Geometria molecular

Fórmula química não determina sozinha a forma

CO₂ e H₂O possuem três átomos por molécula, mas não apresentam a mesma geometria. No dióxido de carbono, os três núcleos estão alinhados; na água, formam um ângulo. A diferença depende da organização eletrônica ao redor do átomo central, incluindo os pares que não participam diretamente das ligações.

A geometria molecular descreve a disposição espacial dos núcleos. Ela influencia a polaridade e ajuda a compreender interações e propriedades. O modelo de repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência, conhecido pela sigla VSEPR, fornece previsões úteis para muitas moléculas de elementos representativos. É um modelo aproximado, não uma receita exata para qualquer composto.

Comece por uma estrutura de Lewis

Antes de nomear a forma, conte os elétrons de valência e construa uma estrutura de Lewis coerente. Identifique o átomo central, os átomos ligados a ele e os pares não ligantes que permanecem nesse centro. Verifique a carga da espécie: um ânion possui elétrons adicionais na contagem total, enquanto um cátion tem elétrons a menos.

Na água, oito elétrons de valência são distribuídos em dois pares ligantes e dois pares não ligantes. Na amônia, oito elétrons são distribuídos em três ligações N–H e um par não ligante no nitrogênio. Embora o total eletrônico seja igual nesses exemplos, a divisão entre ligações e pares isolados é diferente.

Uma estrutura de Lewis organiza contagens; seus traços no papel não fixam os ângulos reais. Desenhar três ligações formando um T não prova que uma molécula seja plana ou tenha geometria em T. A análise espacial vem depois da conectividade e da contagem eletrônica.

Conte regiões, não traços

Cada ligação com um átomo vizinho conta como uma região eletrônica ao redor do centro, seja simples, dupla ou tripla. Cada par não ligante também conta como uma região. As regiões tendem a se orientar de modo a reduzir repulsões.

No CO₂, as duas ligações duplas C=O correspondem a duas regiões, e não quatro. Como o carbono não possui par não ligante na estrutura usual, a disposição é linear, com ângulo de 180°. Toda molécula diatômica também é linear, mas não precisa dessa contagem de regiões ao redor de um centro: dois núcleos definem uma linha.

Duas, três e quatro regiões

Duas regiões se organizam linearmente. Três regiões apresentam arranjo trigonal plano, com ângulos ideais de 120°. Quatro regiões apresentam arranjo tetraédrico, com ângulos ideais próximos de 109,5°.

Quando todas as regiões correspondem a ligações, o nome da geometria molecular coincide com o arranjo eletrônico. BF₃ é trigonal plano e CH₄ é tetraédrico. O BF₃ também mostra por que não se deve forçar o octeto de qualquer maneira: sua estrutura introdutória apresenta seis elétrons ao redor do boro.

O painel de BF₃, CH₄ e NH₃ permite comparar três situações: três ligações no plano, quatro ligações em um tetraedro e três ligações acompanhadas de um par isolado. No último caso, substituir visualmente o par isolado por um quarto hidrogênio mudaria a espécie representada.

Existem arranjos com cinco e seis regiões, associados às formas bipiramidal trigonal e octaédrica. Essas extensões são úteis, mas o domínio inicial deve vir da contagem correta de regiões e da distinção entre arranjo eletrônico e forma molecular, antes de memorizar listas maiores.

Pares não ligantes mudam o nome da forma

A geometria molecular considera as posições dos átomos, não atribui um vértice molecular a cada par não ligante. A amônia tem quatro regiões eletrônicas: três ligações e um par isolado. O arranjo eletrônico é tetraédrico, mas os três hidrogênios e o nitrogênio definem uma geometria piramidal trigonal.

A água também apresenta quatro regiões, porém duas são pares não ligantes. Sua geometria molecular é angular. Pares não ligantes exercem repulsões diferentes das regiões ligantes e contribuem para desvios dos ângulos ideais. Os ângulos experimentais de NH₃ e H₂O são próximos de 107° e 104,5°, respectivamente. Esses valores não devem ser estendidos a toda molécula piramidal ou angular.

Mesma geometria, ângulos diferentes

NH₃ e PH₃ são piramidais, mas isso não obriga seus ângulos a serem iguais. Valores experimentais de referência são aproximadamente 106,7° para H–N–H e 93,3° para H–P–H. A comparação confirma que o ângulo da amônia é maior. Esses valores aparecem na tabela de parâmetros geométricos de um estudo de química molecular.

O nome da forma descreve a organização dos núcleos; o valor do ângulo depende da estrutura eletrônica e das interações da molécula específica. Contar quatro regiões não permite calcular automaticamente 109,5° para qualquer espécie. Para uma comparação quantitativa, use dados experimentais ou o modelo e os valores fornecidos pelo problema. Uma regra baseada somente na eletronegatividade não substitui essa análise.

Exemplo resolvido: comparar água e dióxido de carbono

Para CO₂, comece por O=C=O. O carbono tem dois vizinhos, duas regiões ligantes e nenhum par isolado. Duas regiões levam ao arranjo linear, que também é a geometria molecular.

Para H₂O, comece por H–O–H e acrescente os dois pares não ligantes do oxigênio. Existem quatro regiões eletrônicas, embora apenas dois átomos estejam ligados ao centro. O arranjo eletrônico é tetraédrico; ao considerar somente os núcleos, a geometria é angular. A comparação mostra por que “três átomos” não é uma informação suficiente para prever a forma.

Leitura de desenhos e erros comuns

Em representações espaciais, a cunha cheia costuma indicar uma ligação voltada ao observador e a cunha tracejada uma ligação orientada para trás do plano. Essa convenção ajuda a reconhecer tetraedros em uma folha plana. Use a forma obtida para estudar polaridade molecular, sem presumir que toda molécula com ligações polares seja polar.