Slide - Geometria Molecular - 2024-1

QMC5206 Química Orgânica Básica Geometria Molecular Fábio Zazyki Galetto galettofzufscbr Aula 02 Geometria molecular O arranjo tridimensional das moléculas interfere significativamente em suas propriedades físicas e químicas 2 Como prever a geometria de uma molécula poliatômica Moléculas diatômicas Moléculas constituídas por 2 átomos serão sempre lineares Ex Cl2 CO HCl N2 O2 etc 3 1 Modelo RPECV Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência Os pares de elétrons se repelem e por isso se arranjarão em torno do átomo central de forma a ficar o mais distantes possível entre si Moléculas poliatômicas Para indicar a geometria de uma molécula poliatômica podemos usar basicamente dois modelos 2 Modelo de hibridização dos orbitais atômicos Quando um átomo forma ligações covalentes os orbitais atômicos puros são combinados para formar novos orbitais que serão usados nas ligações químicas Esses novos orbitais são chamados orbitais híbridos 4 Modelo RPECV Modelo RPECV a geometria de moléculas poliatômicas depende do número de regiões de densidade eletrônica NE ao redor do átomo central Geometria de moléculas poliatômicas pelo modelo RPECV 5 1 Fazer a estrutura de Lewis 2 Determinar o no de regiões de densidade eletrônica ou o número estérico NE ao redor do átomo central NE no ÁTOMOS ligados ao átomo central no PARES de e isolados do átomo central 3 O NE do átomo central determina a geometria do arranjo eletrônico maior distânica possível entre as regiões de densidade eletrônica RPECV 4 Para determinar a geometria da molécula considere apenas as ligações Modelo RPECV 6 Estrutura de Lewis Estrutura do arranjo eletrônico Geometria da molécula NE 2 0 2 NE 3 0 3 NE 2 1 3 Modelo RPECV 7 Estrutura de Lewis Est do arranjo eletrônico Geometria da molécula NE 4 0 4 NE 3 1 4 NE 2 2 4 1 Desenhar a estrutura de Lewis para a molécula 2 Determinar a hibridização do átomo central 3 A hibridização do átomo central determina a geometria do arranjo eletrônico 4 Para determinar a geometria da molécula considere apenas as ligações Modelo de hibridização Geometria de moléculas poliatômicas pela hibridização do átomo central 8 9 De acordo com a TLV a ligação entre dois átomos é realizada através da sobreposição de dois orbitais atômicos Sobreposição referese a uma porção destes orbitais atômicos que ocupam o mesmo espaço Os elétrons envolvidos na ligação estão emparelhados nesta região de sobreposição e são atraídos por ambos os núcleos Teoria de ligação de valência TLV 10 A TLV prevê dois tipos diferentes de sobreposições de orbitais Ligação sigma quando a ligação provém da sobreposição frontal de orbitais Teoria de ligação de valência TLV A primeira ligação química entre 2 átomos será sempre do tipo Isso significa que toda ligação simples será Ligação pi quando a ligação decorre da sobreposição lateral de orbitais Neste caso a densidade eletrônica no eixo de ligação é zero 11 Teoria de ligação de valência TLV Depois que dois átomos já tiverem realizado a primeira ligação química entre si qualquer ligação extra realizada entre eles será do tipo Portanto Ligação dupla 1 1 Ligação tripla 1 2 Hibridização Orbitais sp3 e estrutura do metano Configuração eletrônica do átomo de C 1s2 2s2 2p2 dois elétrons desemparelhados duas ligações no estado fundamental Composto CH2 é extremamente reativo e de curta existência Compostos de C tetravalente são mais estáveis Hibridação do átomo de carbono 2p 2s 1s 2p 2s 1s Estado fundamental Estado excitado Promoção de um elétron 2s para orbital 2p produz C de alta energia estado excitado com quatro ē não compartilhados Isto explica o fato de o carbono fazer 4 ligações mas não o fato de serem todas iguais 12 combinação matemática de orbitais um do tipo s e três do tipo p forma quatro orbitais híbridos de mesma energia hibridização sp3 Sobreposição do orbital s com lobo positivo do orbital p é aditiva mas com o lobo negativo é subtrativa Híbrido resultante é fortemente orientado em uma direção no espaço 13 Os quatro orbitais híbridos sp3 estão orientados nos vértices de um tetraedro regular repulsão máxima modelo RPECV A orientação espacial permite formação de ligações químicas fortes por sobreposição frontal com orbitais de H por exemplo Formação de quatro ligações CH gera molécula de metano Força de cada ligação CH é de 104 kcalmol o comprimento de 110Ǻ e o ângulo HCH de 1095o 14 Estrutura da água Estrutura da amônia 15 É importante perceber que o modelo de hibridização dos orbitais atômicos não é aplicável apenas para o átomo de carbono Na água o oxigênio está hibridizado em sp3 Na amônia o nitrogênio está hibridizado em sp3 Hibridização Orbitais sp2 e estrutura do eteno Combinação matemática do orbital atômico 2s com apenas dois dos 3 orbitais atômicos 2p disponíveis Desta operação resultam 3 orbitais atômicos chamados híbridos sp2 sendo que um orbital 2p permanece não hibridizado Os 3 orbitais sp2 localizamse em um plano estabelecendo ângulos de 120o entre si RPECV com o orbital p remanescente perpendicular a este plano 16 Sobreposição frontal de orbitais sp2 forma ligação sigma sp2sp2 A sobreposição lateral dos orbitais 2py não híbridos forma a ligação Pi pypy Os quatro orbitais sp2 remanescentes ligamse a quatro H Em resumo todo átomo de carbono que formar uma ligação dupla apresentará hibridização sp2 e o ângulo formado com quaisquer dois átomos ou grupos ligados a este será de aproximadamente 120º Lig Sigma Lig Pi ligação dupla 17 Hibridização Orbitais sp e estrutura do etino Combinação matemática de um orbital 2s com somente um orbital 2p dois orbitais híbridos sp lineares ângulo de 180º RPECV Dois dos orbitais 2p o orbital 2py e o orbital 2pz permanecem não hibridizados e são ortogonais entre si e ao orbital híbrido sp 18 Os dois orbitais sp remanescentes formam ligações com dois átomos de H para formar o etino A figura abaixo mostra a ligação CC formada pela superposição frontal dos orbitais híbridos sp de cada um dos átomos de carbono enquanto que a superposição lateral entre os orbitais 2p paralelos de cada carbono forma as duas ligações Lig Sigma 2 Lig Pi ligação tripla 19 O carbono pode hibridizar sp3 sp2 sp Tipo Ângulo de ligação Geometria sp3 1095o Tetraédrica O carbono ocupa o centro de um tetraedro e os ligantes os seus vértices Cada C 4 ligações tipo sp2 120o Trigonal plana Os orbitais sp2 são direcionados para os vértices de um triângulo equilátero Cada C 3 ligações tipo 1 ligação tipo sp 180o Linear Estrutura linear com ângulo de 180º Cada C 2 ligações tipo 2 ligação tipo 20 EXERCÍCIOS 1 Indique se as ligações existentes entre os átomos abaixo são covalentes ou iônicas a NaF b KCl c MgCl2 d F2 e O2 f N2 g H2O 2 Para um carbono com hibridizações sp sp2 e sp3 responda a Qual será o ângulo entre as ligações b Qual a geometria da molécula c O que é uma ligação sigma e o que é uma ligação pi 3 Indique a hibridização sp sp2 sp3 de cada carbono nitrogênio e oxigênio das seguintes moléculas a N2 b NH3 c CH3CHCH2 d O2 e H2O f CH3CH2OH g CH3COCH3 h 4 Escreva todas as ligações do propeno CH3CHCH2 e 13butadieno CH2CHCHCH2 e propino CH3CCH Indique a hibridização de cada átomo de carbono e o valor de cada ângulo de ligação 5 O metóxido de sódio CH3ONa apresenta ligações covalentes e iônicas Identifique estas ligações 21 22 6 Dê a hibridização de todos os átomos de carbono oxigênio e nitrogênio da vitamina C e da cafeína 7 Qual a hibridização do boro na molécula de BF3 Dados B grupo 13 F grupo 17 8 Explique as diferenças nos comprimentos de ligação CC e CH observadas nos seguintes hidrocarbonetos Ex 1 Qual a geometria do CO2 MÉTODO RPECV 1 Estrutura de Lewis 2 NE 2 0 2 3 Geometria do arranjo eletrônico linear 4 Geometria da molécula linear MÉTODO HIBRIDIZAÇÃO 1 Hibridização do átomo central C sp 2 Geometria do arranjo eletrônico linear 4 Geometria da molécula linear 2 regiões de densidade eletrônica ficam o mais distantes possível entre si RPECV com ângulo de 180º linear A geometria da hibridização sp é linear MODELO GERAL três átomos nenhum par de elétrons isolados no átomo central geometria linear 180º 23 Ex 2 Qual a geometria da H2O MÉTODO RPECV 1 Estrutura de Lewis 2 NE 2 2 4 3 Geometria do arranjo eletrônico tetraédrico 4 Geometria da molécula angular MÉTODO HIBRIDIZAÇÃO 1 Hibridização do átomo central O sp3 2 Geometria do arranjo eletrônico tetraédrico 4 Geometria da molécula angular 4 regiões de densidade eletrônica ficam o mais distantes possível entre si RPECV com ângulo de 109º tetraedro A geometria da hibridização sp3 é tetraédrica MODELO GERAL três átomos com elétrons isolados no átomo central geometria angular 109o ou 120º HOH Considerando somente as ligações 24 Considerando somente as ligações Ex 4 Qual a geometria da NH3 MÉTODO RPECV 1 Estrutura de Lewis 2 NE 3 1 4 3 Geometria do arranjo eletrônico tetraédrico 4 Geometria da molécula pirâmide trigonal MÉTODO HIBRIDIZAÇÃO 1 Hibridização do átomo central N sp3 2 Geometria do arranjo eletrônico tetraédrico 4 Geometria da molécula pirâmide trigonal MODELO GERAL quatro átomos com elétrons isolados no átomo central geometria pirâmide trigonal 109º HNH H 4 regiões de densidade eletrônica ficam o mais distantes possível entre si RPECV com ângulo de 109º tetraedro Considerando somente as ligações A geometria da hibridização sp3 é tetraédrica Considerando somente as ligações 25 Ex 5 Qual a geometria do CH4 MÉTODO RPECV 1 Estrutura de Lewis 2 NE 4 0 4 3 Geometria do arranjo eletrônico tetraédrico 4 Geometria da molécula tetraédrica MÉTODO HIBRIDIZAÇÃO 1 Hibridização do átomo central C sp3 2 Geometria do arranjo eletrônico tetraédrico 4 Geometria da molécula tetraédrica MODELO GERAL quatro átomos sem elétrons isolados no átomo central geometria tetraédrica 109º 4 regiões de densidade eletrônica ficam o mais distantes possível entre si RPECV com ângulo de 109º tetraedro A geometria da hibridização sp3 é tetraédrica H HCH H 26 NE ou hibridização NE 4 sp3 109º Geometria do arranjo eletrônico Geometria da molécula NE 3 sp2 120º Geometria do arranjo eletrônico Geometria da molécula NE 2 sp 180º Geometria do arranjo eletrônico Geometria da molécula Tetraédrica Tetraédrica Tetraédrica Tetraédrica Pirâmide trigonal Angular Trigonal plana Trigonal plana Trigonal plana Angular Linear Linear Legenda Par isolado Par da ligação Conclusão Se não há pares de elétrons isolados no átomo central a geometria da molécula é igual à geometria do arranjo eletrônico Se há pares isolados no átomo central não pois a geometria da molécula considera apenas as ligações 27