Geometria Molecular
1. Introdução à Geometria Molecular
Você já parou para pensar por que algumas substâncias são líquidas, enquanto outras são sólidas ou gasosas, mesmo que sejam formadas por átomos parecidos?
Ou por que certos compostos têm cheiros tão diferentes uns dos outros?
Tudo isso está relacionado à geometria molecular.
A geometria molecular é o estudo de como os átomos se organizam no espaço para formar moléculas.
Essa organização não é aleatória; ela segue regras que garantem a maior estabilidade possível para a molécula.
E a forma como os átomos se organizam pode influenciar diretamente as propriedades físicas e químicas de um composto.
Quando esse assunto é cobrado em avaliações das escolas, você precisa saber de duas coisas:
O nome da geometria da molécula e como desenhá-la.
Desenhar um $CH_4$ em forma de quadrado, de X ou de uma pirâmide é totalmente diferente, e é isso que esse assunto vai cobrar de você.
Vamos iniciar.
2. Teoria da Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência (VSEPR)
A teoria mais usada para prever a forma de uma molécula é a Teoria da Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência,
ou simplesmente VSEPR (do inglês Valence Shell Electron Pair Repulsion).
Não se preocupe com o nome, você nunca vai usá-lo na sua vida, preste atenção só na ideia:
Quando você desenha uma molécula, existe um átomo central. Esse átomo central sempre terá pares de elétrons ao seu redor.
Esses pares de elétrons podem estar livres ou podem estar em ligação com outros átomos, tanto faz.
A única coisa que importa é que eles sempre vão querer ficar o mais longe possível uns dos outros para minimizar a repulsão entre eles.
Se você tem menos repulsão, você tem uma molécula mais estável. Pronto!
3. Conceitos importantes: Nuvem Eletrônica, Arranjo e Geometria Molecular
Nuvem Eletrônica
A nuvem eletrônica de uma molécula é o total de pares de elétrons que interagem com o seu átomo central.
Ou seja, é a soma dos pares de elétron ligantes (elétrons do átomo central que estão se ligando aos de outros átomos) com os pares de elétrons livres.
A molécula CH4 tem o carbono como átomo central. Ele possui 4 elétrons em sua camada de valência (CV) e quer ganhar 4 elétrons.
Para isso, está fazendo 4 ligações covalentes, uma com cada hidrogênio, que quer ganhar apenas 1 elétron.
O carbono nessa molécula tem 4 pares ligantes e 0 pares de elétron livres, portanto sua nuvem eletrônica é 4.
Já a molécula NH3 tem o nitrogênio como átomo central. Ele possui 5é na CV, querendo ganhar 3é. Como cada hidrogênio quer ganhar 1é, são formadas 3 ligações.
Perceba que, se o nitrogênio tem 5é e 3 deles se ligaram com hidrogênios, sobrou um par de elétron livre.
Logo, a nuvem eletrônica do NH3 é: 3 pares ligantes + 1 par livre = 4.
Nuvens eletrônicas iguais, mas de forma diferente. Isso gera diferença na hora de desenhar a molécula, veremos daqui a pouco.
Cuidado! Fique atento à essa observação!
Uma ligação simples conta como um par ligante na nuvem eletrônica.
Agora uma ligação dupla conta como... um par ligante também.
Assim como uma ligação tripla, assim como um par de elétron livre.
Não pense em contar 2 nuvens em uma ligação dupla, pois está errado.
No próximo capítulo eu explicarei direitinho o por quê, mas por enquanto guarde essa informação.
Arranjo da molécula
O arranjo da molécula leva em consideração apenas a nuvem eletrônica.
Não importa se ela foi obtida com pares de elétrons livres e muito menos com quantos.
Só importa o número final.
Geometria da molécula
Leva em consideração as duas informações: tanto a nuvem eletrônica quanto o número de pares de elétrons livres. É uma combinação dos dois.
Sendo assim, podemos ter várias moléculas com geometrias diferentes, mas com arranjos iguais. Basta que a nuvem eletrônica delas seja a mesma.
Agora que entendemos esses três conceitos, vamos destrinchar todas os arranjos e as geometrias.
4. Classificação das Geometrias Moleculares
A maneira que eu mais gosto de definir o arranjo, a geometria e o desenho da molécula é comparando NUVEM ELETRÔNICA (NE) x PARES DE ELÉTRONS LIVRES (PéL).
Normalmente, as provas cobram apenas a geometria. Decore o arranjo se você souber que seu professor cobra sobre ele também.
1. Arranjo Linear (NE = 2)
O arranjo linear acontece em duas ocasiões.
A primeira é quando só existem dois átomos se ligando.
Sempre que existirem apenas dois átomos, você pode afirmar que o arranjo será linear, assim como a sua geometria (desenho em forma de linha).
$H_2$, $Cl_2$, $HCl$, $N_2$, $O_2$, não importa. Sempre linear.
A outra situação é quando a nuvem eletrônica (NE) vale 2 e você tem 0 pares de elétrons livres (PéL).
Por exemplo, a molécula $CO_2$.
Todas essas moléculas possuirão arranjo e geometria linear.
Já aprenda logo, sempre que os PéL forem 0, arranjo = geometria.
2. Arranjo Trigonal Plano (NE = 3)
Aqui, temos duas situações de arranjo trigonal plano.
3 nuvens eletrônicas com 0 pares de elétrons livres
Nessa situação, arranjo = geometria = trigonal plano. Um exemplo de molécula é o $BF_3$.
O desenho lembra um triângulo, sendo o átomo central dentro do triângulo e os demais elementos sendo os vértices.
3 nuvens eletrônicas com 1 par de elétron livre
Arranjo trigonal plano e geometria angular ou em forma de V.
Uma molécula importante é o $SO_2$.
O desenho lembra um ângulo geométrico, por isso o nome.
3. Arranjo Tetraédrico (NE = 4)
Aqui, temos três situações.
4 nuvens eletrônicas com 0 pares de elétron livres
Arranjo = Geometria = Tetraédrico.
O principal exemplo é o $CH_4$.
E aqui vai o maior erro desse assunto: desenhar o $CH_4$ em forma de quadrado (ou losango).
É errado desenhar assim porque a partir de quatro nuvens eletrônicas, a geometria da molécula não é mais plana, ela é espacial.
Se a molécula fosse plana, o ângulo de maior distância entre os ligantes de fato seria 90° e o desenho estaria certo.
Porém, como a molécula é espacial, o ângulo entre os ligantes é de 109°28'.
Portanto, o desenho certo é em formato de uma "pirâmide", sendo mais específico um tetraédrico.
4 nuvens eletrônicas com 1 par de elétron livre
Arranjo tetraédrico, geometria piramidal.
O principal exemplo é a molécula $NH_3$.
É o mesmo desenho do tetraédrico, tirando o ligante de cima e colocando o par de elétron livre.
4 nuvens eletrônicas com 2 pares de elétron livres
Arranjo tetraédrico, geometria angular ou forma de V.
Sim, ela se repete. O principal exemplo é a molécula da água, $H_2O$.
4. Arranjo Bipiramidal (NE = 5)
Aqui, temos 4 situações.
5 nuvens eletrônicas com 0 pares de elétron livres
Arranjo = geometria = bipiramidal.
O principal exemplo é o $PCl_5$.
O desenho tem a forma de uma base triangular, com o átomo central no meio do triângulo e os ligantes no vértice, um átomo para cima e um átomo para baixo.
Essa combinação forma duas pirâmides de base triangular, de mesma base.
5 nuvens eletrônicas com 1 par de elétron livre
Arranjo bipiramidal, geometria gangorra.
O principal exemplo é o $SF_4$.
Parte do mesmo desenho anterior, retirando um ligante e deixando o par de elétron livre, ficando na forma de gangorra.
5 nuvens eletrônicas com 2 pares de elétron livre
Arranjo bipiramidal, geometria em forma de T.
O principal exemplo é o $ICl_3$.
Parte do desenho do PCl5 e retira dois ligantes, deixando dois pares e três ligantes, em forma de T.
5 nuvens eletrônicas com 3 pares de elétron livre
Arranjo piramidal, geometria linear. Novamente.
O principal exemplo é o $XeF_2$.
Estrutura linear com o Xe no centro, dois pares de elétron livre para cima, um par baixo.
5. Arranjo Octaédrico (NE = 6)
Aqui, temos 3 situações.
6 nuvens eletrônicas com 0 pares de elétron livres
Arranjo = geometria = octaédrico.
Principal exemplo é o $SF_6$.
Mesmo desenho do bipiramidal, o que muda é que agora a base das pirâmides é quadrada.
6 nuvens eletrônicas com 1 par de elétron livre
Arranjo octaédrico, geometria pirâmide de base quadrada.
Principal exemplo é o$ICl_5$.
Mesmo desenho do $SF_6$, retirando o topo de uma das pirâmides e deixando o PéL.
6 nuvens eletrônicas com 2 pares de elétron livres
Arranjo octaédrico, geometria quadrado plano.
O principal exemplo é o $XeF_4$.
Para desenhar, basta retirar os dois topos das duas pirâmides.
Agora sim é certo deixar em forma de quadrado/losango, pois agora é uma geometria plana.
Não confunda com o desenho da geometria tetraédrica.
Resumo Visual das Geometrias Moleculares
Para fechar, apresentamos um resumo das geometrias moleculares em um formato visual.
Aqui estão as principais formas que você deve lembrar, junto com exemplos reais:
