Questões de geometria molecular com respostas exigem que o estudante determine como os átomos se organizam no espaço e relacione essa forma à presença de pares de elétrons no átomo central. O método mais usado é a teoria da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência, conhecida pela sigla VSEPR. Ao identificar ligações e pares isolados, é possível prever formatos como linear, angular, trigonal plana, piramidal e tetraédrica.
O que é geometria molecular
A geometria molecular é a disposição espacial dos átomos em uma molécula. Ela não deve ser confundida com a fórmula molecular: duas substâncias podem ter números semelhantes de átomos, mas formas e propriedades distintas. A organização tridimensional interfere, por exemplo, na polaridade, nas forças intermoleculares e nos pontos de fusão e ebulição.
Na molécula de CO2, o carbono fica no centro e os dois oxigênios ocupam posições opostas. A forma é linear, com ângulo de 180°. Já na água, H2O, os dois hidrogênios não ficam em uma linha reta: a molécula é angular. Essa diferença ocorre porque o oxigênio possui pares de elétrons que não participam diretamente das ligações e ocupam espaço ao redor do átomo central.
Para nomear corretamente uma geometria, observe apenas as posições dos átomos. Porém, para descobrir essa geometria, é indispensável considerar todas as regiões de densidade eletrônica em torno do átomo central, incluindo os pares isolados. Essa distinção evita um erro muito comum em exercícios.
Teoria VSEPR e pares eletrônicos
A teoria VSEPR afirma que as regiões de maior densidade eletrônica ao redor de um átomo se repelem e tendem a ficar o mais afastadas possível. Essas regiões podem ser uma ligação simples, dupla ou tripla, ou um par de elétrons isolado. Para fins de contagem inicial, uma ligação múltipla conta como uma única região, pois está direcionada para o mesmo átomo ligado.
As repulsões não têm a mesma intensidade. De forma geral, a ordem é: par isolado–par isolado maior que par isolado–par ligante, que é maior que par ligante–par ligante. Como os pares isolados ficam associados a apenas um núcleo, sua densidade eletrônica ocupa uma região mais ampla. Por isso, eles comprimem os ângulos entre as ligações.
Regra central: conte as regiões eletrônicas ao redor do átomo central. Depois, se houver pares isolados, retire-os da descrição da forma molecular, mas mantenha seu efeito sobre os ângulos.
Por exemplo, o metano, CH4, possui quatro regiões ligantes e nenhum par isolado no carbono. Sua geometria eletrônica e sua geometria molecular são tetraédricas. Na amônia, NH3, há quatro regiões eletrônicas no nitrogênio: três ligações e um par isolado. A geometria eletrônica continua tetraédrica, mas a geometria molecular passa a ser piramidal trigonal.
Como resolver questões de geometria molecular
Um procedimento organizado reduz a necessidade de decorar formatos isolados. Antes de aplicar a VSEPR, desenhe ou imagine a estrutura de Lewis, indicando ligações e elétrons de valência. Em íons, ajuste a quantidade de elétrons de acordo com a carga: adicione elétrons em cargas negativas e retire em cargas positivas.
- Identifique o átomo central. Em geral, ele é o menos eletronegativo, exceto o hidrogênio, que nunca ocupa essa posição.
- Conte os elétrons de valência de todos os átomos e faça o ajuste da carga, quando houver.
- Monte a estrutura de Lewis e verifique os pares isolados no átomo central.
- Conte as regiões eletrônicas ao redor desse átomo. Cada átomo ligado corresponde a uma região.
- Determine a geometria eletrônica e, por último, a geometria molecular, considerando somente os átomos ligados.
Também vale conferir se o átomo central atende ao octeto, quando essa regra se aplica. Elementos do terceiro período em diante, como fósforo e enxofre, podem apresentar mais de oito elétrons na camada de valência em alguns compostos. Assim, moléculas como PCl5 e SF6 aparecem em exercícios com cinco e seis regiões eletrônicas, respectivamente.
Formas moleculares principais
O número de regiões eletrônicas fornece a geometria de referência. A tabela apresenta os casos mais frequentes no ensino médio. A notação entre parênteses mostra, primeiro, a quantidade de átomos ligados ao central e, depois, a quantidade de pares isolados nele.
| Regiões eletrônicas | Distribuição no átomo central | Geometria molecular | Exemplo |
|---|---|---|---|
| 2 | 2 ligações, 0 pares isolados | Linear | CO2 |
| 3 | 3 ligações, 0 pares isolados | Trigonal plana | BF3 |
| 3 | 2 ligações, 1 par isolado | Angular | SO2 |
| 4 | 4 ligações, 0 pares isolados | Tetraédrica | CH4 |
| 4 | 3 ligações, 1 par isolado | Piramidal trigonal | NH3 |
| 4 | 2 ligações, 2 pares isolados | Angular | H2O |
| 5 | 5 ligações, 0 pares isolados | Bipiramidal trigonal | PCl5 |
| 6 | 6 ligações, 0 pares isolados | Octaédrica | SF6 |
Os ângulos ideais ajudam na identificação: 180° na forma linear, 120° na trigonal plana e aproximadamente 109,5° na tetraédrica. Contudo, pares isolados alteram os valores. Na água, o ângulo H–O–H é próximo de 104,5°, menor que o ângulo ideal tetraédrico. Na amônia, o ângulo H–N–H é próximo de 107°.
Questões objetivas comentadas
1. Qual é a geometria da molécula de CO2?
Resposta: linear. O carbono central faz duas ligações duplas, uma com cada oxigênio. Embora cada ligação seja dupla, há apenas duas regiões eletrônicas em torno do carbono. Elas se afastam ao máximo, formando um ângulo de 180°.
2. A geometria molecular do BF3 é qual?
Resposta: trigonal plana. O boro faz três ligações com átomos de flúor e não apresenta par isolado no átomo central. As três regiões eletrônicas se distribuem em um mesmo plano, com ângulos próximos de 120°.
3. Por que H2O é angular, e não linear?
Resposta: o oxigênio possui quatro regiões eletrônicas: duas ligações O–H e dois pares isolados. A geometria eletrônica é tetraédrica, mas, como os pares isolados não aparecem no nome da forma molecular, restam dois átomos ligados em posição angular.
4. A molécula NH3 apresenta geometria tetraédrica?
Resposta: não. A distribuição eletrônica ao redor do nitrogênio é tetraédrica, pois existem quatro regiões. Entretanto, a geometria molecular é piramidal trigonal, porque somente três dessas regiões correspondem a átomos de hidrogênio; a quarta é um par isolado.
5. Qual molécula é apolar em razão de sua geometria simétrica: CO2 ou H2O?
Resposta: CO2. Cada ligação C=O é polar, mas as duas ligações estão em sentidos opostos na geometria linear. Os vetores de dipolo se anulam. Em H2O, a forma angular impede essa anulação, tornando a molécula polar.
6. O íon NH4+ tem qual geometria?
Resposta: tetraédrica. O nitrogênio está ligado a quatro hidrogênios e não possui par isolado após a formação do cátion. Portanto, há quatro regiões ligantes equivalentes em torno do átomo central.
Questões discursivas com respostas
7. Compare as geometrias de CH4, NH3 e H2O.
Resposta: as três espécies apresentam quatro regiões eletrônicas no átomo central, portanto partem de uma distribuição tetraédrica. No CH4, as quatro regiões são ligações e a geometria molecular é tetraédrica. No NH3, uma região é par isolado, originando forma piramidal trigonal. No H2O, há dois pares isolados, e a forma passa a ser angular.
8. Explique por que os ângulos de ligação de NH3 e H2O são menores que 109,5°.
Resposta: 109,5° é o ângulo ideal entre quatro pares ligantes em uma disposição tetraédrica. Os pares isolados repelem mais intensamente os pares ligantes e aproximam as ligações entre si. A água possui dois pares isolados e sofre uma compressão maior que a amônia, que tem apenas um.
9. Determine a geometria de PCl5 e indique as posições possíveis dos átomos ligados.
Resposta: PCl5 possui cinco regiões ligantes no fósforo e nenhum par isolado. Sua geometria é bipiramidal trigonal: três átomos de cloro ficam em posições equatoriais, no mesmo plano, e dois ficam em posições axiais, acima e abaixo desse plano.
10. O SO2 é linear ou angular? Justifique.
Resposta: angular. A estrutura de Lewis usual indica duas regiões de ligação entre enxofre e oxigênios e um par isolado no enxofre. Assim, existem três regiões eletrônicas, com distribuição trigonal plana; ao considerar apenas os átomos, obtém-se a geometria angular.
Pontos de revisão
- Geometria eletrônica considera ligações e pares isolados; geometria molecular considera somente os átomos.
- Ligações simples, duplas e triplas contam como uma região eletrônica ao redor do átomo central.
- Pares isolados ocupam mais espaço e diminuem os ângulos entre pares ligantes.
- Moléculas simétricas podem ser apolares mesmo quando possuem ligações polares, como ocorre no CO2.
- Em questões, desenhar a estrutura de Lewis antes de nomear a forma é a maneira mais segura de aplicar a VSEPR.
Ao resolver exercícios, não memorize apenas exemplos. Verifique o número de regiões eletrônicas, separe geometria eletrônica de geometria molecular e observe a simetria da estrutura. Esse roteiro permite analisar moléculas conhecidas e também espécies iônicas apresentadas pela primeira vez em uma questão.
