8.9: Exercícios

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8.1 Teoria do vínculo de valência

Explique como as ligações σ e π são semelhantes e como são diferentes.

Desenhe uma curva que descreva a energia de um sistema com átomos de H e Cl em distâncias variadas. Em seguida, encontre a energia mínima dessa curva de duas maneiras.

(a) Use a energia de ligação encontrada na Tabela 8.1 para calcular a energia para uma única ligação de HCl (Dica: Quantas ligações existem em uma toupeira?)

(b) Use a entalpia da reação e as energias de ligação para H ₂ e Cl ₂ para resolver a energia de um mol de ligações de HCl.

H_{2} (g) + {Cl}_{2} (g) ⇌ 2 HCl (g) Δ H_{rxn}^{°} = −184,7 kJ/mol

Explique por que as ligações ocorrem em distâncias médias específicas de ligação, em vez de os átomos se aproximarem infinitamente próximos.

Use a teoria da ligação de valência para explicar a ligação em F ₂, HF e ClBr. Esboce a sobreposição dos orbitais atômicos envolvidos nas ligações.

Use a teoria da ligação de valência para explicar a ligação em O ₂. Esboce a sobreposição dos orbitais atômicos envolvidos nas ligações em O ₂.

Quantas ligações σ e π estão presentes na molécula HCN?

Um amigo diz que N ₂ tem três ligações π devido à sobreposição dos três orbitais p em cada átomo de N. Você concorda?

Desenhe as estruturas de Lewis para CO ₂ e CO e preveja o número de ligações σ e π para cada molécula.

(a) CO ₂

(b) CO

8.2 Orbitais atômicos híbridos

Por que o conceito de hibridização é exigido na teoria da ligação de valência?

10.

Dê a forma que descreve cada conjunto orbital híbrido:

(a) sp ²

(b) sp ³ d

(d) sp ³ x ²

11.

Explique por que um átomo de carbono não pode formar cinco ligações usando orbitais híbridos sp ³ d.

12.

Qual é a hibridização do átomo central em cada um dos seguintes?

(a) BeH ₂

(b) SF ₆

(d) PCl ₅

13.

Uma molécula com a fórmula AB ₃ pode ter uma das quatro formas diferentes. Dê a forma e a hibridização do átomo central A para cada um.

14.

A metionina, CH ₃ SCH ₂ CH ₂ CH (NH ₂) CO ₂ H, é um aminoácido encontrado nas proteínas. A estrutura de Lewis desse composto é mostrada abaixo. Qual é o tipo de hibridização de cada carbono, oxigênio, nitrogênio e enxofre?

Uma estrutura de Lewis é mostrada na qual um átomo de carbono é ligado de forma simples a três átomos de hidrogênio e simples a um átomo de enxofre com dois pares solitários de elétrons. O átomo de enxofre está ligado a uma cadeia de quatro átomos de carbono unidos individualmente, os dois primeiros estão ligados de forma simples a dois átomos de hidrogênio cada, e o terceiro está ligado de forma simples a um átomo de hidrogênio e unido a um átomo de nitrogênio que tem um único par de elétrons. O átomo de nitrogênio também está ligado de forma simples a dois átomos de hidrogênio. O quarto e último carbono da cadeia está duplamente ligado a um oxigênio com dois pares solitários de elétrons e ligado de forma simples a um átomo de oxigênio com dois pares solitários de elétrons. O segundo átomo de oxigênio está ligado de forma simples a um átomo de hidrogênio.

15.

O ácido sulfúrico é fabricado por uma série de reações representadas pelas seguintes equações:
$S_{8} (s) + 8 O_{2} (g) ⟶ 8 {ENTÃO}_{2} (g)$
$2 S O_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 {ENTÃO}_{3} (g)$
${ENTÃO}_{3} (g) + H_{2} O (l) ⟶ H_{2} {ENTÃO}_{4} (l)$

Desenhe uma estrutura de Lewis, preveja a geometria molecular por VSEPR e determine a hibridização do enxofre para o seguinte:

(a) molécula circular S ₈

(b) Molécula de SO ₂

(d) Molécula H ₂ SO ₄ (os átomos de hidrogênio estão ligados aos átomos de oxigênio)

16.

Dois produtos químicos industriais importantes, eteno, C ₂ H ₄ e propeno, C ₃ H ₆, são produzidos pelo processo de craqueamento a vapor (ou térmico):

2 C_{3} H_{8} (g) ⟶ C_{2} H_{4} (g) + C_{3} H_{6} (g) + {CH}_{4} (g) + H_{2} (g)

Para cada um dos quatro compostos de carbono, faça o seguinte:

(a) Desenhe uma estrutura de Lewis.

(b) Preveja a geometria do átomo de carbono.

17.

A análise de um composto indica que ele contém 77,55% de Xe e 22,45% de F em massa.

(a) Qual é a fórmula empírica para esse composto? (Suponha que essa também seja a fórmula molecular para responder às partes restantes deste exercício).

(b) Escreva uma estrutura de Lewis para o composto.

(d) Qual hibridização é consistente com a forma que você previu?

18.

Considere o ácido nitroso, HNO ₂ (HONO).

(a) Escreva uma estrutura de Lewis.

(b) Quais são o par de elétrons e as geometrias moleculares dos átomos internos de oxigênio e nitrogênio na molécula de HNO ₂?

19.

As partidas Strike-Anywhere contêm uma camada de KClO ₃ e uma camada de P ₄ S ₃. O calor produzido pelo atrito de bater no fósforo faz com que esses dois compostos reajam vigorosamente, o que incendeia a haste de madeira do fósforo. O KClo ₃ contém o ${ClO}_{3}^{−}$ íon. P ₄ S ₃ é uma molécula incomum com a estrutura esquelética.

Uma estrutura de Lewis é mostrada na qual três átomos de fósforo são unidos de forma simples para formar um triângulo. Cada fósforo é ligado a um átomo de enxofre por uma única ligação vertical e cada um desses átomos de enxofre é então ligado a um único átomo de fósforo, de modo que um anel de seis lados é criado com um enxofre no meio.

(a) Escreva estruturas de Lewis para P ₄ S ₃ e o ${ClO}_{3}^{—}$ íon.

(b) Descreva a geometria sobre os átomos P, o átomo S e o átomo de Cl nessas espécies.

(d) Determine os estados de oxidação e a carga formal dos átomos em P ₄ S ₃ e no ${ClO}_{3}^{—}$ íon.

20.

Identifique a hibridização de cada átomo de carbono na seguinte molécula. (A disposição dos átomos é dada; você precisa determinar quantas ligações conectam cada par de átomos.)

É mostrada uma estrutura de Lewis que está sem todos os seus vínculos. Seis átomos de carbono formam uma cadeia. Existem três átomos de hidrogênio localizados ao redor do primeiro carbono, dois localizados ao redor do segundo, um localizado próximo ao quinto e dois localizados em torno do sexto carbono.

21.

Escreva estruturas de Lewis para NF ₃ e PF ₅. Com base em orbitais híbridos, explique o fato de que NF ₃, PF ₃ e PF ₅ são moléculas estáveis, mas NF ₅ não existe.

22.

Além do NF ₃, dois outros derivados do fluoro do nitrogênio são conhecidos: N ₂ F ₄ e N ₂ F ₂. Quais formas você prevê para essas duas moléculas? Qual é a hibridização do nitrogênio em cada molécula?

8.3 Títulos múltiplos

23.

A energia de ligação de uma ligação única C—C é em média de 347 kJ mol ⁻¹; a de um $C \equiv C$ a ligação tripla tem uma média de 839 kJ mol ⁻¹. Explique por que a ligação tripla não é três vezes mais forte que uma ligação única.

24.

Para o íon carbonato, ${CO}_{3}^{2−},$ desenhe todas as estruturas de ressonância. Identifique quais orbitais se sobrepõem para criar cada ligação.

25.

Um solvente útil que dissolve sais e compostos orgânicos é o composto acetonitrilo, H ₃ CCN. Está presente em decapantes.

(a) Escreva a estrutura de Lewis para o acetonitrilo e indique a direção do momento de dipolo na molécula.

(b) Identifique os orbitais híbridos usados pelos átomos de carbono na molécula para formar ligações σ.

(c) Descreva os orbitais atômicos que formam as ligações π na molécula. Note que não é necessário hibridizar o átomo de nitrogênio.

26.

Para a molécula aleno, $H_{2} C = C = {CH}_{2},$ dê a hibridização de cada átomo de carbono. Os átomos de hidrogênio estarão no mesmo plano ou em planos perpendiculares?

27.

Identifique a hibridização do átomo central em cada uma das seguintes moléculas e íons que contêm várias ligações:

(a) ClNO (N é o átomo central)

(b) CS ₂

(d) Cl ₂ SO (S é o átomo central)

(e) SO ₂ F ₂ (S é o átomo central)

(f) XeO ₂ F ₂ (Xe é o átomo central)

(g) ${CoF}_{2}^{+}$ (Cl é o átomo central)

28.

Descreva a geometria molecular e a hibridização dos átomos de N, P ou S em cada um dos seguintes compostos.

(a) H ₃ PO ₄, ácido fosfórico, usado em refrigerantes de cola

(b) NH ₄ NO ₃, nitrato de amônio, um fertilizante e explosivo

(d) K ₄ [O ₃ POPO ₃], pirofosfato de potássio, um ingrediente em alguns cremes dentais

29.

Para cada uma das seguintes moléculas, indique a hibridação solicitada e se os elétrons serão ou não deslocalizados:

(a) hibridização O central de ozônio (O ₃)

(b) hibridização C central de dióxido de carbono (CO ₂)

(d) íon fosfato $({PO}_{4}^{3−})$ hibridização central de P

30.

Para cada uma das estruturas a seguir, determine a hibridação solicitada e se os elétrons serão deslocalizados:

(a) Hibridização de cada carbono

Uma estrutura de Lewis é mostrada na qual um átomo de carbono está ligado de forma simples a três átomos de hidrogênio e um segundo átomo de carbono. Esse segundo átomo de carbono está, por sua vez, ligado duas vezes a um átomo de oxigênio com dois pares solitários de elétrons. O segundo átomo de carbono também está ligado de forma simples a outro átomo de carbono que está unido a três átomos de hidrogênio.

(b) Hibridização de enxofre

Uma estrutura de Lewis é mostrada na qual um átomo de enxofre com dois pares solitários de elétrons e um sinal positivo está duplamente ligado a um oxigênio com dois pares solitários de elétrons. O átomo de enxofre também está unido a um oxigênio com três pares solitários de elétrons com sinal negativo. É desenhado em uma forma angular.

Uma estrutura de Lewis é mostrada na qual uma estrutura de anel hexagonal é composta por cinco átomos de carbono e um átomo de nitrogênio com um único par de elétrons. Existem ligações duplas e simples alternadas entre cada átomo de carbono. Cada átomo de carbono também está unido a um átomo de hidrogênio.

31.

Desenhe o diagrama orbital do carbono em CO ₂ mostrando quantos elétrons de átomo de carbono existem em cada orbital.

8.4 Teoria Molecular do Orbital

32.

Esboce a distribuição da densidade eletrônica nos orbitais moleculares de ligação e antiligação formados a partir de dois orbitais s e de dois orbitais p.

33.

Como os itens a seguir são semelhantes e como eles diferem?

(a) σ orbitais moleculares e orbitais moleculares π

(b) para um orbital atômico e para um orbital molecular

34.

Se os orbitais moleculares forem criados pela combinação de cinco orbitais atômicos do átomo A e cinco orbitais atômicos do átomo B combinados, quantos orbitais moleculares resultarão?

35.

Uma molécula com um número ímpar de elétrons pode ser diamagnética? Explique por que ou por que não.

36.

Uma molécula com um número par de elétrons pode ser paramagnética? Explique por que ou por que não.

37.

Por que os orbitais moleculares de ligação têm menos energia do que os orbitais atômicos originais?

38.

Calcule a ordem de ligação de um íon com esta configuração:

{(σ_{2 s})}^{2} {(σ_{2 s}^{*})}^{2} {(σ_{2 p x})}^{2} {(π_{2 p y}, π_{2 p z})}^{4} {(π_{2 p y}^{*}, π_{2 p z}^{*})}^{3}

39.

Explique por que um elétron no orbital molecular de ligação na molécula H ₂ tem uma energia menor do que um elétron no orbital atômico de 1 s de qualquer um dos átomos de hidrogênio separados.

40.

Preveja as configurações orbitais moleculares do elétron de valência para as seguintes e indique se serão íons estáveis ou instáveis.

(uma) ${Na}_{2}^{2+}$

(b) ${Mg}_{2}^{2+}$

(d) ${Si}_{2}^{2+}$

(e) $P_{2}^{2+}$

(f) $S_{2}^{2+}$

(g) $F_{2}^{2+}$

(h) ${Ar}_{2}^{2+}$

41.

Determine a ordem de ligação de cada membro dos seguintes grupos e determine qual membro de cada grupo é previsto pelo modelo orbital molecular para ter a ligação mais forte.

(a) H ₂, $H_{2}^{+},$ $H_{2}^{−}$

(b) O _2, $O_{2}^{2+},$ $O_{2}^{2−}$

(d) F _2, $F_{2}^{+},$ $F_{2}^{−}$

(e) N _2, $N_{2}^{+},$ $N_{2}^{−}$

42.

Para a primeira energia de ionização de uma molécula de N ₂, de qual orbital molecular o elétron é removido?

43.

Compare os diagramas orbitais atômicos e moleculares para identificar o membro de cada um dos seguintes pares que tem a maior energia de primeira ionização (o elétron mais estreitamente ligado) na fase gasosa:

(a) H e H ₂

(b) N e N ₂

(d) C e C ₂

(e) B e B ₂

44.

Quais das 2 moléculas diatômicas homonucleares do período são consideradas paramagnéticas?

45.

Um amigo diz que o orbital 2 s para flúor começa com uma energia muito menor do que o orbital 2 s para lítio, então o orbital molecular σ _{2 s} resultante em F ₂ é mais estável do que em Li ₂. Você concorda?

46.

Verdadeiro ou falso: O boro contém ² s 2 2 p ¹ elétrons de valência, então apenas um orbital p é necessário para formar orbitais moleculares.

47.

Qual carga seria necessária em F ₂ para gerar um íon com uma ordem de ligação de 2?

48.

Preveja se o diagrama MO para S ₂ mostraria a mistura s-p ou não.

49.

Explique por que $N_{2}^{2+}$ é diamagnético, enquanto $O_{2}^{4+},$ que tem o mesmo número de elétrons de valência, é paramagnético.

50.

Usando os diagramas MO, preveja a ordem da ligação para a ligação mais forte em cada par:

(a) B ₂ ou $B_{2}^{+}$

(b) F ₂ ou $F_{2}^{+}$

(d) $C_{2}^{+}$ ou $C_{2}^{−}$