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Estrutura e Propriedades de Compostos

Química do AP · Topic 2 · ⁨Tópico 2⁩

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8:45

Estrutura e Propriedades de Compostos

Três sólidos em uma bancada. Sal de cozinha. Um diamante. Um pedaço de cobre. Bata o sal com um martelo e ele se estilhaça. O diamante risca quase tudo. O…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas⁩

2.1

Types of Chemical Bonds · ⁨Tipos de Ligações Químicas⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.1.A: Explain the relationship between the type of bonding and the properties of the elements participating in the bond.

  • 2.1.A.1 Electronegativity values for the representative elements increase going from left to right across a period and decrease going down a group. These trends can be understood qualitatively through the electronic structure of the atoms, the shell model, and Coulomb's law.
  • 2.1.A.2 Valence electrons shared between atoms of similar electronegativity constitute a nonpolar covalent bond. For example, bonds between carbon and hydrogen are effectively nonpolar even though carbon is slightly more electronegative than hydrogen.
  • 2.1.A.3 Valence electrons shared between atoms of unequal electronegativity constitute a polar covalent bond.
    • i. The atom with a higher electronegativity will develop a partial negative charge relative to the other atom in the bond.
    • ii. In single bonds, greater differences in electronegativity lead to greater bond dipoles.
    • iii. All polar bonds have some ionic character, and the difference between ionic and covalent bonding is not distinct but rather a continuum.
  • 2.1.A.4 The difference in electronegativity is not the only factor in determining if a bond should be designated as ionic or covalent. Generally, bonds between a metal and nonmetal are ionic, and bonds between two nonmetals are covalent. Examination of the properties of a compound is the best way to characterize the type of bonding.
  • 2.1.A.5 In a metallic solid, the valence electrons from the metal atoms are considered to be delocalized and not associated with any individual atom.
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.1.A: Explicar a relação entre o tipo de ligação e as propriedades dos elementos participantes da ligação.

  • 2.1.A.1 Os valores de eletronegatividade para os elementos representativos aumentam da esquerda para a direita ao longo de um período e diminuem ao descer um grupo. Essas tendências podem ser compreendidas qualitativamente através da estrutura eletrônica dos átomos, do modelo de camadas e da lei de Coulomb.
  • 2.1.A.2 Elétrons de valência compartilhados entre átomos de eletronegatividade semelhante constituem uma ligação covalente apolar. Por exemplo, ligações entre carbono e hidrogênio são efetivamente apolares, embora o carbono seja ligeiramente mais eletronegativo que o hidrogênio.
  • 2.1.A.3 Elétrons de valência compartilhados entre átomos de eletronegatividade desigual constituem uma ligação covalente polar.
    • i. O átomo com maior eletronegatividade desenvolverá uma carga parcial negativa em relação ao outro átomo na ligação.
    • ii. Em ligações simples, maiores diferenças de eletronegatividade levam a maiores momentos dipolares de ligação.
    • iii. Todas as ligações polares possuem algum caráter iônico, e a diferença entre ligação iônica e covalente não é distinta, mas sim um continuum.
  • 2.1.A.4 A diferença de eletronegatividade não é o único fator para determinar se uma ligação deve ser designada como iônica ou covalente. Geralmente, ligações entre um metal e um ametal são iônicas, e ligações entre dois ametais são covalentes. A examination das propriedades de um composto é a melhor maneira de caracterizar o tipo de ligação.
  • 2.1.A.5 Em um sólido metálico, os elétrons de valência dos átomos metálicos são considerados deslocalizados e não associados a nenhum átomo individual.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A chemical bond 化学键 is an attraction that holds atoms together. Which type forms depends on the atoms' electronegativities:

  • Ionic bond 离子键: electrons transfer from a metal to a nonmetal (large electronegativity difference).
  • Covalent bond 共价键: nonmetals share electrons (small difference). A big-but-not-huge difference gives a polar covalent 极性共价 bond.
  • Metallic bond 金属键: metal atoms share a "sea" of mobile electrons.
Português
Cristais de cloreto de sódio: sólidos iônicos formam uma rede de íons carregados opostos
Cristais de cloreto de sódio: sólidos iônicos formam uma rede de íons de cargas opostas

Uma ligação química 化学键 é uma atração que mantém os átomos unidos. O tipo que se forma depende das eletronegatividades dos átomos:

Ligação iónica: um metal transfere seus elétrons externos para um não-metal
Ligação iônica: um metal transfere seus elétrons externos para um ametal
  • Ligação iônica 离子键: transferência de elétrons de um metal para um ametal (grande diferença de eletronegatividade).
  • Ligação covalente 共价键: ametais compartilham elétrons (pequena diferença). Uma diferença grande, mas não excessiva, resulta em uma ligação covalente polar 极性共价.
  • Ligação metálica 金属键: átomos metálicos compartilham um "mar" de elétrons móveis.
Um cristal de diamante: redes covalentes gigantes explicam dureza extrema e altos pontos de fusão
Um cristal de diamante: redes covalentes gigantes explicam a extrema dureza e altos pontos de fusão
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Formar uma ligação iônica por transferência de elétrons

Uma ligação iônica se forma quando um metal transfere elétrons para um não-metal, criando íons de cargas opostas que se atraem; uma ligação covalente compartilha elétrons em vez disso.

2.2

Intramolecular Force and Potential Energy · ⁨Força Intramolecular e Energia Potencial⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.2.A: Represent the relationship between potential energy and distance between atoms, based on factors that influence the interaction strength.

  • 2.2.A.1 A graph of potential energy versus the distance between atoms (internuclear distance) is a useful representation for describing the interactions between atoms. Such graphs illustrate both the equilibrium bond length (the separation between atoms at which the potential energy is lowest) and the bond energy (the energy required to separate the atoms).
  • 2.2.A.2 In a covalent bond, the bond length is influenced by both the size of the atom's core and the bond order (i.e., single, double, triple). Bonds with a higher order are shorter and have larger bond energies.
  • 2.2.A.3 Coulomb's law can be used to understand the strength of interactions between cations and anions.
    • i. Because the interaction strength is proportional to the charge on each ion, larger charges lead to stronger interactions.
    • ii. Because the interaction strength increases as the distance between the centers of the ions (nuclei) decreases, smaller ions lead to stronger interactions.
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.2.A: Representar a relação entre energia potencial e distância entre átomos, baseada em fatores que influenciam a intensidade da interação.

  • 2.2.A.1 Um gráfico de energia potencial versus a distância entre átomos (distância internuclear) é uma representação útil para descrever as interações entre átomos. Tais gráficos ilustram tanto o comprimento de equilíbrio da ligação (a separação entre átomos na qual a energia potencial é mais baixa) quanto a energia de ligação (a energia necessária para separar os átomos).
  • 2.2.A.2 Em uma ligação covalente, o comprimento da ligação é influenciado tanto pelo tamanho do núcleo do átomo quanto pela ordem da ligação (isto é, simples, dupla, tripla). Ligações com ordem maior são mais curtas e possuem maiores energias de ligação.
  • 2.2.A.3 A lei de Coulomb pode ser usada para compreender a intensidade das interações entre cátions e ânions.
    • i. Como a intensidade da interação é proporcional à carga de cada íon, cargas maiores levam a interações mais fortes.
    • ii. Como a intensidade da interação aumenta à medida que a distância entre os centros dos íons (núcleos) diminui, íons menores levam a interações mais fortes.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

As two atoms approach, a potential energy 势能 curve captures the balance of attraction and repulsion. It dips to a minimum at the bond length 键长 (the stable separation) whose depth is the bond energy 键能. Shorter, stronger bonds sit in deeper, tighter wells; more shared pairs (double, triple bonds) give shorter, stronger bonds.

Português

À medida que dois átomos se aproximam, uma curva de energia potencial 势能 captura o equilíbrio entre atração e repulsão. Ela desce até um mínimo no comprimento de ligação 键长 (a separação estável), cuja profundidade é a energia de ligação 键能. Ligações mais curtas e fortes situam-se em poços mais profundos e apertados; mais pares compartilhados (ligações duplas, triplas) resultam em ligações mais curtas e fortes.

2.3

Structure of Ionic Solids · ⁨Estrutura de Sólidos Iônicos⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.3.A: Represent an ionic solid with a particulate model that is consistent with Coulomb's law and the properties of the constituent ions.

  • 2.3.A.1 The cations and anions in an ionic crystal are arranged in a systematic, periodic 3-D array that maximizes the attractive forces among cations and anions while minimizing the repulsive forces.
    • Exclusion statement: Knowledge of specific crystal structures is not essential to an understanding of the learning objective and will not be assessed on the AP Exam.
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.3.A: Representar um sólido iônico com um modelo particulado que esteja consistente com a lei de Coulomb e as propriedades dos íons constituintes.

  • 2.3.A.1 Os cátions e ânions em um cristal iônico estão dispostos em uma matriz sistemática e periódica 3-D que maximiza as forças atrativas entre cátions e ânions enquanto minimiza as forças repulsivas.
    • Declaração de Exclusão: O conhecimento de estruturas cristalinhas específicas não é essencial para a compreensão do objetivo de aprendizagem e não será avaliado no Exame AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

An ionic solid 离子固体 is a repeating 3-D lattice 晶格 of alternating cations and anions, held by strong electrostatic attraction. This explains their high melting points, brittleness, and why they conduct only when molten or dissolved (ions freed to move). The lattice energy rises with larger ion charges and smaller ions, so MgO (both $2+/2-$) melts far higher than NaCl (both $1+/1-$).

Português

Um sólido iônico 离子固体 é um reticulado 晶格 3-D repetitivo de cátions e ânions alternados, segurados por forte atração eletrostática. Isso explica seus altos pontos de fusão, fragilidade, e por que conduzem apenas quando fundidos ou dissolvidos (íons libertados para mover). A energia reticular aumenta com maiores cargas iônicas e menores íons, então MgO (ambos $2+/2-$) derrete muito mais alto do que NaCl (ambos $1+/1-$).

Íons empacotam-se numa rede gigante de íons positivos e negativos alternados
Íons se empacotam em uma rede gigante de íons positivos e negativos alternados
Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
delocalized/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 离域 lí yù
2.4

Structure of Metals and Alloys · ⁨Estrutura de Metais e Ligas⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.4.A: Represent a metallic solid and/or alloy using a model to show essential characteristics of the structure and interactions present in the substance.

  • 2.4.A.1 Metallic bonding can be represented as an array of positive metal ions surrounded by delocalized valence electrons (i.e., a "sea of electrons").
  • 2.4.A.2 Interstitial alloys form between atoms of significantly different radii, where the smaller atoms fill the interstitial spaces between the larger atoms (e.g., with steel in which carbon occupies the interstices in iron).
  • 2.4.A.3 Substitutional alloys form between atoms of comparable radius, where one atom substitutes for the other in the lattice. (e.g., in certain brass alloys, other elements, usually zinc, substitute for copper.)
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.4.A: Representar um sólido metálico e/ou liga usando um modelo para mostrar características essenciais da estrutura e das interações presentes na substância.

  • 2.4.A.1 A ligação metálica pode ser representada como uma matriz de íons metálicos positivos circundados por elétrons de valência deslocalizados (ou seja, um "mar de elétrons").
  • 2.4.A.2 Ligas intersticiais formam-se entre átomos com raios significativamente diferentes, onde os átomos menores preenchem os espaços intersticiais entre os átomos maiores (ex.: no aço, em que o carbono ocupa os interstícios do ferro).
  • 2.4.A.3 Ligas substitucionais formam-se entre átomos de raio comparável, onde um átomo substitui o outro na rede cristalina. (ex.: em certas ligas de latão, outros elementos, geralmente zinco, substituem o cobre.)

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

In a metal, cations sit in a lattice bathed in delocalized 离域 electrons, which explains conductivity, malleability, and luster. An alloy 合金 mixes metals: a substitutional alloy swaps in similar-sized atoms; an interstitial alloy (like steel) fits small atoms into the gaps, making it harder.

Português

Em um metal, cátions assentam-se em uma rede banhada por elétrons deslocalizados 离域, o que explica condutividade, maleabilidade e brilho. Uma liga 合金 mistura metais: uma liga substitucional troca átomos de tamanho semelhante; uma liga intersticial (como aço) encaixa átomos pequenos nos espaços vazios, tornando-a mais dura.

Átomos de tamanhos diferentes numa liga impedem que as camadas deslizem, tornando-a mais dura
Átomos de tamanhos diferentes numa liga impedem que as camadas deslizem, tornando-a mais dura
Ligação metálica: íons positivos em um mar de elétrons deslocalizados
Ligação metálica: íons positivos em mar de elétrons deslocalizados
Cobre nativo: ligação metálica dá um sólido brilhante e maleável com elétrons deslocalizados
Cobre nativo: a ligação metálica confere um sólido brilhante e maleável com elétrons deslocalizados
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Deslizar camadas em uma rede metálica

Um metálico consiste em íons positivos em um mar de elétrons deslocalizados. As camadas podem deslizar sem romper a ligação, tornando os metais maleáveis e condutores.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
chemical bond/ˈkemɪkl bɒnd/ 化学键 huà xué jiàn
Ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ 离子键 lí zi jiàn
Covalent bond/ˈkəʊvələnt bɒnd/ 共价键 gòng jià jiàn
polar covalent/ˈpəʊlə ˈkəʊvələnt/ 极性共价 jí xìng gòng jià
Metallic bond/məˈtælɪk bɒnd/ 金属键 jīn shǔ jiàn
potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 势能 shì néng
bond length/bɒnd leŋθ/ 键长 jiàn zhǎng
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
ionic solid/aɪˈɒnɪk ˈsɒlɪd/ 离子固体 lí zi gù tǐ
alloy/ˈælɔɪ/ 合金 hé jīn
Lewis diagram/ˈluːɪs ˈdaɪəɡræm/ 路易斯结构 lù yì sī jié gòu
lone pairs/ləʊn peəz/ 孤对电子 gū duì diàn zi
2.5

Lewis Diagrams · ⁨Diagramas de Lewis⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.5.A: Represent a molecule with a Lewis diagram.

  • 2.5.A.1 Lewis diagrams can be constructed according to an established set of principles.
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.5.A: Representar uma molécula com um diagrama de Lewis.

  • 2.5.A.1 Os diagramas de Lewis podem ser construídos de acordo com um conjunto estabelecido de princípios.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

A Lewis diagram 路易斯结构 shows valence electrons as bonding pairs and lone pairs 孤对电子, giving most atoms an octet 八隅体 (8 valence electrons; H wants 2). Steps: count total valence electrons, connect atoms with single bonds, complete octets on outer atoms, then form multiple bonds if the central atom is short.

Worked example. Draw carbon dioxide, $\text{CO}_2$. Total valence electrons $=4+2(6)=16$. Put C in the centre; single bonds to each O use $4$ electrons and leave the outer O atoms short. Completing octets forces two double bonds, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$: each O then has two lone pairs, C has none, and all $16$ electrons are placed with every atom at an octet.

Português

Um diagrama de Lewis 路易斯结构 mostra elétrons de valência como pares de ligação e pares solitários 孤对电子, dando à maioria dos átomos um octeto 八隅体 (8 elétrons de valência; H quer 2). Passos: conte o total de elétrons de valência, conecte os átomos com ligações simples, complete os octetos nos átomos externos, depois forme ligações múltiplas se o átomo central estiver curto.

Diagramas ponto-e-cruz mostram os pares de ligação e pares solitários numa molécula
Diagramas de pontos e cruzes mostram os pares de ligação e pares solitários em uma molécula

Exemplo resolvido. Desenhe dióxido de carbono, $\text{CO}_2$. Total de elétrons de valência $=4+2(6)=16$. Coloque C no centro; ligações simples para cada O usam $4$ elétrons e deixam os átomos O externos sem octeto completo. Completar os octetos força duas ligações duplas, $\text{O}=\text{C}=\text{O}$: cada O então tem dois pares solitários, C não tem nenhum, e todos os $16$ elétrons estão posicionados com cada átomo num octeto.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
octet/ɒkˈtet/ 八隅体 bā yú tǐ
resonance/ˈrezənəns/ 共振 gòng zhèn
Formal charge/ˈfɔːml tʃɑːdʒ/ 形式电荷 xíng shì diàn hè
2.6

Resonance and Formal Charge · ⁨Ressonância e Carga Formal⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.6.A: Represent a molecule with a Lewis diagram that accounts for resonance between equivalent structures or that uses formal charge to select between nonequivalent structures.

  • 2.6.A.1 In cases where more than one equivalent Lewis structure can be constructed, resonance must be included as a refinement to the Lewis structure. In many such cases, this refinement is needed to provide qualitatively accurate predictions of molecular structure and properties.
  • 2.6.A.2 The octet rule and formal charge can be used as criteria for determining which of several possible valid Lewis diagrams provides the best model for predicting molecular structure and properties.
  • 2.6.A.3 As with any model, there are limitations to the use of the Lewis structure model, particularly in cases with an odd number of valence electrons.
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.6.A: Representar uma molécula com um diagrama de Lewis que leve em conta a ressonância entre estruturas equivalentes ou que utilize carga formal para selecionar entre estruturas não equivalentes.

  • 2.6.A.1 Em casos em que mais de uma estrutura equivalente de Lewis pode ser construída, a ressonância deve ser incluída como um refinamento da estrutura de Lewis. Em muitos desses casos, esse refinamento é necessário para fornecer previsões qualitativamente precisas da estrutura e das propriedades moleculares.
  • 2.6.A.2 A regra do octeto e a carga formal podem ser usadas como critérios para determinar qual dos vários diagramas de Lewis válidos possíveis fornece o melhor modelo para prever a estrutura e as propriedades moleculares.
  • 2.6.A.3 Assim como qualquer modelo, existem limitações ao uso do modelo da estrutura de Lewis, especialmente em casos com número ímpar de elétrons de valência.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English

When two or more valid Lewis diagrams differ only in electron placement, the true structure is an average – resonance 共振. Formal charge 形式电荷 (valence electrons minus lone-pair electrons minus half the bonding electrons) picks the best structure: the one with formal charges closest to zero, and any negative charge on the most electronegative atom.

Worked example. Assign formal charges in the nitrate ion, $\text{NO}_3^{-}$ (one double bond, two single bonds). For N (4 bonds, no lone pairs): $5-0-4=+1$. For the double-bonded O (2 lone pairs): $6-4-2=0$. For each single-bonded O (3 lone pairs): $6-6-1=-1$. The total is $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, matching the ion's overall charge – a good check that the structure is drawn correctly. Because the three O atoms are equivalent by resonance, the real ion has three identical bonds.

Português

Quando dois ou mais diagramas de Lewis válidos diferem apenas na disposição dos elétrons, a estrutura real é uma média – ressonância 共振. Carga formal 形式电荷 (elétrons de valência menos elétrons de par solitário menos metade dos elétrons de ligação) escolhe a melhor estrutura: aquela com cargas formais mais próximas de zero, e qualquer carga negativa no átomo mais eletronegativo.

Exemplo resolvido. Atribua cargas formais no íon nitrato, $\text{NO}_3^{-}$ (uma ligação dupla, duas ligações simples). Para N (4 ligações, sem pares solitários): $5-0-4=+1$. Para o O com ligação dupla (2 pares solitários): $6-4-2=0$. Para cada O com ligação simples (3 pares solitários): $6-6-1=-1$. O total é $+1+0+(-1)+(-1)=-1$, correspondendo à carga geral do íon – um bom verificador de que a estrutura foi desenhada corretamente. Como os três átomos O são equivalentes por ressonância, o íon real possui três ligações idênticas.

2.7

VSEPR and Bond Hybridization · ⁨VSEPR e Hibridização de Ligação⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English

Learning Objective 2.7.A: Based on the relationship between Lewis diagrams, VSEPR theory, bond orders, and bond polarities:

  • i. Explain structural properties of molecules.

  • ii. Explain electron properties of molecules.

  • 2.7.A.1 VSEPR theory uses the Coulombic repulsion between electrons as a basis for predicting the arrangement of electron pairs around a central atom.

  • 2.7.A.2 Both Lewis diagrams and VSEPR theory must be used for predicting electronic and structural properties of many covalently bonded molecules and polyatomic ions, including the following:

    • i. Molecular geometry (linear, trigonal planar, tetrahedral, trigonal pyramidal, bent, trigonal bipyramidal, seesaw, T-shaped, octahedral, square pyramidal, square planar)
    • ii. Bond angles
    • iii. Relative bond energies based on bond order
    • iv. Relative bond lengths (multiple bonds, effects of atomic radius)
    • v. Presence of a dipole moment
    • vi. Hybridization of valence orbitals for atoms within a molecule or polyatomic ion
  • 2.7.A.3 The terms "hybridization" and "hybrid atomic orbital" are used to describe the arrangement of electrons around a central atom. When the central atom is $sp$ hybridized, its ideal bond angles are $180°$; for $sp^2$ hybridized atoms the bond angles are $120°$; and for $sp^3$ hybridized atoms the bond angles are $109.5°$.

    • Exclusion statement: An understanding of the derivation and depiction of hybrid orbitals will not be assessed on the AP Exam. The course includes the distinction between sigma and pi bonding, the use of VSEPR to explain the shapes of molecules, and the $sp$, $sp^2$, and $sp^3$ nomenclature.
    • Exclusion statement: Hybridization involving d orbitals will not be assessed on the AP Exam. When an atom has more than four pairs of electrons surrounding the central atom, students are only responsible for the shape of the resulting molecule.
  • 2.7.A.4 Bond formation is associated with overlap between atomic orbitals. In multiple bonds, such overlap leads to the formation of both sigma and pi bonds. The overlap is stronger in sigma than pi bonds, which is reflected in sigma bonds having greater bond energy than pi bonds. The presence of a pi bond also prevents the rotation of the bond and leads to geometric isomers.

    • Exclusion statement: Molecular orbital theory is recommended as a way to provide deeper insight into bonding. However, the AP Exam will neither explicitly assess molecular orbital diagrams, filling of molecular orbitals, nor the distinction between bonding, nonbonding, and antibonding orbitals.
Português

Objetivo de Aprendizagem 2.7.A: Com base na relação entre diagramas de Lewis, teoria VSEPR, ordens de ligação e polaridades de ligação:

  • i. Explicar as propriedades estruturais das moléculas.

  • ii. Explicar as propriedades eletrônicas das moléculas.

  • 2.7.A.1 A teoria VSEPR usa a repulsão coulombiana entre elétrons como base para prever o arranjo dos pares de elétrons ao redor de um átomo central.

  • 2.7.A.2 Tanto diagramas de Lewis quanto a teoria VSEPR devem ser usados para prever as propriedades eletrônicas e estruturais de muitas moléculas covalentemente ligadas e íons poliatômicos, incluindo os seguintes:

    • i. Geometria molecular (linear, trigonal plana, tetraédrica, piramidal trigonal, angular, bipiramidal trigonal, forma de balança, T-shaped, octaédrica, piramidal quadrada, planar quadrada)
    • ii. Ângulos de ligação
    • iii. Energias de ligação relativas baseadas na ordem de ligação
    • iv. Comprimentos de ligação relativos (ligações múltiplas, efeitos do raio atômico)
    • v. Presença de momento dipolar
    • vi. Híbridização dos orbitais de valência para átomos dentro de uma molécula ou íon poliatômico
  • 2.7.A.3 Os termos "hibridização" e "orbital atômico híbrido" são usados para descrever o arranjo de elétrons ao redor de um átomo central. Quando o átomo central está $sp$ hibridizado, seus ângulos de ligação ideais são $180°$; para átomos $sp^2$ hibridizados, os ângulos de ligação são $120°$; e para átomos $sp^3$ hibridizados, os ângulos de ligação são $109.5°$.

    • Declaração de exclusão: Uma compreensão da derivação e da representação de orbitais híbridos não será avaliada no Exame AP. O curso inclui a distinção entre ligação sigma e pi, o uso da VSEPR para explicar as formas das moléculas e a nomenclatura $sp$, $sp^2$ e $sp^3$.
    • Declaração de exclusão: A hibridização envolvendo orbitais d não será avaliada no Exame AP. Quando um átomo tem mais de quatro pares de elétrons ao redor do átomo central, os alunos são responsáveis apenas pela forma da molécula resultante.
  • 2.7.A.4 A formação de ligações está associada à sobreposição entre orbitais atômicos. Em ligações múltiplas, essa sobreposição leva à formação de ligações sigma e pi. A sobreposição é mais forte em ligações sigma do que em pi, o que se reflete no fato de que as ligações sigma possuem maior energia de ligação do que as ligações pi. A presença de uma ligação pi também impede a rotação da ligação e leva a isômeros geométricos.

    • Declaração de exclusão: A teoria dos orbitais moleculares é recomendada como uma maneira de proporcionar uma visão mais profunda da ligação. No entanto, o Exame AP não avaliará explicitamente diagramas de orbitais moleculares, preenchimento de orbitais moleculares nem a distinção entre orbitais ligantes, não ligantes e antiligantes.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Fonte: College Board AP Course and Exam Description⁩

English
VSEPR: molecular shapes

VSEPR 价层电子对互斥 theory predicts shape: electron pairs (bonds and lone pairs) around a central atom spread out as far apart as possible. Counting electron domains gives the geometry (linear, trigonal planar, tetrahedral, …); lone pairs push bonds closer, bending the shape. Hybridization 杂化 ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) describes the mixed orbitals matching that geometry. Molecular shape and bond polarity together decide whether the whole molecule is polar.

Worked example. Predict the shape of ammonia, $\text{NH}_3$. Nitrogen has $3$ bonding pairs and $1$ lone pair – four electron domains, so the electron geometry is tetrahedral and the hybridization is $sp^3$. The lone pair is invisible in the shape but still pushes the bonds together, so the molecular shape is trigonal pyramidal with a bond angle of about $107^{\circ}$ (a little less than the ideal $109.5^{\circ}$). The three N–H dipoles do not cancel, so the molecule is polar.

Bonds form when atomic orbitals overlap. Every single bond is one sigma bond σ键 – orbitals overlapping head-on along the line joining the two atoms. A multiple bond adds a pi bond π键, made by $p$ orbitals overlapping sideways above and below that line: a double bond is one sigma + one pi, a triple bond one sigma + two pi. Head-on overlap is more effective, so a sigma bond is stronger (higher bond energy) than a pi bond – which is why a double bond is stronger than a single bond but not twice as strong. A pi bond also locks the two atoms so they cannot rotate about the bond; a C=C double bond therefore has fixed cis and trans forms – geometric isomers 几何异构体 that a freely-rotating single bond could never show.

Worked example. Count the bonds in ethene, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. The four C–H bonds are single bonds (one sigma each); the C=C is one sigma plus one pi. So ethene has 5 sigma and 1 pi bond, and that single pi bond is exactly what stops the two $\text{CH}_2$ ends from twisting relative to each other.

Português
VSEPR: formas moleculares

A teoria VSEPR 价层电子对互斥 prediz a forma: pares de elétrons (ligações e pares solitários) ao redor de um átomo central espalham-se o máximo possível. Contando domínios eletrônicos obtém-se a geometria (linear, trigonal plana, tetraédrica, …); pares solitários empurram as ligações mais perto, dobrando a forma. Hibridização 杂化 ($sp$, $sp^2$, $sp^3$) descreve os orbitais misturados correspondentes a essa geometria. A forma molecular e a polaridade da ligação decidem juntas se a molécula inteira é polar.

Hibridização e forma: sp3 tetraédrica, sp2 planar, sp linear
Hibridização e forma: sp3 tetraédrico, sp2 plano, sp linear
As formas VSEPR comuns e seus ângulos de ligação
As formas comuns do VSEPR e seus ângulos de ligação

Exemplo resolvido. Preveja a forma da amônia, $\text{NH}_3$. Nitrogênio tem $3$ pares de ligação e $1$ par solitário – quatro domínios eletrônicos, então a geometria eletrônica é tetraédrica e a hibridização é $sp^3$. O par solitário é invisível na forma, mas ainda empurra as ligações para perto, então a forma molecular é piramidal trigonal com um ângulo de ligação de cerca de $107^{\circ}$ (um pouco menor que o ideal $109.5^{\circ}$). Os três dipolos N–H não se cancelam, então a molécula é polar.

Ligações formam-se quando orbitais atômicos se sobrepõem. Toda ligação simples é uma ligação sigma σ键 – orbitais se sobrepondo frontalmente ao longo da linha que une os dois átomos. Uma ligação múltipla adiciona uma ligação pi π键, feita por orbitais $p$ se sobrepondo lateralmente acima e abaixo dessa linha: uma ligação dupla é uma sigma + uma pi, uma tripla é uma sigma + duas pi. A sobreposição frontal é mais eficaz, então uma ligação sigma é mais forte (maior energia de ligação) que uma ligação pi – razão pela qual uma ligação dupla é mais forte que uma simples, mas não o dobro. Uma ligação pi também bloqueia os dois átomos impedindo rotação em torno da ligação; uma ligação C=C dupla tem portanto formas fixas cis e trans – isômeros geométricos 几何异构体 que uma ligação simples livre de rotação nunca mostraria.

Exemplo resolvido. Conte as ligações no eteno, $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$. As quatro ligações C–H são ligações simples (uma sigma cada); a C=C é uma sigma mais uma pi. Então o eteno tem 5 sigma e 1 pi ligação, e essa única ligação pi é exatamente o que impede as extremidades $\text{CH}_2$ de torcerem uma em relação à outra.

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Prever a forma molecular com VSEPR

VSEPR: os pares de elétrons repelem-se e se espalham o máximo possível, definindo a forma da molécula. Adicione pares ligantes e livres e observe a geometria mudar.

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English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
VSEPR/ˈvespə/ 价层电子对互斥 jià céng diàn zi duì hù chì
Hybridization/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 杂化 zá huà
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ σ键 σ jiàn
pi bond/paɪ bɒnd/ π键 π jiàn
geometric isomers/ˌdʒiːəʊˈmetrɪk ˈaɪsəməz/ 几何异构体 jǐ hé yì gòu tǐ
2.7

Exam tips · ⁨Dicas de prova⁩

English
  • Decide the bond type from the atoms: ionic (metal + non-metal, electron transfer), covalent (non-metals, sharing), metallic (sea of delocalised electrons).
  • An ionic solid conducts only when molten or dissolved (ions free to move), never as a solid.
  • Draw Lewis structures to satisfy the octet (H wants 2), then use VSEPR — electron pairs spread as far apart as possible — to predict the shape.
  • Lone pairs take up space and push bonds closer, bending the shape (water is bent, ammonia pyramidal).
  • A molecule can have polar bonds yet be non-polar overall if its symmetry makes the dipoles cancel ($\text{CO}_2$).
  • A single bond is 1 sigma bond; a double bond is 1 sigma + 1 pi, a triple bond 1 sigma + 2 pi. Sigma is stronger than pi, and a pi bond blocks rotation, giving cis/trans geometric isomers.
Português
  • Decida o tipo de ligação pelos átomos: iônica (metal + ametal, transferência de elétrons), covalente (ametais, compartilhamento), metálica (mar de elétrons deslocalizados).
  • Um sólido iônico conduz apenas quando fundido ou dissolvido (íons livres para se mover), nunca como sólido.
  • Desenhe estruturas de Lewis para satisfazer o octeto (H quer 2), depois use VSEPR – pares de elétrons se espalharem o máximo possível – para prever a forma.
  • Pares solitários ocupam espaço e empurram as ligações para perto, dobrando a forma (água é angular, amônia piramidal).
  • Uma molécula pode ter ligações polares, mas ser apolar globalmente se sua simetria faz com que os dipolos se cancelem ($\text{CO}_2$).
  • Uma ligação simples é 1 sigma; uma ligação dupla é 1 sigma + 1 pi, e uma ligação tripla é 1 sigma + 2 pi. Sigma é mais forte que pi, e uma ligação pi bloqueia a rotação, gerando isômeros geométricos cis/trans.

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