Geometria molecular: conceito, tipos e exemplos

Geometria molecular: conceito, tipos e exemplos

A geometria molecular ou estrutura molecular  é o arranjo espacial dos átomos em torno de um átomo central. Os átomos representam regiões onde existe uma alta densidade de elétrons e, portanto, são considerados grupos eletrônicos, independentemente das ligações que formam (simples, duplas ou triplas).

A geometria molecular de um elemento pode caracterizar algumas de suas propriedades físicas ou químicas (ponto de ebulição , viscosidade, densidade, etc.). Por exemplo, a estrutura molecular da água determina sua solubilidade.

Esse conceito nasce da combinação e dos dados experimentais de duas teorias: a da ligação de valência (TEV) e a da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência (RPECV). Enquanto o primeiro define as ligações e seus ângulos, o segundo estabelece a geometria e, consequentemente, a estrutura molecular.

Que formas geométricas as moléculas são capazes de adotar? As duas teorias anteriores fornecem as respostas. De acordo com o RPECV, átomos livres e pares de elétrons devem ser dispostos no espaço de forma a minimizar a repulsão eletrostática entre eles.

Portanto, as formas geométricas não são arbitrárias, mas buscam o design mais estável. Por exemplo, na imagem acima, você pode ver um triângulo à esquerda e um octaedro à direita. Os pontos verdes representam os átomos e as listras laranja as amarras.

No triângulo, os três pontos verdes são orientados em uma separação de 120º. Esse ângulo, que é igual ao da ligação, permite que os átomos se repelam o menos possível. Portanto, uma molécula com um átomo central anexado a três outras adotará uma geometria do plano trigonal.

No entanto, o RPECV prevê que um par livre de elétrons no átomo central distorcerá a geometria. No caso do plano trigonal, esse par pressionará os três pontos verdes, resultando em uma geometria da pirâmide trigonal.

O mesmo também pode acontecer com o octaedro na imagem. Nele todos os átomos são separados da maneira mais estável possível.

Como conhecer antecipadamente a geometria molecular de um átomo X?

Para isso, também é necessário considerar os pares de elétrons livres como grupos eletrônicos. Estes, juntamente com os átomos, definirão o que é conhecido como geometria eletrônica,  que é um companheiro inseparável da geometria molecular.

A partir da geometria eletrônica, e tendo detectado pela estrutura de Lewis os pares de elétrons livres, é possível estabelecer qual será a geometria molecular. A soma de todas as geometrias moleculares fornecerá um esboço da estrutura geral.

Tipos de geometria molecular

Como visto na imagem principal, a geometria molecular depende de quantos átomos circundam o átomo central. No entanto, se um par de elétrons não compartilhados estiver presente, ele modificará a geometria, pois ocupa muito volume. Portanto, exerce um efeito estérico.

Consequentemente, a geometria pode apresentar uma série de formas características para muitas moléculas. E é aqui que emergem os diferentes tipos de geometria molecular ou estrutura molecular.

Quando a geometria é igual à estrutura? Ambos denotam o mesmo apenas nos casos em que a estrutura não possui mais de um tipo de geometria; caso contrário, todos os tipos presentes devem ser considerados e atribuir à estrutura um nome global (linear, ramificado, globular, plano etc.).

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As geometrias são especialmente úteis para explicar a estrutura de um sólido a partir de suas unidades estruturais.

Linear

Todas as ligações covalentes são direcionais, portanto a ligação AB é linear. Mas a molécula de AB 2 será linear ? Se sim, a geometria é simplesmente representada como: BAB. Os dois átomos B são separados por um ângulo de 180º e, de acordo com o TEV, A deve ter orbitais sp híbridos.

Angular

Uma geometria linear para o AB 2 molécula pode ser assumida, em primeira instância ; no entanto, é essencial desenhar a estrutura de Lewis antes de chegar a uma conclusão. Desenhando a estrutura de Lewis, você pode identificar o número de pares de elétrons sem compartilhar (:) no átomo de A.

Quando é assim, acima de A os pares de elétrons empurram os dois átomos de B para baixo, mudando seus ângulos. Como resultado, a molécula linear BAB acaba se tornando um V, um bumerangue ou uma geometria angular (imagem acima)

A molécula de água, HOH, é o exemplo ideal para esse tipo de geometria. No átomo de oxigênio existem dois pares de elétrons sem compartilhamento que são orientados em um ângulo aproximado de 109º.

Por que esse ângulo? Porque a geometria eletrônica é tetraédrica, que tem quatro vértices: dois para os átomos de H e dois para os elétrons. Na imagem acima, observe que os pontos verdes e os dois “lobos com olhos” desenham um tetraedro com o ponto azulado no centro.

Se O não tivesse pares de elétrons livres, a água formaria uma molécula linear, sua polaridade diminuiria e oceanos, mares, lagos etc. provavelmente não existiriam como são conhecidos.

Tetraédrico

A imagem superior representa a geometria tetraédrica. Para a molécula de água, sua geometria eletrônica é tetraédrica, mas, ao eliminar os pares livres de elétrons, pode-se ver que ela é transformada em uma geometria angular. Isso também é visto simplesmente removendo dois pontos verdes; os dois restantes desenharão o V com o ponto azul.

E se, em vez de dois pares de elétrons livres, houvesse apenas um? Então haveria um plano trigonal (imagem principal). Entretanto, ao remover um grupo eletrônico, o efeito estérico produzido pelo par de elétrons livres não é evitado. Portanto, distorce o plano trigonal para uma pirâmide baseada em triângulo:

Embora a geometria molecular da pirâmide trigonal e tetraédrica seja diferente, a geometria eletrônica é a mesma: tetraédrica. Então a pirâmide trigonal não conta como geometria eletrônica?

A resposta é não, pois é um produto da distorção causada pelo “lobo com os olhos” e seu efeito estérico, e essa geometria não leva em consideração as distorções subsequentes.

Por esse motivo, é sempre importante determinar a geometria eletrônica primeiro com a ajuda das estruturas de Lewis antes de definir a geometria molecular. A molécula de amônia, NH 3 , é um exemplo de geometria molecular de pirâmide trigonal, mas com geometria eletrônica tetraédrica.

Bipirâmide trigonal

Até agora, com exceção da geometria linear, nas pirâmides tetraédricas, angulares e trigonais, seus átomos centrais têm hibridização sp 3 , de acordo com o TEV. Isso significa que, se seus ângulos de ligação foram determinados experimentalmente, eles deveriam estar em torno de 109º.

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A partir da geometria dipiramidal trigonal, existem cinco grupos eletrônicos ao redor do átomo central. Na imagem superior, pode ser visto com os cinco pontos verdes; três na base triangular e dois nas posições axiais, que são os vértices superior e inferior da pirâmide.

Que hibridação tem o ponto azul? Você precisa de cinco orbitais híbridos para formar as ligações simples (na cor laranja). Isso é realizado através dos cinco orbitais sp 3 d (produto da mistura de um s, três p e um orbital d).

Ao considerar cinco grupos eletrônicos, a geometria é a já exposta, mas como existem pares de elétrons sem compartilhamento, novamente sofre distorções que geram outras geometrias. Da mesma forma, surge a seguinte pergunta: Esses pares podem ocupar qualquer posição na pirâmide? São eles: o axial ou o equatorial.

Posições axial e equatorial

Os pontos verdes que compõem a base triangular estão em posições equatoriais, enquanto os dois nas extremidades superior e inferior estão em posições axiais. Onde preferencialmente o par de elétrons não compartilhados será localizado? Nessa posição que minimiza a repulsão eletrostática e o efeito estérico.

Na posição axial, o par de elétrons “pressionaria” perpendicularmente (90º) na base triangular, enquanto que se estivesse na posição equatorial, os dois grupos eletrônicos restantes na base estariam separados por 120º e pressionariam as duas extremidades a 90º (em vez de três, como na base).

Portanto, o átomo central procurará orientar seus pares livres de elétrons em posições equatoriais para gerar geometrias moleculares mais estáveis.

Oscilante e forma de T

Se um ou mais de seus átomos fossem substituídos por pares de elétrons livres na geometria bipiramidal trigonal, também haveria diferentes geometrias moleculares.

À esquerda da imagem superior, a geometria muda para a forma oscilante. Nele, o par livre de elétrons empurra o restante dos quatro átomos na mesma direção, dobrando suas ligações para a esquerda. Observe que esse par e dois átomos estão no mesmo plano triangular da bipirâmide original.

E à direita da imagem, a geometria em forma de T. Essa geometria molecular é o resultado da substituição de dois átomos por dois pares de elétrons, resultando nos três átomos restantes sendo alinhados no mesmo plano que desenha exatamente uma letra. T.

Portanto, para uma molécula do tipo AB 5 , ela adota a geometria trigonal bipiramidal. No entanto, AB 4 , com a mesma geometria eletrônica, adotará a geometria oscilante; e AB 3 , a geometria em forma de T. Em todos eles A terá (geralmente) hibridação sp 3 d.

Para determinar a geometria molecular, é necessário desenhar a estrutura de Lewis e, portanto, sua geometria eletrônica. Se for uma bipirâmide trigonal, os pares livres de elétrons serão descartados, mas não seus efeitos estéricos no restante dos átomos. Assim, é possível discernir perfeitamente entre as três possíveis geometrias moleculares.

Octaédrica

À direita da imagem principal está a geometria molecular octaédrica. Este tipo de geometria corresponde aos compostos AB 6 . AB 4 forma a base quadrada, enquanto os dois Bs restantes estão posicionados em posições axiais. Assim, vários triângulos equilaterais são formados, que são as faces do octaedro.

Aqui, novamente, pode haver (como em todas as geometrias eletrônicas) pares de elétrons livres e, portanto, outras geometrias moleculares derivam desse fato. Por exemplo, AB 5 com geometria eletrônica octaédrica consiste em uma pirâmide com uma base quadrada e AB 4 com um plano quadrado:

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No caso da geometria eletrônica octaédrica, essas duas geometrias moleculares são as mais estáveis ​​em termos de repulsão eletrostática. Na geometria do plano quadrado, os dois pares de elétrons estão separados por 180º.

Qual é a hibridação do átomo A nessas geometrias (ou estruturas, se for a única)? Mais uma vez, o TEV afirma que são sp 3 d 2 , seis orbitais híbridos, que permitem A orientar os grupos de elétrons nos vértices de um octaedro.

Outras geometrias moleculares

Modificando as bases das pirâmides mencionadas até agora, algumas geometrias moleculares mais complexas podem ser obtidas. Por exemplo, a bipirâmide pentagonal é baseada em um pentágono e os compostos que a formam têm a fórmula geral AB 7 .

Como outras geometrias moleculares, a substituição de átomos B por pares de elétrons livres distorcerá a geometria para outras formas.

Da mesma forma, os compostos AB 8 podem adotar geometrias como o anti-prisma quadrado. Algumas geometrias podem ser muito complicadas, especialmente para as fórmulas AB 7 em diante (até AB 12 ).

Exemplos de geometria molecular

A seguir, uma série de compostos será mencionada para cada uma das principais geometrias moleculares. Como exercício, você pode desenhar as estruturas de Lewis para todos os exemplos e certificar se, dada a geometria eletrônica, as geometrias moleculares são obtidas conforme listado abaixo.

Geometria linear

-Etileno, H 2 C≡CH 2

Cloreto -Beryllium, BeCl 2 (Cl-BeCl)

-Dióxido de carbono, CO 2 (O = C = O)

-Nitrogênio, N 2 (N≡N)

-Dibrometo de mercúrio, HgBr 2 (Br-Hg-Br)

Ânion -triiodeto, I 3 (III)

-Hidrocianico, HCN (HN≡C)

Seus ângulos devem ser 180º e, portanto, possuem hibridação sp.

Geometria angular

a água

-Dióxido de enxofre, SO 2

-Dióxido de nitrogênio, NO 2

-Ozone, O 3

-Anião amida, NH 2

Plano trigonal

-Trifluoreto de bromo, BF 3

-Tricloreto de alumínio, AlCl 3

Ânion nitrato, NO 3

-Anião de carbonato, CO 3 2–

Tetraédrico

-Gás metano, CH 4

-Tetracloreto de carbono, CCl 4

-Cátion de amônio, NH 4 +

– ânion sulfato, SO 4 2-

Pirâmide Trigonal

-Amonic, NH 3

– cátion hidrônio, H 3 O +

Bipirâmide trigonal

-Pentafluoreto de fósforo, PF 5

-Pentacloreto de antônia, SbF 5

Oscilante

Tetrafluoreto de enxofre, SF 4

Forma de T

-Tricloreto de iodo, ICl 3

-Trifluoreto de cloro, ClF 3 (ambos os compostos são conhecidos como inter-halogênios)

Octaédrica

– Hexafluoreto de enxofre, SF 6

-Hexafluoreto de selênio, SeF 6

-Hexafluorofosfato, PF 6

Para concluir, a geometria molecular é o que explica as observações das propriedades químicas ou físicas da matéria . No entanto, é orientado de acordo com a geometria eletrônica, de modo que o último deve sempre ser determinado antes do primeiro.

Referências

  1. Whitten, Davis, Peck e Stanley. Química. (8a ed.). CENGAGE Learning, p. 194-198.
  2. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição., P. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
  3. Mark E. Tuckerman. (2011). Geometria molecular e a teoria VSEPR. Recuperado de: nyu.edu
  4. Virtual Chembook, Charles E. Ophardt. (2003). Introdução à Geometria Molecular. Recuperado de: chemistry.elmhurst.edu
  5. Química LibreTexts. (08 de setembro de 2016). Geometria de moléculas. Recuperado de: chem.libretexts.org

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