 
 
 
 
A indústria farmacêutica moderna tem se desenvolvido juntamente com as novas técnicas computacionais, pois a forma molecular e a distribuição eletrônica exercem um papel crucial para o descobrimento de novos medicamentos. 
A forma das moléculas e dos íons 
Uma estrutura de Lewis representa uma localização aproximada dos elétrons ligantes e dos pares isolados em uma molécula. 
 
 
Diagrama de duas dimensões da ligação entre os átomos, com exceção dos casos mais simples; 
 
Não descreve corretamente o arranjo espacial dos átomos. 
 
A forma das moléculas e dos íons 
Para descrever as formas das moléculas menos simétricas, fornecemos os ângulos das ligações, que são os ângulos entre as linhas retas que ligam o centro dos átomos. 
 
Ex: O ângulo de ligação na água (H2O) é de 104, 50 entre as ligações OH 
 
Formas de moléculas simples 
Pares isolados não são apresentados 
O modelo VSEPR 
O que é necessário para explicar os ângulos e as formas das moléculas? 
 
É necessário apenas a adição de um item ao modelo de ligação de Lewis: regiões de alta concentração eletrônica se repelem. 
 
 “Elétrons ligantes e pares isolados se posicionam tão longe quanto possível um do outro, visando minimizar a repulsão”. 
 
 
 
180
0
 
120
0
 
109,5
0
 
120
0
 
90
0
 
9
0
0
 
9
0
0
 
9
0
0
 
72
0
 
O modelo VSEPR 
Modelo de repulsão por pares de elétrons na camada de valência, ou modelo VSEPR (valence –shell eléctron-pair repulsion model). 
 
Elétrons ligantes e pares isolados são regiões com altas concentrações eletrônicas, e se repelem. Para minimizar estas repulsões, essas regiões movem-se tão longe quanto possível. 
 
A localização “mais distante” de localização de pares eletrônicos identifica a forma da molécula. 
 
 
O modelo VSEPR 
Identificamos a forma de molécula a partir da provável localização dos átomos e nomeamos de acordo com a forma correspondente 
 
BeCl2 : não há pares isolados no átomo central 
 
Para se posicionar tão longe quanto possível, os pares ligantes, e consequentemente os átomos de Cl, encontram-se em lados opostos ao átomo de Be. 
 
É esperado que esta molécula seja linear, com ângulo de 1800 
 
 
 
O modelo VSEPR 
BF3: três pares ligantes presos ao átomo central sem pares isolados (1200); 
 
CH4: Quatro pares ligantes no átomo central: tetraédrica 
(109,50) 
 
PCl5: três pares ligantes presos ao átomo central sem pares 
isolados: bipirâmide trigonal (900 e 1200); 
 
 
 
Predição da forma de uma molécula 
Desenhe a estrutura de Lewis; 
Determine o arranjo de elétrons em torno do átomo central; 
Identifique a forma molecular; 
Permita distorções (os átomos se distanciam ligeiramente dos pares isolados) 
 
 
Ex: SF4 (Arranjo é bipirâmide trigonal, mas a forma é gangorra 
 
AX4E 
 
 
 
Predição da forma de uma molécula 
Nas moléculas que têm pares isolados ou um elétron desemparelhado no átomo central, os elétrons de valência contribuem para o ARRANJO DE ELÉTRONS em volta do átomo central, mas só os átomos ligados são considerados na identificação da FORMA. 
 
 
Os pares isolados distorcem a forma da molécula para reduzir as repulsões entre pares isolados e pares ligantes 
O modelo VSEPR 
Quando utilizamos o modelo VSEPR na previsão das formas das moléculas, não distinguimos entre ligações simples ou múltiplas. 
 
Ligações múltiplas (duplas/triplas) são tratadas como uma 
região simples de alta concentração eletrônica; 
 
CO2 é linear; 
 
CO32- é trigonal plana (os dois pares de elétrons da dupla são tratados como uma unidade). 
 
 
O modelo VSEPR 
Quando há mais de um átomo central, as ligações de cada átomo são consideradas independentemente. 
 
Ex: eteno (etileno) 
 
 
 
 
 
 
VAMOS PRATICAR? 
Sugira a forma de uma molécula de etino (acetileno), HC≡HC 
 
 
 
Prediga a forma da molécula de formaldeído, CH2O 
 
 
 
 
 
 
VAMOS PRATICAR? 
(a) Dê a fórmula VSEPR da molécula NH3. Prediga (b) o arranjo de elétrons e (c) a forma 
 
 Resposta: (a) AX3E; (b) tetraédrica; (c ) pirâmide trigonal, ângulo < 109,50 
 	 
 
 
O modelo VSEPR 
De acordo com o modelo VSEPR, PARES DE ELÉTRONS LIGANTES, E PARES DE ELÉTRONS 
ISOLADOS se posicionarão de forma a MAXIMIZAR SUAS SEPARAÇÕES; pares de elétrons em uma ligação múltipla são tratados como uma UNIDADE SIMPLES, equivalente a um par eletrônico. 
 
 
 
 
Moléculas com pares isolados em torno do átomo central 
Um par isolado axial encontra-se no eixo da molécula; 
 
Um par isolado equatorial encontra-se no equador da molécula, em um plano perpendicular ao eixo axial. 
Moléculas com pares isolados em torno do átomo central 
Um par isolado axial repele fortemente três pares de isolados; 
 
Um par isolado equatorial repele fortemente dois pares de elétrons. 
 
É melhor para um par isolado ser equatorial, produzindo uma molécula em formato em formato de balanço. 
 
Ex: ClF3 (Dois pares de elétrons isolados estarão o mais distante possível) – Forma de T. 
 
Pares isolados em torno do átomo central 
Pares isolados em torno de um átomo central (AC) também afetam sua forma; 
 
Fórmula VSEPR genérica (AXnEm) é empregada para auxiliar; 
 
A= átomo central; X= átomo ligado; E= par isolado 
 
 
Ex: BF3 possui 3 átomos ligados ao átomo central sem nenhum par isolado 
 
 
 
 
 
Pares isolados em torno do átomo central 
 
O ARRANJO ELETRÔNICO de uma molécula é a geometria tridimensional de um arranjo de ligações e pares isolados ao redor do átomo central; 
 
 Neste caso não há distinção entre pares ligantes e pares isolados. TODAS as regiões de concentração de elétrons são consideradas; 
 
A FORMA considera somente a posição dos átomos. Os pares de elétrons são ignorados para descrevê-la 
 
 
 
 
Pares isolados em torno do átomo central 
 
Se uma molécula tem um par isolado ou um elétron desemparelhado no átomo central, os elétrons contribuem com o ARRANJO ELETRÔNICO que determina a FORMA da molécula, mas são ignorados na denominação de sua forma. 
 
 
 
 
 
 
 
 
VAMOS PRATICAR? 
 
Preveja o arranjo da molécula trifluoreto de nitrogênio, NF3 
 
 
 
 
 
VAMOS PRATICAR? 
 
Preveja o arranjo eletrônico e a forma molecular do IF5 
 
 
 
 
 
Resposta: arranjo é octaédrico, mas a forma é pirâmide de base quadrada 
 
 
 
 
 
 
Pares isolados em torno do átomo central 
De acordo com o modelo VSEPR, pares isolados devem ser tratados como tendo um maior efeito de repulsão que os pares ligantes. 
 
Ninguém sabe o porquê disso. 
 
Explicação plausível: A nuvem eletrônica de um par ligante não poderia cobrir um volume tão grande, pois sabemos que o par ligante é atraído simultaneamente por dois átomos, não por um só. 
 
Par isolado-par isolado > par isolado-par ligante> par ligante-par ligante 
 
 
 
Pares isolados em torno do átomo central 
É melhor que um par isolado ocupe uma posição o mais afastada possível de outro; 
 
Também é melhor para os átomos que estão ligados ao AC estarem afastados dos pares isolados ainda que isto os aproxime de outros átomos; 
 
O modelo VSEPR prevê a direção das distorções, mas não prevê sua extensão. 
 
VAMOS PRATICAR?Preveja o arranjo do IF4+ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AS MOLÉCULAS POLARES 
 
 
 
 
 
Polaridade 
O modelo VSEPR de ligação trata todos os átomos da mesma maneira. No entanto, o tipo de átomos em uma molécula afeta a forma de como os elétrons se distribuem. 
 
A vida depende da localização destes elétrons 
 
 
Polaridade 
A MOLÉCULA POLAR: 
É uma molécula com momento dipolo diferente de zero. 
 
Moléculas diatômicas são polares se suas ligações são polares (ex: H2O, HCl); Isso acontece quando são compostas de átomos diferentes 
 
 
 
 
 
 
Polaridade 
Existe uma distinção entre molécula polar e ligação polar 
 
 
Embora cada ligação de uma molécula poliatômica possa ser polar, a molécula como um todo será apolar se os dipolos individuais se cancelarem. Ex: C-O 
 
 
 
 
 
 
Polaridade 
A MOLÉCULA APOLAR: 
É uma molécula com momento dipolo igual a zero. 
 
Moléculas diatômicas homonucleares são apolares (ex: Cl2, CCl4); Isso acontece quando são compostas de átomos iguais 
 
 
 
 
 
 
Polaridade 
A forma de uma molécula irá definir se ela é ou não apolar 
 
Os átomos e ligações são todos iguais para cis-dicloroeteno e trans-dicloroeteno 
 		 
	Polar 	Apolar 
 
 
 
Polaridade 
Polaridade 
Em suma: 
 
Uma molécula diatômica é polar se sua ligação é polar. Uma molécula diatômica é polar se tiver ligações polares arranjadas no espaço de maneira que seus dipolos não se cancelem. 
 
 
 
 VAMOS PRATICAR? 
Preveja se uma molécula de BF3 é polar. De acordo com o modelo VSEPR, qual a sua geometria e seu arranjo? 
 
 
Teoria da ligação de valência 
TAMBÉM CHAMADA DE TLV 
 
O modelo de Lewis para ligações químicas assume que cada par de elétrons ligantes está localizado entre dois átomos ligados. 
 
No entanto, sabemos que a partir da dualidade onda-partícula do elétron, que a localização de um elétron em um átomo não pode ser descrita em termos de uma posição precisa, mas sim em termos da probabilidade de o encontrarmos em algum lugar do espaço definido pelo seu orbital 
 
O mesmo princípio se aplica aos elétrons nas moléculas, exceto que o volume sobre o qual os elétrons estão distribuídos é maior. 
 
 
Teoria da ligação de valência 
 
A primeira descrição de ligação covalente desenvolvida em termos de orbitais atômicos é chamada de teoria de ligação de valência 
 
 
Modelo mecânico-quântico da distribuição de elétrons em ligações que vai além da teoria de Lewis e do modelo VSEPR fornecendo uma maneira de calcular numericamente os ângulos e comprimentos das ligações. 
 
 
 
 
Teoria da ligação de valência 
As ligações sigma e pi 
	Ligação simples H2 – 1s 	 
 	 
Os orbitais atômicos se fundem em uma coisa só. A distribuição resultante em formato de salsicha é denominada orbital molecular σ. 
 	 
Uma molécula de hidrogênio é mantida por uma ligação sigma. 	 
 	 
	A 	fusão 	de 	dois 	orbitais 	atômicos 	 	é 	chamada 
	sobreposição 	 
 	 
 	 
Teoria da ligação de valência 
A ligação sigma 
 
A letra grega sigma (σ) equivale a letra s. 
 	 
Ao longo do eixo internuclear, a distribuição eletrônica assemelha-se a um orbital s. 	 
 	 
Formalmente, uma ligação σ não tem o plano nodal quando observada ao longo do eixo internuclear. 	 	 	 
 
Teoria da ligação de valência 
A ligação pi 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ligação N2 – 2px 
 
Quando os elétrons remanescentes 2p emparelham seus orbitais podem se sobrepor somente lado-a-lado. 
 
Esta sobreposição resulta na ligação ∏ 
Teoria da ligação de valência 
Uma ligação simples é uma ligação σ; 	 
 	 
Uma ligação dupla é uma ligação σ e mais uma ligação 	π; 
 	 
Uma ligação tripla é uma ligação σ e mais duas ligações 	π. 
 	 
Quando se usa a TLV, primeiro identificam-se os orbitais atômicos da camada de valência que contêm elétrons desemparelhados, permite-se então aos elétrons formarem pares e os orbitais atômicos que eles ocupam se sobrepõem finalmente para formar as ligações 	σ, ou lateralmente para formar as ligações 	π. 
 
 
VAMOS PRATICAR? 
Quantas ligações sigma e quantas pi existem em (a) CO2 e (b) HCN ? 
 
 
 
Características 
Uma ligação simples é uma ligação σ; 	 
 	 
Uma ligação dupla é uma ligação σ e mais uma ligação 	π; 
 	 
Uma ligação tripla é uma ligação σ e mais duas ligações 	π. 
 	 
Quando se usa a TLV, primeiro identificam-se os orbitais atômicos da camada de valência que contêm elétrons desemparelhados, permite-se então aos elétrons formarem pares e os orbitais atômicos que eles ocupam se sobrepõem finalmente para formar as ligações 	σ, ou lateralmente para formar as ligações 	π. 
 
 
Hibridização dos orbitais 
A TLV não consegue explicar ligações de moléculas poliatômicas como o metano, CH4, nem predizer seus ângulos de ligação. 	 
Como explicar este comportamento? 	 
 	 
A característica tetravalente do carbono é devido à pequena quantidade de energia utilizada na promoção de um átomo de carbono. 
Hibridização dos orbitais 
 	 
O metano não é tetraédrico porque o carbono tem orbitais híbridos sp3. A hibridização é somente um modelo. A hibridização 	 é uma interpretação da forma molecular; a forma não é uma consequência da hibridização. 	 
Hibridização dos orbitais 
 	 
Os orbitais híbridos são construídos em um átomo para reproduzir o arranjo eletrônico característico da forma de uma molécula determinada experimentalmente. 
 	 
 	 
 	 
 	 
 
 
 
VAMOS PRATICAR? 
 
 
 
Sugira a estrutura em termos de orbitais híbridos para BF3. 
 	 
 
 
 
 
 
Resposta: 3 ligações σ formadas a partir de híbridos sp2. 
 
Ligações dos hidrocarbonetos 
 
Uma ligação C=C é mais forte que uma ligação C 	-C, porém mais fraca que a soma de duas ligações C 	-C; 
 
 
	Uma ligação C≡C também é mais fraca que a soma de 3 ligações C 	-C; 
 
 
Enquanto uma ligação simples é uma sigma, as ligações adicionais nas ligações múltiplas são 	pi. 
Ligações dos hidrocarbonetos 
 
Ligações duplas tem uma forte influência na forma da molécula, pois impede a rotação de uma parte da molécula em relação a outra. 	 
 
	Ex: Eteno (mantém a molécula plana 	) 
 
 
 
 
 
Ligações dos hidrocarbonetos 
 
	Ligações duplas: Vital para os organismos 	vivos (Ex: visão). 
Quando a luz entra no olho, excita um elétron externo da ligação pi 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ligações dos hidrocarbonetos 
 
 
A sobreposição lado-a-lado que forma a ligação pi torna a molécula resistente a possíveis rotações. 
 	 
Ligações múltiplas são formadas quando um átomo forma uma ligação σ com o uso de um orbital híbrido e uma ou mais ligações π com o emprego de orbitais p não-hibridizados. 
 
 
 
VAMOS PRATICAR UM POUCO 
Descreve a estrutura da molécula de subóxido de carbono, C3O2, em termos de orbitais híbridos, ângulos de ligação e ligações σ e π. Os átomos estão dispostos na ordem OCCCO. 
 
 
Resposta: Linear; todos os ângulos de ligação são de 1800; Cada C tem hibridização sp, formando uma ligação σ e uma π com cada átomo de C ou O adjacente. 
 
Teoria do orbital molecular - TOM 
 
 
Pela forma de Lewis, o O2 é O=O; 	 
 	 	 
	ATENÇÃO!!! 	 
 
 
 
	NÃO CAIRÁ NA PROVA!!!