Geometria molecular: veja resumo

Por quê estudar geometria molecular? Qual a sua importância para a nossa vida? Vocês acreditariam se eu dissesse que a forma das moléculas têm a capacidade de determinar os odores, sabores e sua ação como fármacos? E não acaba por aí não!

É a forma das moléculas que garante de forma eficiente as reações que ocorrem em nosso organismo e contribui para a nossa sobrevivência. Ela também tem grande influência nas propriedades dos materiais, como seus estados físicos e suas solubilidades.

A geometria molecular se trata do estudo da distribuição espacial dos átomos em uma molécula, assumindo assim, formas geométricas. O principal fator que determina a geometria das moléculas é a repulsão entre os pares de elétrons da camada de valência.

A estrutura de Lewis fornece a conectividade atômica, nos mostrando o número e os tipos de ligação entre os átomos. A forma espacial de uma molécula é determinada por seus ângulos de ligação.

Considerando, por exemplo, a molécula CCl₄, verificamos que todos os ângulos de ligação Cl–C–Cl são de 109,5°, como mostrado na figura abaixo. Consequentemente, a molécula não pode ser plana.

Geometria molecular do CCl₄.

Como podemos ver, todos os átomos de cloro estão localizados nos vértices de um tetraedro com o carbono no seu centro.

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Para definir a geometria molecular, primeiramente identifica-se o átomo central e conta-se os pares de elétrons de valência, incluindo tanto os pares ligantes quanto os não ligantes. Utiliza-se a Teoria VSEPR (Teoria da Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência) para prever a disposição espacial dos átomos, minimizando a repulsão entre pares de elétrons.

As geometrias resultantes variam de linear, trigonal plana, tetraédrica, piramidal a angular, dependendo do número de pares de elétrons. A geometria é então definida pelo arranjo dos átomos no espaço, levando em consideração os ângulos de ligação e a presença de pares de elétrons não ligantes, que podem distorcer a geometria ideal. 

Para prevermos a forma molecular, consideramos que as regiões de altas concentrações de elétrons se repelem e, para reduzir ao máximo essa repulsão, elas tendem a se afastar o máximo possível, mantendo a mesma distância do átomo central. Denominamos esta teoria de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência (RPENV).

Temos que considerar também na teoria de RPENV que não existe diferença entre ligações simples ou duplas e triplas. Uma ligação dupla ou tripla é tratada como uma só região de alta concentração eletrônica. Os dois pares de elétrons em uma ligação dupla, assim como os três pares de elétrons em uma ligação tripla, permanecem juntos e repelem outras ligações ou pares de elétrons isolados.

Por exemplo, a molécula de dióxido de carbono (O=C=O) tem uma estrutura molecular semelhante à da molécula BeCl₂ (Cl–Be–Cl). Ambas possuem geometria linear, como mostra a figura abaixo.

Estrutura molecular das moléculas de CO₂ e BeCl₂.

Por fim, a teoria de RPENV também estabelece que, quando existe mais de um átomo central, as ligações de cada átomo são tratadas independentemente.

Por exemplo, na molécula de etileno (C₂H₄) temos dois átomos centrais: os dois átomos de carbono. Para prever a estrutura geométrica desta molécula devemos escrever a estrutura de Lewis, como mostra a figura abaixo.

Molécula de etileno.

Podemos ver que cada átomo de carbono possui três regiões de concentração de elétrons: duas ligações simples (C–H) e uma ligação dupla (C=C). Não há pares eletrônicos isolados. Portanto, o arranjo ao redor de cada átomo de carbono é trigonal planar, com ângulos HCH e HCC iguais a 120°, como mostra a figura abaixo.

Geometria molecular do etileno (C₂H₄).

A teoria de RPENV é muito aplicada para moléculas do tipo AB_x, onde A é o átomo central e B é o elemento ligante. Nessa molécula, os pares de elétrons (nuvens eletrônicas) da camada de valência do átomo A se repelem, determinando o formato da molécula.

Por exemplo, se existirem duas nuvens eletrônicas ao redor do átomo A, a maior distância angular que elas podem ter é 180°. Se tiverem três nuvens, a distância angular máxima passa a ser 120°, e assim por diante.

Para determinar a geometria molecular, primeiro temos que determinar a fórmula eletrônica através da estrutura de Lewis e contar as nuvens eletrônicas ao redor do átomo central. Devemos considerar como par eletrônico:

• cada ligação simples, dupla, tripla ou coordenada/dativa (–, =, ≡, →);
• cada par de elétrons não ligantes.

A Tabela 1 mostra as possíveis geometrias moleculares em função do número de nuvens eletrônicas ao redor do átomo central.

Tabela 1. Geometrias moleculares em função do número de nuvens eletrônicas ao redor do átomo central.

Geometrias moleculares em função do número de nuvens eletrônicas ao redor do átomo central.

Observação: toda molécula diatômica apresenta geometria linear.

Os átomos podem se transformar em íons ao perder ou ganhar elétrons, tornando-se cátions ou ânions, respectivamente. A determinação da geometria de íons segue as mesmas regras usadas para determinar a geometria das moléculas.

Por exemplo, ao dissolver o ácido nítrico (HNO₃) em água, ocorre a ionização do ácido, produzindo o ânion nitrato NO₃^-.

Ionização do ácido cítrico.

Como podemos observar na figura acima, ao romper a ligação entre o hidrogênio e o oxigênio, o hidrogênio perde seu elétron para o oxigênio.

Ao redor do átomo central (N) existem três nuvens eletrônicas (uma na ligação simples, uma na ligação dupla e outra na dativa) e nenhum par de elétrons isolados (não-ligantes).

Portanto, a geometria, tanto dos pares de elétrons quanto da molécula é trigonal plana (comparar com a primeira tabela).

A geometria molecular é fundamental na determinação das propriedades físicas e químicas de uma molécula, influenciando reatividade, polaridade e interações intermoleculares. Baseada na Teoria VSEPR, considera a repulsão entre pares de elétrons de valência para prever a disposição espacial dos átomos.

As geometrias variam de linear a tetraédrica, impactando diretamente a funcionalidade química e a capacidade de formar ligações específicas. 

A geometria afeta a polaridade, essencial na solubilidade e pontos de fusão/ebulição. Entender a geometria molecular permite previsões precisas sobre o comportamento de moléculas em reações químicas e em contextos biológicos, essencial para avanços na química, medicina e materiais.

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