Geometria molecular: definição, tipos, exemplos e exercícios

A geometria molecular é um dos conceitos mais importantes para entender como as moléculas se organizam no espaço. Ela nos ajuda a prever como as substâncias se comportam em reações químicas, influenciando propriedades como a polaridade e a solubilidade.

Neste blog, vamos explorar os principais tipos de geometria molecular, como a teoria VSEPR explica essas formações e exemplos práticos para ajudar você a se preparar para o Enem.

Teoria VESPR e o conceito de geometria molecular

A Teoria da Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência (VSEPR), sigla em inglês para Valence Shell Electron Pair Repulsion, é essencial para entender como a geometria molecular funciona.

De acordo com a teoria VSEPR, os pares de elétrons ao redor de um átomo central se repelem, e essa repulsão faz com que as nuvens eletrônicas se afastem o máximo possível umas das outras, formando ângulos específicos entre as ligações. Isso determina a forma geométrica da molécula​.

Quais são os fatores que determinam a geometria molecular?

A geometria de uma molécula é determinada por dois fatores principais:

1. Número de domínios eletrônicos ao redor do átomo central, que podem ser ligações químicas ou pares de elétrons não ligantes.
2. Repulsão entre os pares de elétrons, que vai definir a disposição espacial dos átomos para minimizar essa repulsão e maximizar a estabilidade da molécula.

Quanto mais domínios eletrônicos houver em torno do átomo central, mais complexa será a geometria molecular​.

Tipos de geometria molecular

A geometria da molécula depende do número de nuvens eletrônicas ao redor do átomo central. Independente se são pares isolados ou ligações químicas. Por isso, vamos analisar as geometrias de acordo com o número de átomos na molécula, sempre relacionando com as nuvens eletrônicas.

Geometria linear

A geometria mais simples é a linear, e ela aparece em moléculas que têm 2 ou 3 átomos.

Quando uma molécula tem apenas dois átomos, não há como a geometria ser diferente! Sem um átomo central, os dois átomos só podem se alinhar em linha reta.

Quando uma molécula é composta por três átomos, ela terá uma geometria linear se o átomo central não possuir pares de elétrons não ligantes. Isso ocorre porque a molécula terá apenas duas nuvens eletrônicas, e a maior distância possível entre elas é em linha reta.

Um exemplo é a geometria molecular do CO2. Nesse caso, a molécula possui três átomos e nenhum par isolado de elétrons no átomo central.

Nessa geometria, por exemplo, o ângulo entre as ligações é de exatamente 180°.

Geometria trigonal plana

Como podemos ver pelo nome, essa estrutura é inegavelmente plana. Somente moléculas com três ligações no átomo central podem ter essa geometria. É o caso, portanto, do BF₃, onde o átomo central é o boro.

Dessa forma, nesse caso, não pode haver nenhum par de elétrons isolado. Se uma das nuvens eletrônicas fosse de um par isolado, e não de uma ligação química, a geometria se tornaria angular, como no caso do SO2.

Nessa geometria, os ângulos de ligação são de aproximadamente 120°.

Geometria tetraédrica

Encontramos moléculas com essas geometria quando há 4 ligantes no átomo central. Assim, essas estruturas também têm 4 nuvens eletrônicas no átomo central, que elas ser pares isolados ou ligações químicas.

No entanto, perceba que o átomo central não tem nenhum par isolado! Se ele tivesse um par isolado no lugar de uma ligação, a geometria seria piramidal (como NH₃). Do mesmo modo, se tivesse dois pares isolados, teria geometria angular (como H₂O).

Podemos citar como exemplo de geometria tetraédrica o H₂SO₄. Assim como o CH₄, ele tem 4 ligantes no átomo central. A molécula como um todo tem 7 átomos, mas só 4 estão ligados ao S. Portanto, só temos 4 nuvens eletrônicas ao redor dele, e por isso é uma molécula tetraédrica.

Os ângulos entre as ligações das moléculas com geometria tetraédrica são de 109,5°.

Geometria angular

A geometria angular é encontrada apenas nas moléculas em que o átomo central possui 2 ligantes. Assim, quando esse átomo central tem pelo menos um par de elétrons isolado, a geometria será angular.

Um exemplo é o SO₂, onde o enxofre é o átomo central. Ele possui três nuvens eletrônicas: duas ligações químicas S-O e um par de elétrons isolado. Por isso, sua geometria é angular. Observe a geometria molecular do SO₂:

A geometria molecular da água (H2O) também é angular. O átomo central, o oxigênio, possui dois pares de elétrons isolados. As quatro nuvens eletrônicas presentes são: duas ligações químicas e dois pares isolados.

Como essas nuvens se afastam o máximo possível, a molécula adquire uma estrutura angular.

Dessa forma, nessas moléculas, os ângulos entre as ligações químicas são de aproximadamente 104,9°.

Geometria bipiramidal trigonal

Até agora, todas as geometrias que analisamos envolviam átomos que seguiam a regra do octeto. No entanto, existem elementos que podem expandir sua camada de valência para formar moléculas, começando a partir da segunda linha da tabela periódica.

Um exemplo disso são as moléculas com geometria bipirâmide trigonal, que ocorrem quando há 5 ligantes no átomo central, como no caso do PCl5.

A partir dessa geometria com 5 nuvens eletrônicas, podem surgir outras geometrias moleculares menos comuns, como você pode ver representadas na imagem abaixo:

Geometria octaédrica

Assim como a geometria anterior, essa também ocorre apenas em elementos que podem expandir sua camada de valência. Nesse caso, há 6 nuvens eletrônicas ao redor do átomo central, o que resulta em geometrias moleculares específicas, como a geometria octaédrica:

Nessa geometria, os ângulos entre todas as ligações são de aproximadamente 90°.

Geometrias derivadas da octaédrica incluem a pirâmide quadrada e o quadrado planar. Em todos esses casos, há 6 nuvens eletrônicas ao redor do átomo central, mas nem todas precisam ser de ligações químicas, podendo haver pares de elétrons isolados.

Resumo: Geometria molecular

Veja um resumo sobre os principais tópicos abordados nesse texto:

• A geometria molecular é essencial para entender como as moléculas se organizam no espaço e como isso influencia suas propriedades, como polaridade e solubilidade;
• Existem diferentes tipos de geometria molecular, como linear (exemplo: CO₂), trigonal plana (exemplo: BF₃), angular (exemplo: H₂O), tetraédrica, bipiramidal trigonal (exemplo: PCl₅) e octaédrica;
• A Teoria VSEPR (Repulsão dos Pares Eletrônicos da Camada de Valência) explica que a repulsão entre os pares de elétrons ao redor de um átomo central define os ângulos e a forma da molécula;
• Fatores determinantes da geometria molecular incluem o número de domínios eletrônicos e a repulsão entre os pares de elétrons, que ajustam a disposição espacial para maximizar a estabilidade da molécula;

Como a geometria molecular cai no Enem e nos vestibulares

A alotropia tem ganhado destaque nas provas de Química do Enem e vestibulares, embora ainda não seja tão frequente. Confira abaixo alguns exemplos de questões que já surgiram em processos seletivos.

Exemplo 1

(Enem 2018)  O grafeno é uma forma alotrópica do carbono constituído por uma folha planar (arranjo bidimensional) de átomos de carbono compactados e com a espessura de apenas um átomo. Sua estrutura é hexagonal, conforme a figura.

Nesse arranjo, os átomos de carbono possuem hibridação

a) sp de geometria linear.
b) sp2 de geometria trigonal planar.
c) sp3 alternados com carbonos com hibridação sp de geometria linear.
d) sp3d de geometria planar.
e) sp3d2 com geometria hexagonal planar.

Resposta: [B]

No arranjo fornecido cada átomo de carbono apresenta três nuvens eletrônicas ao seu redor e é planar.

Ou seja, em volta de cada carbono, tem-se a seguinte estrutura:

Exemplo 2

(Uea 2023)  Em um aterro sanitário, o gás metano (CH₄) gerado pela decomposição de resíduos orgânicos pode ser captado e direcionado para um “flare” (queimador de biogás), sofrendo uma reação química, conforme a ilustração.

A geometria molecular do gás metano e a do gás dióxido de carbono são, respectivamente,

a) piramidal e angular.
b) tetraédrica e piramidal.
c) linear e linear.
d) angular e angular.
e) tetraédrica e linear.

Resposta: [E]

Geometria molecular do metano (CH₄): o metano é uma molécula formada por um átomo de carbono central que faz ligações com quatro átomos de hidrogênio. Como o carbono possui 4 pares de elétrons ao redor, as ligações se distribuem de forma a minimizar a repulsão entre elas, adotando uma geometria tetraédrica. Assim, o CH₄ tem geometria tetraédrica.

Geometria molecular do dióxido de carbono (CO₂): o dióxido de carbono é uma molécula linear, composta por um átomo de carbono central fazendo duas ligações duplas com átomos de oxigênio. Não há pares de elétrons isolados no carbono, então a molécula adota uma geometria linear para minimizar a repulsão entre as ligações duplas. Assim, o CO₂ tem geometria linear.