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Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br UNIDADE 10: Geometria Molecular e Polaridade de Moléculas É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l Já sabemos que os átomos tendem a se unir, formando ligações, com o objetivo de diminuir sua energia em relação aos átomos isolados, ou seja, realizam ligações químicas com o intuito de se estabilizar. Podemos, assim, dizer que os elementos químicos perdem, ganham ou compartilham elétrons com o simples objetivo de adquirirem configuração eletrônica similar à de um gás nobre. Como consequência dos diferentes tipos de interação que os átomos podem realizar, teremos as diferentes propriedades físico químicas dos compostos químicos: uns são solúveis em água, outros não. Alguns compostos possuem uma enorme facilidade de conduzir corrente elétrica, outros já se comportam como isolantes. Porém, não são só as ligações químicas que são determinantes dessas características: temos também o arranjo espacial adquirido pelas moléculas como de suma importância como base para a compreensão dessa enorme gama de diferentes propriedades. As moléculas assumem diversos formatos como consequência da resultante entre as forças atrativas (as ligações químicas) e repulsivas entre seus constituintes. Chamaremos esses arranjos espaciais de Geometrias Moleculares. Mas, para compreender as geometrias moleculares precisamos, primeiramente, entender como funcionam essas forças repulsivas, já que as atrativas foram estudadas anteriormente. Modelo VSEPR A sigla da teoria “VSEPR”, em inglês: “Valency Shell Electron Pair Repulsion”, que pode ser traduzida para “Teoria de Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência”, é, na verdade, uma regra geral para as possíveis interações de repulsão que teremos entre os pares de elétrons envolvidos nas ligações (pares ligantes ou pares compartilhados - PC) e os pares eletrônicos que não estão envolvidos nas ligações (não ligantes ou isolados - PI). Por exemplo, na molécula do gás cloro, podemos observar que a 3 pares de elétrons não ligantes (PI) em cada um dos átomos e 1 par de elétrons ligantes sendo compartilhado entre os dois: Figura 1: Representação dos tipos de pares eletrônicos presentes nos compostos covalentes. Tendo em vista os tipos de pares eletrônicos existentes, podemos então estabelecer três tipos de repulsões eletrônicas diferentes, que serão listadas da seguinte maneira: Figura 2: Representação das possíveis repulsões eletrônicas e suas intensidades Vale também ressaltar que a intensidade dessas repulsões vai ser analisada nas forças existentes entre o átomo central e as ligações que o cercam, isto é, basta nos importarmos com os pares de elétrons livres presentes no átomo central da molécula. Os elétrons não ligantes (pares isolados) dos átomos periféricos (ligados ao átomo central) não serão relevantes, por hora, para a determinação da geometria molecular. Como consequência das diferentes forças repulsivas entre os átomos presentes nas moléculas covalentes, teremos os possíveis formatos adotados pelas moléculas, que serão chamados de “Geometrias Moleculares”. http://www.bioexplica.com.br/ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l GEOMETRIAS MOLECULARES 1. Geometria Linear (Digonal) Geralmente quando possuímos moléculas diatômicas ou moléculas triatômicas onde não há sobra de pares eletrônicos no átomo central. Podemos afirmar que toda molécula diatômica será linear. Porém, quando a molécula for triatômica e seu elemento central não possuir pares de elétrons não ligantes, a molécula em questão será linear. 2. Geometria Angular Trata-se de uma distorção da geometria linear. De uma maneira mais objetiva: basta considerarmos a presença de pelo menos um par de elétrons livres no átomo central da molécula em questão, o que já será suficiente para distorcer o arranjo espacial, dando à molécula o formato de composto de geometria angular. Podemos citar como exemplo a molécula de água (H2O), que terá geometria angular. 3. Geometria Trigonal (trigonal plana ou trigonal planar) A geometria trigonal, muito conhecida também como trigonal plana ou trigonal planar, será o formato resultante quando o átomo central, sem nenhum par de elétrons isolado, possuir 3 ligantes conectados a si. 4. Geometria Piramidal A geometria piramidal será uma derivada direta da geometria trigonal. Basta que acrescentemos um par de elétrons no átomo central de uma molécula trigonal para que as repulsões PI – PC tornem –se mais fortes que as repulsões PC – PC existentes na molécula trigonal. Assim, teremos um arranjo espacial que lembra uma pirâmide de base triangular. 5. Geometria Tetraédrica A geometria tetraédrica pode ser compreendida se substituirmos o par de elétrons não ligantes do átomo central por uma ligação com um outro elemento químico, logo, teremos a seguinte forma resultante: Essas cinco primeiras geometrias são as geometrias mais simples e tradicionais. Teremos também algumas geometrias pouco estudadas em nível médio, mas, que valem muito uma análise por serem mais complexas e fugirem um pouco à teoria do octeto. 6. Bipirâmide Trigonal A geometria em questão pode ser entendida se adicionarmos mais um ligante ao átomo central de uma molécula tetraédrica. Já que não há pares de elétrons livres no átomo central, esse novo ligante irá exercer uma repulsão sobre os outros átomos, gerando um novo arranjo estrutural que pode ser visualizado da seguinte maneira: Figura 3: Molécula linear diatômica Figura 4: Molécula linear triatômica Figura 5: Modelo de um possível arranjo angular Figura 6: Molécula de água Figura 7: Arranjo trigonal plano Figura 8: Molécula de BF3 Figura 9: Arranjo piramidal Figura 10: Molécula de NH3 Figura 11: Arranjo tetraédrico Figura 12: Molécula de CH4 http://www.bioexplica.com.br/ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l 7. Bipirâmide de Base Quadrada (Geometria Octaédrica) Podemos construir a geometria octaédrica adicionando mais um ligante ao átomo central de uma molécula Bipiramidal trigonal e, assim, obter o seguinte formato: A geometria em forma T será obtida quando tivermos 3 ligantes conectados ao átomo central, mas ainda assim restarem 2 pares eletrônicos não ligantes conectados ao átomo central. Assim, teremos o seguinte arranjo estrutural: 8. Geometria Gangorra: Moléculas com essa geometria são bastante raras e podem ser entendidas a partir de uma geometria tetraédrica. Ao adicionarmos um par de elétrons não ligantes à uma molécula tetraédrica, teremos uma nova repulsão existente além das repulsões PC – PC: teremos agora também repulsões PI – PC, que irão gerar o formato em questão: 9. Geometria Quadrática Plana: Moléculas com essa geometria são também bastante raras e, geralmente, são formadas com gases nobres sendo os elementos centrais. Um dos principais exemplos é quando Flúor e Xenônio se ligam, formando o tetrafluoreto de xenônio. A molécula irá adquirir um formato quadrático plano quando houverem quatro ligantes e dois pares eletrônicos livres no átomo central. Agora, vistos alguns dos os principais arranjos espaciais existentes, podemos partir para a análise da polaridade das moléculas, ou seja, como faremos com moléculas simples para determinar se tratasse de um composto polar ou apolar. DETERMINANDO A POLARIDADE DAS MOLÉCULAS Para determinarmos se uma molécula é polar ou apolar, precisamosfazer uma análise em cima de sua fórmula espacial, isto é, uma análise vetorial em cima de sua estrutura. Para isso, seguiremos o seguinte passo a passo: 1) Determinar o átomo central (Sempre o que está em menor quantidade e faz mais ligações) 2) Montar a fórmula eletrônica (Lewis) 3) Determinar o arranjo espacial (Geometria molecular) 4) Análise vetorial da molécula, onde: - Momento dipolar resultante = 0 Molécula apolar Figura 13: Arranjo Bipirâmide Trigonal Figura 14: Molécula de PCl5 Figura 15: Arranjo Octaédrico Figura 16: Molécula de SF6 Figura 17: Arranjo em forma "T" Figura 18: Molécula de ClF3 Figura 19: Arranjo em gangorra Figura 20: Molécula de SF4 Figura 21: Arranjo quadrático plano Figura 22: Tetrafluoreto de xenônio - XeF4 http://www.bioexplica.com.br/ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l - Momento dipolar resultante ≠ 0 Molécula polar CARÁTER DA LIGAÇÃO Em uma ligação química entre dois elementos com valores de eletronegatividades diferentes, a diferença entre esses valores de eletronegatividade (Δx) dos elementos formadores da ligação irá caracterizar a ligação como uma ligação covalente polar. Assim, feita esta breve análise, devemos fazer uma análise vetorial sobre a molécula, onde iremos acrescentar um vetor apontando sempre para o átomo mais eletronegativo. Δx = 0 Ligação covalente apolar Δx > 0 Ligação covalente polar A análise vetorial deve ser realizada da seguinte forma: Iremos analisar ligação por ligação e determinar o caráter de cada uma como ligação polar ou apolar. Quando a ligação for polar, devemos colocar um vetor apontando para o átomo mais eletronegativo. Quando a ligação for apolar, não há necessidade de se colocar nenhum vetor. Assim, iremos fazer uma soma dos vetores. Se houver um vetor resultante, iremos classificar a molécula como polar. Se a resultante da soma dos vetores for nula, iremos classificar a molécula como apolar. Exemplos: 01. Leia o texto a seguir. Os raios que ocorrem na atmosfera e a queima de combustíveis derivados do petróleo contendo hidrocarbonetos e compostos de enxofre (mercaptanas) contribuem para a produção de várias substâncias, dentre as quais pode-se destacar: CO2, CO, H2O, NO, SO2 e até mesmo, em pequenas quantidades, NO2 e SO3. Algumas destas emissões são, em parte, responsáveis pelo aumento do efeito estufa e pela formação da chuva ácida. Sobre a geometria das moléculas, considere as afirmativas a seguir. I. A molécula do CO2(g) é linear, porque o átomo central não possui pares de elétrons disponíveis. II. A molécula H2O(l) é angular, porque o átomo central possui pares de elétrons disponíveis. III. A molécula do SO2(g) é angular, porque o átomo central possui pares de elétrons disponíveis. IV. A molécula do SO3(g) é piramidal, porque o átomo central possui pares de elétrons disponíveis. Estão corretas apenas as afirmativas: a) I e III. b) I e IV. c) II e IV. d) I, II e III. e) II, III e IV. 02. As interações entre os íons produzem aglomerados, com formas geométricas definidas, denominados retículos cristalinos, característicos dos sólidos iônicos. Por outro lado, as moléculas surgem do compartilhamento de elétrons entre os átomos, que as constituem e apresentam geometrias próprias. Considerando as moléculas de dióxido de carbono, de trióxido de enxofre, de água, de amônia e de tetracloreto de carbono, é correto afirmar que suas respectivas geometrias moleculares são: ATIVIDADES PROPOSTAS Figura 23: molécula de água - POLAR Figura 24: molécula de Dióxido de carbono - APOLAR Figura 25: Tetracloreto de Carbono - Apolar Figura 26: Tricloro metano - Polar http://www.bioexplica.com.br/ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l a) angular; piramidal; angular; trigonal; bipirâmide trigonal. b) trigonal; linear; piramidal; angular; tetraédrica. c) linear; piramidal; angular; trigonal; tetraédrica. d) linear; trigonal; angular; piramidal; tetraédrica. e) angular; linear; piramidal; tetraédrica; tetraédrica. 03. O modelo abaixo representa processos de mudanças de estado físico para uma substância pura. sistema a sistema b sistema c IV III V De acordo com a representação geométrica utilizada no modelo acima, é correto afirmar que a substância envolvida nas mudanças de estado físico é: a) H2O b) CO2 c) HClO d) HCN 04. A emissão de substâncias químicas na atmosfera, em níveis elevados de concentração, pode causar danos ao ambiente. Dentre os poluentes primários, destacam-se os gases CO2, CO, SO2 e CH4. Esses gases, quando confinados, escapam lentamente, por qualquer orifício, por meio de um processo chamado efusão. A molécula que apresenta geometria tetraédrica é: a) CO2 b) SO2 c) CO d) CH4 e) XeF4 05. Relacione a fórmula, forma geométrica e polaridade a seguir, assinalando a opção CORRETA: Fórmula Forma Geométrica Polaridade a) CO2 linear polar b) CCl4 tetraédrica polar c) NH3 piramidal apolar d) BeH2 linear apolar 06. Sejam dadas as seguintes moléculas: H2O, BeH2, BCl3 e CCl4. As configurações espaciais dessas moléculas são, respectivamente: a) angular, linear, trigonal, tetraédrica b) angular, trigonal, linear, tetraédrica c) angular, linear, piramidal, tetraédrica d) trigonal, linear, angular, tetraédrica e) angular, linear, trigonal e piramidal A capacidade que um átomo tem de atrair eletrons de outro átomo, quando os dois formam uma ligação química, é denominada eletronegatividade. Esta é uma das propriedades químicas consideradas no estudo da polaridade das ligações. 07. Consulte a Tabela Periódica e assinale a opção que apresenta, corretamente, os compostos H2O, H2S e H2Se em ordem crescente de polaridade. a) H2Se < H2O < H2S b) H2S < H2Se < H2O c) H2S < H2O < H2Se d) H2O < H2Se < H2S e) H2Se < H2S < H2O 08. Considere as seguintes estruturas: S H H | | H C|| || SS F N | || | N I- II- III- IV- Correspondem a moléculas polares: a) I e II b) I e III c) II e III d) II e IV e) III e IV http://www.bioexplica.com.br/ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l 09. Na escala de eletrônegatividade, temos: Li H Br N O 1,0 2,1 2,8 3,0 3,5 Esses dados permitem afirmar que, entre as moléculas a seguir, a mais polar é: a) O2(g). b) LiBr(g) c) NO(g) d) HBr(g) e) Li2(g). 10. Sejam as substâncias: I. água (H2O) II. álcool metílico (H3CO4) III. Sulfeto de carbono (CS2) IV. Tetracloreto de carbono (CCI4) Orientam-se sob influência de um campo elétrico externo as moléculas: a) apenas II e IV b) nenhuma c) somente I e II d) todas. e) apenas I. 11. O gás carbônico (CO2) apresenta: a) quatro ligações covalentes comuns pola- res e molécula apolar. b) quatro ligações covalentes comuns pola- res e molécula polar. c) quatro ligações covalentes comuns apo- lares e molécula apolar. d) quatro ligações covalentes comuns apo- lares e molécula polar. e) quatro ligações covalentes dativas e mo- lécula apolar. 12. Assinale a alternativa onde só aparecem moléculas apolares. a) BCl3, H2Se, CO2 e H2; b) NH3, CCl4, CH4 e HCl; c) CCl4, BCl4, CO2 e BeH2; d) H2, N2, H2S e O3; e) BCl3, BeCl2, CO2 e H2O 13. Indique a molécula apolar com ligações polares: a) H2O b) HCl c) O2d) CH4 e) CHCl3 14. Uma substância polar tende a se dissolver em outra substância polar. Com base nesta regra, indique como será a mistura resultante após a adição de bromo (Br2) à mistura inicial de tetracloreto de carbono (CCl4) e água (H2O). a) Homogênea, com o bromo se dissolvendo completamente na mistura. b) Homogênea, com o bromo se dissolvendo apenas no CCl4. c) Homogênea, com o bromo se dissolvendo apenas na H2O. d) Heterogênea, com o bromo se dissolvendo principalmente no CCl4. e) Heterogênea, com o bromo se dissolvendo principalmente na H2O. 15. A molécula apolar que apresenta ligações covalentes polares é: a) Cl2 b) CO c) NH3 d) O3 e) CCl4 QUESTÃO 01 Gabarito: [D]. QUESTÃO 02 Gabarito: [D]. QUESTÃO 03 Gabarito: [A]. QUESTÃO 04 Gabarito: [D]. QUESTÃO 05 Gabarito: [D]. GABARITOS http://www.bioexplica.com.br/ Deixa que a gente explica! www.bioexplica.com.br É p ro ib id a a re p ro d u çã o , t o ta l o u p ar ci al , d es te m at er ia l QUESTÃO 06 Gabarito: [A]. QUESTÃO 07 Gabarito: [E]. QUESTÃO 08 Gabarito: [B]. QUESTÃO 09 Gabarito: [B]. QUESTÃO 10 Gabarito: [C]. QUESTÃO 11 Gabarito: [A]. QUESTÃO 12 Gabarito: [C]. QUESTÃO 13 Gabarito: [D]. QUESTÃO 14 Gabarito: [D]. QUESTÃO 15 Gabarito: [E]. Referencial Teórico: FONSECA, Martha Reis Marques da. Coleção de Química: Parte 01, Parte 02 e Parte 03. São Paulo: Editora Atica, 2014. FONSECA, Martha Reis Marques da. Completamente Química, Ciências, Tecnologia & Sociedade. São Paulo: Editora FTD S.A., 2001, 624 p. TITO CANTO. Química na abordagem do cotidiano, volume 1, 5ª edição, ed moderna, São Paulo, 2009. FELTRE, R. Química Geral. 7ª edição, ed moderna, São Paulo, 2008. FELTRE, R. Físico-Química. 7ª edição, ed moderna, São Paulo, 2008. FELTRE, R. Química Orgânica. 7ª edição, ed moderna, São Paulo, 2008. USBERCO, João; Salvador, Edgard. Química Geral. 12ª.ed. São Paulo: Saraiva, 2006. LEMBO, Antonio; Groto,Robson. Química - Geral e Orgânica. 2010. ATKINS, P.W.; JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3.ed. 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