Geometria molecular: conceito, tipos e exemplos - Ciência - 2023

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o geometria molecular ou estrutura molecularé a distribuição 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 formem (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.

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

Que formas geométricas as moléculas são capazes de adotar? As duas teorias anteriores fornecem as respostas. Segundo o RPECV, os átomos e pares de elétrons livres devem estar 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 ligações.

No triângulo, os três pontos verdes são orientados separados por 120º. Este ângulo, que é igual ao da ligação, permite que os átomos se repelam o menos possível. Portanto, uma molécula com um átomo central ligado a três outras adotará uma geometria plana trigonal.

No entanto, RPECV prevê que um par de elétrons livre no átomo central distorcerá a geometria. Para o caso do plano trigonal, este par empurrará para baixo os três pontos verdes, resultando em uma geometria de pirâmide trigonal.

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

Como saber com antecedência a geometria molecular de um átomo de X?

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

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

Tipos de geometria molecular

Como pode ser visto na imagem principal, a geometria molecular depende de quantos átomos circundam o átomo central. No entanto, se um par não compartilhado de elétrons estiver presente, ele modificará a geometria devido ao seu grande volume. Portanto, ele 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 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 tem mais de um tipo de geometria; caso contrário, todos os tipos presentes devem ser considerados e a estrutura deve ter 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

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

Angular

Uma geometria linear pode ser assumida em primeiro lugar para a molécula AB₂; entretanto, é essencial traçar a estrutura de Lewis antes de chegar a uma conclusão. Com a estrutura de Lewis desenhada, o número de pares de elétrons não compartilhados (:) no átomo A pode ser identificado.

Quando isso acontece, os pares de elétrons no topo de A empurram os dois átomos de B para baixo, mudando seus ângulos. Como resultado, a molécula B-A-B linear acaba se tornando um V, um bumerangue ou uma geometria angular (imagem superior)

A molécula de água, H-O-H, 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 de aproximadamente 109º.

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

Se 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.

Tetraedro

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 se transforma em uma geometria angular. Isso também é observado 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, um plano trigonal permaneceria (imagem principal). Porém, ao remover um grupo eletrônico, o efeito estérico produzido pelo par de elétrons livres não é evitado. Portanto, ele distorce o plano trigonal em uma pirâmide com uma base triangular:

Embora a geometria molecular da pirâmide trigonal e tetraédrica sejam diferentes, 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 olhos" e seu efeito estérico, e essa geometria não leva em conta as distorções posteriores.

Por esta razão, é sempre importante determinar primeiro a geometria eletrônica com a ajuda das estruturas de Lewis antes de definir a geometria molecular. A molécula de amônia, NH₃, é um exemplo de geometria molecular de pirâmide trigonal, mas com geometria de elétrons tetraédrica.

Bipirâmide trigonal

Até agora, exceto na geometria linear, nas pirâmides tetraédricas, angulares e trigonais seus átomos centrais possuem hibridização sp³, de acordo com TEV. Isso significa que se seus ângulos de ligação fossem 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 ele 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.

Qual hibridização o ponto azul tem então? São necessários cinco orbitais híbridos para formar as ligações simples (laranja). Ele consegue isso através dos cinco orbitais sp³d (produto da mistura de um orbital s, três p e um d).

Ao considerar cinco grupos eletrônicos, a geometria é aquela já exposta, mas como existem pares de elétrons sem compartilhamento, ela novamente sofre as distorções que outras geometrias geram. Da mesma forma, surge a seguinte questão: esses pares podem ocupar alguma 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 o par de elétrons não compartilhados estará localizado preferencialmente? 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 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 com a base).

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

Oscilante e em forma de T

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

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

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

Então, para uma molécula do tipo AB₅, ele adota a geometria bipirâmide trigonal. No entanto, AB₄Com a mesma geometria eletrônica, adotará a geometria oscilante; e AB₃, a geometria em forma de T. Em todos eles A terá (geralmente) hibridização sp³d.

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

Octaédrico

A geometria molecular octaédrica é representada à direita da imagem principal. Este tipo de geometria corresponde a compostos AB₆. AB₄ formar a base quadrada, enquanto os dois Bs restantes são posicionados em posições axiais. Assim, vários triângulos equiláteros 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, AB₅ com geometria de elétrons octaédrica consiste em uma pirâmide com uma base quadrada e AB₄ de um plano quadrado:

Para o 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 hibridização para o átomo A nessas geometrias (ou estruturas, se for o único)? Mais uma vez, o TEV afirma que é sp³d², seis orbitais híbridos, que permitem a A orientar os grupos eletrônicos nos vértices de um octaedro.

Outras geometrias moleculares

Ao modificar as bases das pirâmides mencionadas até agora, algumas geometrias moleculares mais complexas podem ser obtidas. Por exemplo, a bipiramida pentagonal tem um pentágono como base e os compostos que a formam têm a fórmula geral AB₇.

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

Da mesma forma, os compostos AB₈ eles podem adotar geometrias como o antiprisma quadrado. Algumas geometrias podem ser muito complicadas, especialmente para fórmulas AB₇ em diante (até AB₁₂).

Exemplos de geometria molecular

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

Geometria linear

-Etileno, H₂C≡CH₂

- Cloreto de berílio, BeCl₂ (Cl-Be-Cl)

- Dióxido de carbono, CO₂ (O = C = O)

-Nitrogênio, N₂ (N≡N)

-Dibrometo mercúrico, HgBr₂ (Br-Hg-Br)

-Anião triiodeto, I₃^–(I-I-I)

-Ácido hidrociânico, HCN (H-N≡C)

Seus ângulos devem ser de 180º e, portanto, apresentar hibridização sp.

Geometria angular

–A água

-Dióxido de enxofre, SO₂

- Dióxido de nitrogênio, NÃO₂

-Ozone, O₃

-Anião Amida, NH₂^–

Plano trigonal

-Trifluoreto de bromo, BF₃

-Tricloreto de alumínio, AlCl₃

-Nitrato de ânion, NÃO₃^–

-Anião carbonato, CO₃^2–

Tetraedro

-Gás metano, CH₄

- Tetracloreto de carbono, CCl₄

- cátion amônio, NH₄⁺

-Anião sulfato, SO₄^2-

Pirâmide trigonal

-Amônia, NH₃

-Cation hidrônio, H₃OU⁺

Bipirâmide trigonal

- Pentafluoreto de fósforo, PF₅

- Pentacloreto de antimônio, SbF₅

Oscilante

Tetrafluoreto de enxofre, SF₄

Forma de T

-Tricloreto de iodo, ICl₃

- Trifluoreto de cloro, ClF₃ (ambos os compostos são conhecidos como interhalogênios)

Octaédrico

-Hexafluoreto de enxofre, SF₆

-Hexafluoreto de selênio, SeF₆

-Hexafluorofosfato, PF₆^–

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 esta deve ser sempre determinada antes da anterior.

Referências

Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning, p 194-198.
Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição., P. 23, 24, 80, 169). Mc Graw Hill.
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Chembook virtual, Charles E. Ophardt. (2003). Introdução à Geometria Molecular. Recuperado de: química.elmhurst.edu
Chemistry LibreTexts. (2016, 8 de setembro). Geometria das moléculas. Recuperado de: chem.libretexts.org