Geometria molecular

Distribuição espacial dos átomos em uma molécula

Para entender o conceito básico da geometria molecular, podemos partir de uma analogia bastante simples, com algumas observações do mundo macroscópico. Sempre que tentamos agrupar aleatoriamente objetos materiais sólidos de determinado formato, notamos que há uma relação direta entre o formato do objeto e o formato final do agrupamento.

Assim, quando jogamos esferas em uma caixa, por exemplo, elas tendem a deslizar umas sobre as outras e assumir uma configuração final organizada, adequada ao formato da caixa.

Se na mesma caixa jogarmos palitos de fósforo, teremos no final um empilhamento caótico, possivelmente uma pirâmide deformada, sem contornos definidos. Com as moléculas acontece coisa semelhante, só que acrescida de um fator que falta às esferas e fósforos do exemplo.

Elétrons e zonas de repulsão

Quando dois ou mais átomos se unem para formar uma molécula, suas eletrosferas entram em contato e o formato de seus orbitais (esféricos ou elípticos) influenciará o formato final da ligação. Só que, neste caso, o formato não é o único fator de influência, já que, ao contrário de nossas esferas e fósforos, as eletrosferas são compostas de elétrons, partículas eletricamente carregadas.

Como os elétrons têm carga negativa, se repelem entre si. Esta repulsão eletrostática influencia de modo definitivo a geometria molecular, ou seja, o formato do agrupamento de átomos que constitui a molécula. Este fator de influência das cargas elétricas negativas dos elétrons na disposição geométrica da molécula é chamado de zonas de repulsão.

Uma zona de repulsão se cria em torno de uma ligação molecular, ou seja, nas vizinhanças dos elétrons compartilhados pelos átomos que formam a molécula.

O efeito das zonas de repulsão tende a formar três disposições geométricas básicas em um molécula apolar (aquela na qual os elétrons não se concentram em pólos): a linear, a triangular plana e a tetraédrica, conforme as três figuras a seguir:

Disposição geométrica linear. Os átomos se posicionam em linha.

Disposição geométrica triangular plana. Os átomos formam um triângulo eqüilátero.

Disposição geométrica tetraédrica. Formato de tetraedro (pirâmide triangular).

Para se determinar a disposição geométrica de uma molécula, basta seguir duas regras simples:

1) Escrever a fórmula estrutural;
2) Identificar o número de ligações atômicas, que é o mesmo número de zonas de repulsão;

Se a molécula tiver até duas zonas de repulsão, a geometria será linear. Se tiver três, será triangular plana e se tiver quatro será tetraédrica.

Vejamos alguns exemplos:

1) Molécula de Dióxido de Carbono (CO₂)

Fórmula estrutural:




Note que o átomo de carbono estabelece duas duplas ligações, uma dupla ligação com cada átomo de oxigênio. A molécula de CO₂ também pode ser representada conforme abaixo:




Se a molécula possui duas duplas ligações, possui também duas zonas de repulsão, que tendem a se afastar uma da outra, fazendo com que a molécula assuma a disposição geométrica linear, conforme a seguinte figura:

Representação esquemática da molécula de dióxido de carbono, que apresenta geometria linear.

2) Molécula de Trifluoreto de Boro (BF₃)

Fórmula estrutural:




Como vemos, o átomo de boro forma três ligações simples, uma com cada átomo de flúor. Assim temos três zonas de repulsão e a geometria molecular é triangular plana, conforme a figura:

Representação esquemática da geometria triangular plana do Trifluoreto de Boro (BF3)

3): Molécula de Metano (CH₄)

Fórmula estrutural:




O carbono estabelece quatro ligações simples, uma com cada átomo de hidrogênio, logo temos quatro zonas de repulsão e a geometria molecular é tetraédrica, conforme figura abaixo:

Representação esquemática da molécula de Metano, de geometria tetraédrica.

A geometria é uma ferramenta preciosa para entendermos o universo. Ela nos ajuda tanto a descrever a grandeza cósmica das órbitas planetárias quanto nos auxilia na visão do inimaginavelmente pequeno das formas das moléculas.

Ligações metálicas

É preciso haver uma ligação entre metais para produzir jóias de ouro.

Os metais são elementos químicos presentes na Tabela Periódica, apresentam propriedades únicas que se diferem das outras substâncias: ametais, gases, etc.

Se fosse possível visualizar a estrutura de um metal de forma bem nítida veríamos os retículos cristalinos presentes nos metais sólidos. Esses retículos são compostos de cátions envoltos por uma espessa camada de elétrons, como se sabe, os íons cátions apresentam carga + e os elétrons - .

Na composição atômica existe a camada de valência, e os elétrons se movimentam livremente por essa camada mantendo a atração eletromagnética pelos cátions. Essa propriedade permite a formação das moléculas de metais e conseqüentemente os próprios metais.

É justamente toda essa estrutura dos metais que lhe concede a capacidade de serem ótimos condutores de corrente elétrica. É importante ressaltar que os metais conduzem eletricidade estando no estado sólido ou líquido (metal fundido). Inclusive, existe um metal que se encontra no estado líquido na natureza, é o mercúrio, cujo símbolo atômico é Hg.

Quanto ao aspecto físico dos metais, o que se pode dizer é que, em geral, possuem um aspecto metálico (cinza brilhante). Os que fogem a esta regra são o Ouro (Au) e o Cobre (Cu), que apresentam cor dourada e avermelhada respectivamente.

Até agora falamos apenas dos metais no estado puro como: Ouro, Cobre, Mercúrio. Mas em nosso cotidiano usamos muito mais o que chamamos de ligações metálicas, mas o que exatamente é uma liga de metais? São materiais com propriedades metálicas que contêm em sua composição um outro elemento sem ser metal.

As ligas metálicas são preferenciais na fabricação de alguns objetos, por possuírem características que os metais puros não possuem, como por exemplo: a liga de ouro usada nas joalherias. A característica dessa liga é de aumentar a dureza do material, a liga de ouro é composta pela ligação entre ouro, prata e cobre.

Veja mais exemplos:

Amálgama dental: liga de mercúrio, prata e estanho, é usada nas obturações dentárias;

Bronze: liga de cobre e estanho, é aplicada na fabricação de sinos, estátuas e moedas;

Aço inoxidável: liga de carbono, ferro, cromo e níquel, através da ligação entre estes metais é possível fabricar utensílios de cozinha como talheres e ainda peças de carro. Esse material possui uma vantagem especial: não se enferruja.

Ligação covalente dativa ou coordenada

A existência de algumas moléculas não pode ser explicada simplesmente através da ligação covalente simples. Para estes casos foi formulada a teoria da ligação covalente coordenada. Neste tipo de ligação, um dos átomos que já estiver com última camada completa entra com os dois elétrons do par compartilhado. Este par de elétrons apresenta as mesmas características do da ligação covalente simples, a única diferença é a origem dos elétrons, que é somente um dos átomos participantes da ligação. Os elétrons do par passam a pertencer a ambos os átomos participantes. A ligação covalente coordenada é representada por uma seta que se origina no átomo doador e termina no átomo receptor.

Dadas as distribuições eletrônicas em camadas para os átomos de ₁₆S e ₈O.

S 2 - 8 - 6 O 2 - 6

Compartilhando dois elétrons através de ligações covalentes simples, ambos os átomos atingem os oito elétrons na última camada.

No entanto, esta molécula ainda pode incorporar ainda um ou dois átomos de oxigênio. Tal fato só pode ser explicado se o enxofre utilizar um ou dois pares de elétrons não envolvidos em ligações para formar um ou dois pares dativos com o oxigênio.

Outra molécula que não pode ser explicada somente com a ligação covalente simples é a de CO₂. O interessante desta molécula é que a ligação covalente dativa ocorre do átomo mais eletronegativo (O) para o menos eletronegativo (C).

Ligação covalente

Vimos no tópico anterior, sobre ligação iônica, que o composto cloreto de potássio se forma porque o átomo do potássio cede um elétron para o átomo do cloro, ficando ambos com oito elétrons na camada de valência. Mas você deve saber que o gás oxigênio é formado por dois átomos do elemento oxigênio (O2). Deve lembrar também que este elemento tem número atômico 16 e que, portanto, possui 6 elétrons na sua última camada. Ora, podemos concluir então que o átomo de oxigênio, para adquirir estabilidade, precisa ganhar mais 2 elétrons. É isso mesmo! Mas, se é assim, então como que dois átomos de oxigênio podem se ligar para formar o nosso famoso e abundante gás oxigênio?!

Assim como o gás oxigênio muitos outros compostos estão na mesma situação, o que nos leva à conclusão de que os elementos desses compostos estão ligados por outro tipo de ligação na qual não pode haver transferência de elétrons. A este outro tipo de ligação damos o nome de ligação covalente. A ligação covalente consiste no compartilhamento de um ou mais elétrons entre átomos. Preste bem atenção nisso! Enquanto na ligação iônica há transferência de elétrons, na ligação covalente há compartilhamento de elétrons. Como isso ocorre? Simples! Se você tem irmãos e na sua casa só tem um computador, você sabe bem o que é compartilhar!

Ligação Iônica

Ligação Covalente

Voltando ao gás oxigênio, é assim que ele se forma, a partir do compartilhamento de dois dos seus elétrons. É compartilhando um par de elétrons que ambos os átomos de oxigênio se mantém unidos e estáveis. A ligação covalente geralmente ocorre entre átomos de eletronegatividade similares e altas (nestes é muito difícil remover elétrons porque isso demandaria muita energia). É por isso que a ligação covalente ocorre entre os não-metais, podendo acontecer, ainda, entre um não-metal e o hidrogênio e entre hidrogênio e hidrogênio.

Você deve saber que o hidrogênio só tem 1 elétron e que, portanto, não pode doar esse seu único elétron e ficar sem nada. É mais ou menos como ter apenas um rim, você não pode doar ele pra ninguém, a menos que queria abrir mão da sua vida. Imaginou a situação? Bom, então você já sabe como o hidrogênio se sente... Agora, você acha que será fácil tirar um elétron do átomo de hidrogênio? Mas nem se estivesse valendo o Prêmio Nobel do Altruísmo! Por outro lado, você deve saber que a água que você bebe e que corresponde a cerca de 75% dos constituintes do seu corpo (o cérebro é constituído de 85% de água, logo, vestibular sem água não dá, cara!) é formada por dois átomos de hidrogênio mais um átomo de oxigênio (H2O). Logo, se o oxigênio precisa ganhar dois elétrons e se os átomos de hidrogênio não vão ceder esses elétrons nem sob tortura, o jeito então é: compartilhar! Sim, os átomos da molécula de água são atraídos por meio da ligação covalente.

A ligação covalente pode ser demonstrada por meio da representação eletrônica de Lewis ou pela representação estrutural. Exemplos:

Representação de Lewis (eletrônica)

Representação estrutural

• Tipos de ligação covalente entre dois átomos:

Como você já deve ter notado nos exemplos dados acima, os átomos podem estar ligados por meio de uma, duas ou três ligações covalentes (o carbono pode fazer até quatro ligações covalentes, mas, com o mesmo átomo, somente três). De acordo com o número dessas ligações entre os átomos, dizemos que a ligação covalente é simples (1 ligação), dupla (2 ligações) ou tripla (3 ligações).

• Polaridade na ligação covalente:

Molécula apolar: quando a ligação covalente ocorre entre dois átomos iguais (O2, H2, N2, etc.), dizemos que ela é apolar, pois esses átomos terão a mesma eletronegatividade e as pequenas diferenças de carga, que ocorrem porque os elétrons se movimentam mais em uma zona espacial do que na outra, anulam-se, fazendo com que a ligação entre os átomos seja simétrica. A animação abaixo demonstra como isso ocorre:

Molécula polar: quando a ligação covalente ocorre entre átomos diferentes, haverá entre eles uma diferença de eletronegatividade. O átomo mais eletronegativo atrairá mais fortemente para si o elétron compartilhado, gerando uma diferença de carga que deixará a ligação entre os átomos assimétrica, ou seja, com uma polaridade.