Geometria Molecular: 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 eletrônica e, portanto, são considerados grupos eletrônicos, independentemente dos links que formam (simples, duplos ou triplos).

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

Geometria Molecular: tipos e exemplos 1

Fonte: Gabriel Bolívar

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

Portanto, as formas geométricas não são arbitrárias, mas procuram o design mais estável. Por exemplo, na imagem superior, um triângulo pode ser visto 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 pode acontecer com o octaedro da 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 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 através da estrutura de Lewis os pares de elétrons livres, pode-se estabelecer qual será a geometria molecular. A soma de todas as geometrias moleculares fornecerá um esboço da estrutura geral.

Tipos

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

De acordo com isso, a geometria pode apresentar uma série de formas características para muitas moléculas. E é aqui que surgem 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.).

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

Linear

Todos os links covalentes são direcionais, portanto o link 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 híbridos sp.

Angular

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Fonte: Gabriel Bolívar

Pode-se assumir em primeira instância uma geometria linear para a molécula AB 2 ; No entanto, é essencial desenhar a estrutura de Lewis antes de chegar a uma conclusão. Desenhada a estrutura de Lewis, você pode identificar o número de pares de elétrons sem compartilhar (:) no átomo de A.

Quando é assim, no topo 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 uma geometria V, bumerangue ou angular (imagem superior)

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 109 °.

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

Tetraédrico

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Fonte: Gabriel Bolívar

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 notar que ela é transformada em uma geometria angular. Isso também é observado simplesmente eliminando 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). No entanto, ao eliminar um grupo eletrônico, o efeito estérico produzido pelo par de elétrons livres não é evitado. Portanto, distorce o plano trigonal para uma pirâmide de base triangular:

Geometria Molecular: tipos e exemplos 4

Fonte: Gabriel Bolívar

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 o produto da distorção causada pelo “lobo com os olhos” e seu efeito estérico, e a referida geometria não leva em consideração as distorções subsequentes.

Por esse motivo, é sempre importante primeiro determinar a geometria eletrônica 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 da pirâmide trigonal, mas com geometria eletrônica tetraédrica.

Pirâmide Trigonal

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Fonte: Gabriel Bolívar

Até o momento, com exceção da geometria linear, na pirâmide tetraédrica, angular e trigonal, 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.

A partir da geometria dipiramidal trigonal, existem cinco grupos eletrônicos ao redor do átomo central. Na imagem acima, você pode ver 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 (laranja). Isto é conseguido através dos cinco orbitais sp 3 d (produto da mistura de um orbital s, três pe ed).

Ao considerar cinco grupos eletrônicos, a geometria é a já exposta, mas quando há 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, em posições axiais. Onde o par de elétrons será localizado preferencialmente sem compartilhamento? Nessa posição, 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 da base seriam separados em 120º e pressionariam as duas extremidades em 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 em forma de T

Geometria Molecular: tipos e exemplos 6

Fonte: Gabriel Bolívar

Se na geometria bipiramidal trigonal um ou mais de seus átomos fossem substituídos por pares livres de elétrons, 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 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 (normalmente) sp 3 d hibridação .

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, pode-se discernir perfeitamente entre as três possíveis geometrias moleculares.

Octaédrica

À direita da imagem principal está representada a geometria molecular octaédrica. Este tipo de geometria corresponde aos compostos AB 6 . AB 4 forma a base quadrada, enquanto os dois B 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 de um plano quadrado:

Geometria Molecular: tipos e exemplos 7

Fonte: Gabriel Bolívar

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)? Novamente, o VTE estabelece que são sp 3 d 2 , seis orbitais híbridos, o que permite A orientar os grupos eletrônicos 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 uma fórmula geral AB 7 .

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

Além disso, 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

Uma série de compostos para cada uma das principais geometrias moleculares será mencionada abaixo. 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 de berílio, BeCl 2 (Cl-Be-Cl)

-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, OR 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

-Camião de amônio, NH 4 +

– ânion sulfato, SO 4 2-

Pirâmide Trigonal

-Amônico, NH 3

– cátion hidrônio, H 3 O +

Pirâmide Trigonal

-Pentafluoreto de pós-fósforo, PF 5

-Pentacloreto de antônia, SbF 5

Rocking

Tetrafluoreto de enxofre, SF 4

Forma de T

– Cloreto 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. (8 de setembro de 2016). Geometria de moléculas. Recuperado de: chem.libretexts.org

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