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Geometria molecular: o que cai no ENEM e nos vestibulares

A geometria molecular é a forma que uma molécula assume no espaço: os átomos se organizam em ângulos bem definidos, que dependem das ligações e dos pares de elétrons livres do átomo central. Entenda a VSEPR e as formas mais cobradas no ENEM.

Ilustração estilo Pixar de um estudante observando moléculas gigantes em diferentes formas geométricas.
Ilustração estilo Pixar de um estudante observando moléculas gigantes em diferentes formas geométricas.
Direto ao assunto
  1. Resumo rápido
  2. Como descobrir a geometria passo a passo
  3. As geometrias mais cobradas
  4. Geometria e polaridade: por que a forma importa
  5. Exemplos resolvidos passo a passo
  6. Mapa mental
  7. SAQ — Perguntas e respostas curtas
  8. Questões comentadas
  9. Dica do professor
  10. Atenção / cuidado
  11. Conexão com outras áreas

Resumo rápido

A geometria molecular é a forma que uma molécula assume no espaço: os átomos não ficam enfileirados de qualquer jeito, e sim organizados em ângulos bem definidos, que dependem de quantas ligações e de quantos pares de elétrons livres o átomo central possui. É um tema ♨️ Morno no ENEM e nos vestibulares, porque a forma da molécula decide se ela é polar ou apolar, como ela interage com outras moléculas e até que propriedades físicas ela apresenta.

A regra que organiza tudo é a teoria da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência, a VSEPR: os pares de elétrons ao redor do átomo central se repelem e ficam o mais longe possível uns dos outros. É essa repulsão que define os ângulos entre as ligações. Para descobrir a geometria, basta contar os domínios de elétrons do átomo central — ligações, simples, duplas ou triplas, contam como um domínio cada, e cada par livre conta como um domínio — e depois lembrar que os pares livres empurram mais forte que os pares ligantes, apertando os ângulos.

Como descobrir a geometria passo a passo

Primeiro, identifique o átomo central, em geral o menos eletronegativo, que não seja o hidrogênio. Depois, conte quantos átomos estão ligados a ele e quantos pares de elétrons livres ele possui. A soma desses dois números dá o número de domínios, que indica o arranjo dos pares de elétrons. Por fim, olhe só para a posição dos átomos, ignorando os pares livres, e você terá a geometria molecular.

Um exemplo clássico é a água, \( \text{H}_2\text{O} \): o oxigênio tem 2 ligações e 2 pares livres, ou seja, 4 domínios, com arranjo tetraédrico, mas como só 2 posições são ocupadas por átomos, a geometria é angular, com ângulo de aproximadamente \( 104,5^\circ \), menor que o ângulo tetraédrico ideal de \( 109,5^\circ \), porque os pares livres empurram as ligações. Já o dióxido de carbono, \( \text{CO}_2 \), tem o carbono com 2 ligações duplas e nenhum par livre, ou seja, 2 domínios, e é linear, com ângulo de \( 180^\circ \).

DomíniosLigaçõesPares livresGeometriaÂnguloExemplo
220Linear\( 180^\circ \)\( \text{CO}_2 \), \( \text{BeCl}_2 \)
330Trigonal plana\( 120^\circ \)\( \text{BF}_3 \), \( \text{SO}_3 \)
321Angularcerca de \( 120^\circ \)\( \text{SO}_2 \), \( \text{O}_3 \)
440Tetraédrica\( 109,5^\circ \)\( \text{CH}_4 \), \( \text{NH}_4^+ \)
431Piramidalcerca de \( 107^\circ \)\( \text{NH}_3 \), \( \text{PCl}_3 \)
422Angularcerca de \( 104,5^\circ \)\( \text{H}_2\text{O} \), \( \text{H}_2\text{S} \)

As geometrias mais cobradas

A geometria linear aparece quando há 2 domínios, como no \( \text{CO}_2 \) e no \( \text{BeCl}_2 \), com ângulo de \( 180^\circ \). A trigonal plana surge com 3 domínios e nenhum par livre, como no \( \text{BF}_3 \), com ângulo de \( 120^\circ \): os três átomos ficam no mesmo plano, formando um triângulo. A tetraédrica é a do metano, \( \text{CH}_4 \), com 4 ligações e nenhum par livre, e ângulo de \( 109,5^\circ \), como os vértices de uma pirâmide de base triangular.

Quando há pares livres, a geometria muda de nome, mesmo que o arranjo dos elétrons seja o mesmo. Com 3 domínios e 1 par livre, a molécula é angular, como o \( \text{SO}_2 \). Com 4 domínios e 1 par livre, ela é piramidal, como a amônia, \( \text{NH}_3 \), com ângulo de cerca de \( 107^\circ \). Com 4 domínios e 2 pares livres, ela volta a ser angular, como a água, com ângulo de cerca de \( 104,5^\circ \). Perceba o padrão: quanto mais pares livres, menor o ângulo, porque o par livre ocupa mais espaço e empurra as ligações.

Há ainda geometrias com 5 e 6 domínios, menos cobradas, mas que podem aparecer: a bipirâmide trigonal, como no \( \text{PCl}_5 \), com ângulos de \( 90^\circ \) e \( 120^\circ \), e a octaédrica, como no \( \text{SF}_6 \), com ângulos de \( 90^\circ \). Para essas, o raciocínio é o mesmo: os domínios se afastam ao máximo.

Geometria e polaridade: por que a forma importa

A geometria decide se os momentos dipolares das ligações se cancelam ou se somam. No \( \text{CO}_2 \), linear, as duas ligações polares puxam em sentidos opostos e se cancelam: a molécula é apolar. No \( \text{BF}_3 \), trigonal plana, os três vetores se cancelam também. Já na água, angular, os vetores não se cancelam, e a molécula é polar. No metano, tetraédrico e simétrico, os vetores se cancelam, e a molécula é apolar, enquanto na amônia, piramidal, o vetor do par livre não é cancelado, e a molécula é polar.

Essa ligação entre forma e polaridade é o que torna a geometria tão útil na prova: uma questão pode pedir a geometria para, em seguida, perguntar sobre solubilidade, ponto de ebulição ou forças intermoleculares. Moléculas polares tendem a dissolver em solventes polares, e apolares em apolares, pela regra do semelhante dissolve semelhante.

Exemplos resolvidos passo a passo

Exemplo 1. Qual é a geometria da amônia, \( \text{NH}_3 \)?
Passo 1: o nitrogênio é o átomo central, com 3 ligações e 1 par livre.
Passo 2: são 4 domínios, com arranjo tetraédrico.
Passo 3: olhando só para os átomos, a geometria é piramidal, com ângulo de cerca de \( 107^\circ \).

Exemplo 2. Por que a água é angular e não linear?
Passo 1: o oxigênio tem 2 ligações e 2 pares livres, totalizando 4 domínios.
Passo 2: os pares livres repelem as ligações e apertam o ângulo.
Passo 3: o resultado é a forma angular, com ângulo de cerca de \( 104,5^\circ \).

Exemplo 3. O \( \text{BF}_3 \) é polar ou apolar?
Passo 1: o boro tem 3 ligações e nenhum par livre: geometria trigonal plana.
Passo 2: a molécula é simétrica, e os três vetores dipolares se cancelam.
Passo 3: logo, o \( \text{BF}_3 \) é apolar.

Exemplo 4. Qual é a geometria do \( \text{CH}_4 \)?
Passo 1: o carbono tem 4 ligações e nenhum par livre.
Passo 2: são 4 domínios, com arranjo tetraédrico.
Passo 3: a geometria é tetraédrica, com ângulo de \( 109,5^\circ \).

Ilustração estilo Pixar de moléculas de água, dióxido de carbono e metano em suas formas geométricas.
Ilustração estilo Pixar de moléculas de água, dióxido de carbono e metano em suas formas geométricas.
Ilustração estilo Pixar de um professor mostrando a repulsão entre pares de elétrons.
Ilustração estilo Pixar de um professor mostrando a repulsão entre pares de elétrons.

Mapa mental

  • Geometria molecular
    • VSEPR: pares de elétrons se repelem e ficam o mais longe possível
    • Contar domínios: ligações contam como 1 cada, pares livres contam como 1 cada
    • 2 domínios: linear, \( 180^\circ \), ex. \( \text{CO}_2 \)
    • 3 domínios: trigonal plana, \( 120^\circ \), ex. \( \text{BF}_3 \); angular com 1 par livre, ex. \( \text{SO}_2 \)
    • 4 domínios: tetraédrica, \( 109,5^\circ \), ex. \( \text{CH}_4 \); piramidal com 1 par livre, ex. \( \text{NH}_3 \); angular com 2 pares livres, ex. \( \text{H}_2\text{O} \)
    • Par livre empurra mais que par ligante e diminui o ângulo
    • Forma decide a polaridade: simétrica tende a apolar, assimétrica tende a polar

SAQ — Perguntas e respostas curtas

1. O que determina a geometria molecular? O número de domínios de elétrons ao redor do átomo central e a repulsão entre eles, segundo a teoria VSEPR.

2. Qual é a geometria do \( \text{CO}_2 \)? Linear, com ângulo de \( 180^\circ \), porque o carbono tem 2 domínios e nenhum par livre.

3. Por que a água é angular? Porque o oxigênio tem 2 ligações e 2 pares livres, e os pares livres empurram as ligações, fechando o ângulo para cerca de \( 104,5^\circ \).

4. Qual é a geometria da amônia? Piramidal, com ângulo de cerca de \( 107^\circ \), porque o nitrogênio tem 3 ligações e 1 par livre.

5. O que é um domínio de elétrons? Uma região com elétrons ao redor do átomo central: cada ligação, simples, dupla ou tripla, vale 1 domínio, e cada par livre vale 1 domínio.

6. Por que o par livre diminui o ângulo de ligação? Porque ele ocupa mais espaço e repele os pares ligantes com mais força, apertando o ângulo entre as ligações.

7. Qual é a geometria do metano? Tetraédrica, com ângulo de \( 109,5^\circ \), porque o carbono tem 4 ligações e nenhum par livre.

8. Como a geometria influencia a polaridade? Em moléculas simétricas, os vetores dipolares se cancelam e a molécula é apolar; em moléculas assimétricas, eles não se cancelam e a molécula é polar.

Questões comentadas

Questão 1. A molécula de água apresenta geometria angular porque:
a) o oxigênio tem 4 ligações.
b) o oxigênio tem 2 ligações e 2 pares livres, que repelem as ligações.
c) a molécula é linear.
d) o hidrogênio tem par livre.
e) a água é apolar.
Gabarito: B. São os 2 pares livres do oxigênio que empurram as ligações e fecham o ângulo para cerca de \( 104,5^\circ \).

Questão 2. O dióxido de carbono, \( \text{CO}_2 \), é apolar porque:
a) suas ligações são apolares.
b) é linear e os vetores dipolares das ligações se cancelam.
c) é angular.
d) o carbono tem par livre.
e) é uma molécula pequena.
Gabarito: B. As ligações C=O são polares, mas a geometria linear faz os vetores se cancelarem.

Questão 3. A amônia, \( \text{NH}_3 \), tem geometria:
a) tetraédrica.
b) linear.
c) trigonal plana.
d) piramidal.
e) angular.
Gabarito: D. O nitrogênio tem 3 ligações e 1 par livre, ou seja, 4 domínios com geometria piramidal.

Questão 4. O metano, \( \text{CH}_4 \), apresenta ângulo de ligação de aproximadamente:
a) \( 90^\circ \).
b) \( 104,5^\circ \).
c) \( 107^\circ \).
d) \( 109,5^\circ \).
e) \( 120^\circ \).
Gabarito: D. Com 4 ligações e nenhum par livre, o metano é tetraédrico, com ângulo de \( 109,5^\circ \).

Questão 5. O trifluoreto de boro, \( \text{BF}_3 \), tem geometria:
a) linear.
b) piramidal.
c) trigonal plana.
d) tetraédrica.
e) angular.
Gabarito: C. O boro tem 3 ligações e nenhum par livre, formando um triângulo plano com ângulo de \( 120^\circ \).

Questão 6. Em relação à teoria VSEPR, é correto afirmar que:
a) os pares de elétrons se atraem.
b) ligações duplas contam como 2 domínios.
c) os domínios de elétrons ficam o mais longe possível uns dos outros.
d) pares livres não afetam a geometria.
e) o ângulo da água é \( 109,5^\circ \).
Gabarito: C. A repulsão entre os domínios é o que define a geometria; ligação dupla conta como 1 domínio, e o ângulo da água é cerca de \( 104,5^\circ \).

Dica do professor

Para acertar a geometria, não decore molécula por molécula: conte os domínios do átomo central. Ligações mais pares livres dão o arranjo, e tirar os pares livres da figura dá a geometria. Esse método funciona para qualquer molécula da prova.

Atenção / cuidado

  • Não confunda arranjo dos elétrons com geometria molecular: o arranjo conta os pares livres, a geometria conta só os átomos.
  • Ligação dupla ou tripla conta como apenas 1 domínio na VSEPR.
  • Angular pode vir de 3 domínios com 1 par livre ou de 4 domínios com 2 pares livres — os ângulos são diferentes.
  • Não diga que a água é tetraédrica: seu arranjo é tetraédrico, mas sua geometria é angular.

Conexão com outras áreas

Física: vetores e resultante de forças, como no cancelamento dos dipolos. Biologia: forma das moléculas de água, proteínas e DNA. Matemática: ângulos e geometria espacial. Veja também ligações químicas e Química para continuar.

Para continuar estudando, revise os conteúdos de ENEM e de vestibular e explore a Química na sala de estudo.

Incidência: ♨️ Morno — cai com frequência no ENEM e nos vestibulares. Matéria: Química 1 | Subdisciplina: Ligações Químicas | Tema: Geometria molecular.