Forma e estrutura das moléculas Atkins e Jones, Princípios de Química, cap. 3, p (5 a edição)

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1 Forma e estrutura das moléculas Atkins e Jones, Princípios de Química, cap. 3, p (5 a edição) Relembre: Estrutura de Lewis e a regra do octeto - Antiga (introduzida por GN Lewis em 1916), mas útil até hoje para explicar compostos onde os átomos possuem valência simples. - "Os átomos se combinam formando moléculas ou sais de tal forma que cada um dos átomos envolvidos contenha 8 elétrons na camada de valência" >> Isso representa uma configuração muito estável, de forma similar ao que se observa nos gases nobres que são pouco reativos, exatamente devido a elevada estabilidade A "regra do octeto" permite antecipar a proporção de átomos numa determinada molécula ou sal, mas não indica nada sobre a estrutura (distribuição espacial) desta molécula ou retículo cristalino Revise: Distribuição de elétrons nos orbitais atômicos Bom livro para revisão de QG: Kotz - Quim Geral I e reações químicas

2 A regra do octeto, o modelo da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência e a estrutura de moléculas simples A molécula de metano (CH 4 ) como exemplo Pense: O que a regra do octeto de Lewis prevê para o CH 4? Qual seria a distribuição no espaço destes átomos - aplique o modelo da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência. Pesquise em casa: Qual é o ângulo de ligação determinado experimentalmente na molécula de metano? 1. Como podemos definir quais são os elétrons de valência no C e no H? 1a) Quantos elétrons tem o C? 1b) Como eles se distribuem nos subníveis s, p e d? 1c) Quais ocupam a "camada de valência"? 2. Idem para os elétrons do H

3 Testes da aula anterior Resolução dos testes será feita no quadro da sala de aula Onde estudar?? Atkins e Jones, Princípios de Química, Cap. 3>> p Pense: O que a regra do octeto de Lewis prevê para o CH 4? Qual seria a distribuição no espaço destes átomos - aplique o modelo da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência. Pesquise em casa: Qual é o ângulo de ligação determinado experimentalmente na molécula de metano?

4 ...a molécula de metano 1. Como podemos definir quais são os elétrons de valência no C e no H? 1a) Quantos elétrons tem o C? Tabela periódica é para usar... 1b) Como eles se distribuem nos subníveis s, p e d? 1c) Quais ocupam a "camada de valência"? 2. Idem para os elétrons do H

5 TABELA PERIÓDICA É PARA USAR...

6 ...a molécula de metano 1. Como podemos definir quais são os elétrons de valência no C e no H? 1a) Quantos elétrons tem o C? 1b) Como eles se distribuem nos subníveis s, p e d? 1c) Quais ocupam a "camada de valência"? 2. Idem para os elétrons do H Distribuição de elétrons no Carbono: A TABELA PERIÓDICA indica número atômico 6 Número atômico 6 <<>> 6 prótons No estado fundamental temos, portanto, 6 elétrons 1s 2 2s 2 2p 2 (4 elétrons na camada de valência) Distribuição de elétrons no hidrogênio: A TABELA PERIÓDICA indica número atômico 1. Número atômico 1 <<>> 1 próton No estado fundamental temos, portanto, 1 elétron 1s 1 (1 elétron na camada de valência) 2 2 2

7 Revendo a distribuição de elétrons nos átomos

8 Quer decorar?? Melhor aprender a lógica...

9 ..H Regra do Octeto para o metano 8 elétrons na camada de valência H.. C.... H H Pense: Essa é a distribuição espacial dos átomos na molécula de metano?

10 Experimentalmente sabe-se que a molécula é angular com cerca de 109 o entre as ligações do C com o H Como explicar??? >> Muitas teorias são criadas tomando como base observações experimentais >> As teorias comumente "evoluem" na medida em que os dados experimentais vão sendo mais detalhados

11 mais um exemplo antes de generalizar Pense: Como é a distribuição de elétrons na molécula de água segundo a regra do octeto de Lewis? Qual seria a estrutura espacial?

12 Mais um exemplo: a molécula de água Pense: Como é a distribuição de elétrons na molécula de água segundo a regra do octeto de Lewis? Qual seria a estrutura espacial? 2 Hidrogênios e 1 Oxigênio Distribuição de elétrons no oxigênio: A TABELA PERIÓDICA indica número atômico 8. Número atômico 8 <<>> 8 prótons No estado fundamental temos, portanto, 8 elétrons 1s 2 2s 2 2p 4 (6 elétrons na camada de valência) Distribuição de elétrons no hidrogênio: A TABELA PERIÓDICA indica número atômico 1. Número atômico 1 <<>> 1 próton No estado fundamental temos, portanto, 1 elétrons 1s 1 (1 elétron na camada de valência) 2 4 2

13 Modelo para a molécula??? >> regra do octeto >> Oxigênio demanda 2 elétrons para o octeto Hidrogênio demanda 1 elétron para 2 elétrons na camada de valência (para ser similar o gás He, que é estável no estado fundamental) Primeiro modelo para a molécula de água, segundo regra do octeto H.... : : O H Pense: O momento de dipolo da água é diferente de zero; uma estrutura linear seria compatível com isso?

14 Experimentalmente sabe-se que a molécula é angular com cerca de 104 o entre as ligações do O com o H Com explicar??? >> Muitas teorias são criadas tomando como base observações experimentais >> As teorias comumente "evoluem" na medida em que os dados experimentais vão sendo mais detalhados

15 ..H Voltando à molécula de metano O modelo da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência prevê que, devido a repulsão eletrostática, os pares de elétrons estarão o mais separados possível no arranjo espacial da molécula Qual a melhor forma de separar 4 pares de elétrons no espaço? "é a forma que permita a maior distância angular entre os eixos nos quais estes elétrons estejam dispostos" ESTRUTURA TETRAÉDRICA H.. C.... H H a molécula não é plana

16 O modelo de repulsão de pares de elétrons da camada de valência (aquela com oito elétrons da teoria de Lewis) representa um avanço para a teoria do octeto e pode prever uma série de estruturas de compostos covalentes O modelo prevê que, em um arranjo molecular, as regiões de maior densidade eletrônica contendo os elétrons de valência se distanciam o máximo possível no espaço devido à repulsão eletrostática elétron-elétron. Disso resultam arranjos moleculares básicos, descritos à seguir: Número de regiões de elétrons 2 Linear Arranjo mais estável 3 Trigonal plano 4 Tetraédrico 5 Bipiramidal trigonal 6 Octaédrico

17 Arranjos moleculares mencionados no slide anterior

18 Voltando à molécula de água como exemplo >> moléculas com o átomo central contendo elétrons não compartilhados H.... : : O H Os oito elétrons estariam melhor acomodados (em uma estrutura mais estável) se dispostos no espaço ao longo dos eixos de um tetraédro Note que os elétrons "isolados" também são relevantes para o arranjo espacial dos átomos envolvidos ângulo determinado experimentalmente (104,3 o ) ângulo previsto para os eixos de um tetraedro 109,5 o

19 Moléculas polares Porque a polaridade das ligações e das moléculas são muito importantes? Testes da aula anterior A resolução dos testes será feita no quadro da sala Onde estudar?? Atkins e Jones, Princípios de Química, Cap. 3>> p Pense com um exemplo: Porque as moléculas abaixo apresentam pontos de ebulição e solubilidade em água muito distintas? Pesquise em casa: Quais são os fundamentos do fenômeno de ebulição? CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 PE = 34,5 o C d = 0,7138 g/ml insolúvel em água CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH PE = 117,2 o C d = 0,8098 g/ml solúvel em água

20 Resolução no quadro >> Sem dicas, como abordar o problema??

21 Moléculas polares A estrutura espacial e o momento de dipolo Pense inicialmente em moléculas diatômicas: H-F versus H-H depois em moléculas poliatômicas CHCl 3 versus CCl 4 Quais apresentam ligações polarizadas? Quais são moléculas polares? Monte as estruturas e tente responder as questões acima >> distribuição de elétrons, octeto e modelo de repulsão de elétrons - quadro

22 Mapas de contorno indicando a densidade de cargas em moléculas com ligações covalentes O gradiente de cores indica o gradiente de cargas: - + Momento de dipolo da ligação µ = 0 µ 0 Se átomos de eletronegatividades diferentes estão envolvidos na ligação, há distorção na eletrosfera da molécula

23 Pense: se as ligações covalentes em estudo quebrarem, qual seria a tendência de transferência de elétrons??

24 Momento de dipolo em moléculas poliatômicas - +

25 Testes para a próxima aula >> Polaridade e acidez A resolução dos testes será feita no quadro da sala de aula por um aluno sorteado na lista de presença Onde estudar?? Atkins e Jones, Princípios de Química, Cap. 3>> p Pense: Porque a polaridade influencia a acidez e como se trata os dados numericamente. Pense com um exemplo: Qual entre os dois ácidos abaixo é o mais forte? Ácido acético ou ácido tricloroacético. Explique sua resposta Pesquise em casa: qual a constante de dissociação em cada caso >> Solubilidade em água de moléculas com ligações covalentes 2. Pense: Porque a molécula de etano é insolúvel em água? Porque a molécula de etanol é solúvel em água? Porque a molécula de glicose é solúvel em água? Porque a molécula de celulose é insolúvel em água?

26 Sofisticando os modelos: Teoria da ligação de valência combinando orbitais atômicos para formar um novo orbital "da molécula" Atkins e Jones, Princípios de Química, cap. 3, p A molécula de H 2 a sobreposição frontal dos orbitais da origem a uma ligação Sigma ( ) A molécula de HF a sobreposição frontal dos orbitais da origem a uma ligação Sigma ( )

27 Sofisticando os modelos: Teoria da ligação de valência ligações A molécula de N 2 a sobreposição frontal dos orbitais da origem a uma ligação Sigma ( ), mas há mais duas ligações com sobreposição lateral dos orbitais atômicos dando origem a ligações Pi ( ) Distribuição de elétrons no Nitrogênio: 1s 2 2s 2 2p 3

28 Orbitais envolvidos nas ligações da molécula de N2

29 Sofisticando os modelos: Teoria da ligação de valência Pense: como podemos explicar o fato do carbono realizar 4 ligações em todas as moléculas em que ele ocorre Recordando informações sobre os orbitais atômicos >> a base para a teoria de ligação de valência 3 orbitais atômicos p idênticos, separados a 90 o

30 Sofisticando os modelos: Teoria da ligação de valência Retornando à molécula de metano (CH 4 ) Distribuição de elétrons no Carbono: A TABELA PERIÓDICA indica número atômico 6. Número atômico 6 <<>> 6 prótons No estado fundamental temos, portanto, 6 elétrons 1s 2 2s 2 2p 2 (4 elétrons na camada de valência) Porque assumimos que os 4 elétrons da camada de valência são iguais se eles estão em orbitais atômicos diferentes? Note ainda que o orbital 2s está completo e não demandaria formar uma ligação química para atingir a máxima estabilidade

31 Promoção de elétrons e hibridação de orbitais A molécula de Metano Distribuição de elétrons no Carbono: 1s 2 2s 2 2p 2 C no estado fundamental a diferença entre os níveis de energia dos orbitais 2s e 2p é pequena >> a promoção do elétron 2s ocorre facilmente Distribuição de elétrons no Carbono: 1s 2 2s 1 2p 3 promoção de 1 elétron 2s para 2p Distribuição de elétrons no Carbono hibridado sp 3 : 1s 2 2sp 3 4 orbitais híbridos sp 3 idênticos Pense: qual a melhor forma de separar estes orbitais no espaço?

32 Densidade eletrônica em orbitais atômicos s, p e híbrido sp 3 3 orbitais atômicos p idênticos, separados a 90 o 4 orbitais híbridos sp 3 idênticos

33 A molécula de Metano: ilustrações tridimensionais s-sp 3 4 ligações idênticas s-sp 3 s-sp 3 s-sp 3 s-sp 3

34 Próxima aula Sofisticando os modelos: Teoria da ligação de valência, promoção de elétrons à orbitais de maior energia, hibridação ONDE ESTUDAR?? Atkins e Jones, Princípios de Química, cap. 3, p (5 a edição) Pense sobre como deve ser a molécula de ETENO

35 Testes para a próxima aula >> Polaridade e acidez A resolução dos testes será feita no quadro da sala de aula por um aluno sorteado na lista de presença Onde estudar?? Atkins e Jones, Princípios de Química, Cap. 3>> p Pense: Porque a polaridade influencia a acidez e como se trata os dados numericamente. Pense com um exemplo: Qual entre os dois ácidos abaixo é o mais forte? Ácido acético ou ácido tricloroacético. Explique sua resposta Pesquise em casa: qual a constante de dissociação em cada caso >> Solubilidade em água de moléculas com ligações covalentes 2. Pense: Porque a molécula de etano é insolúvel em água? Porque a molécula de etanol é solúvel em água? Porque a molécula de glicose é solúvel em água? Porque a molécula de celulose é insolúvel em água?