Como Montar o Estado Fundamental, Excitado e Híbrido dos Átomos na Hibridização
Neste capítulo, vamos detalhar o processo de construir os estados fundamental, excitado e híbrido para os átomos centrais de moléculas.
Usaremos o carbono como exemplo para ilustrar as hibridações sp³, sp² e sp. Vamos também identificar os orbitais atômicos (OA) e moleculares (OM), e descrever cada ligação formada.
1. Introdução
Os átomos centrais das moléculas podem alterar a configuração dos seus orbitais para formar ligações químicas. Esses rearranjos incluem:
- Estado Fundamental: Configuração original dos orbitais atômicos.
- Estado Excitado: O elétron é promovido para outro orbital, deixando os orbitais prontos para a hibridação.
- Estado Híbrido: Formação de novos orbitais equivalentes (orbitais híbridos).
Vamos seguir passo a passo para construir essas configurações e entender como cada tipo de hibridação resulta em diferentes geometrias e tipos de ligações.
Exemplo 1: Hibridação sp³ (CH₄)
Passo 1: Estado Fundamental do Carbono
No estado fundamental, o carbono possui a seguinte configuração eletrônica:
C (estado fundamental): 1s² 2s² 2p²
Nos orbitais de valência:
O carbono possui apenas dois elétrons desemparelhados, o que permite formar apenas duas ligações no estado fundamental.
Para formar as quatro ligações necessárias em CH₄, o carbono entra em estado excitado.
Passo 2: Estado Excitado
No estado excitado, um elétron do orbital 2s é promovido para um dos orbitais 2p vazios:
Agora, o carbono possui quatro elétrons desemparelhados, prontos para formar quatro ligações.
Passo 3: Estado Híbrido
Os orbitais 2s e 2p se combinam para formar quatro orbitais híbridos sp³ idênticos:
Esses orbitais apontam para os vértices de um tetraedro, resultando em uma geometria tetraédrica com ângulos de 109,5º.
Passo 4: Formação das Ligações
Cada orbital sp³ do carbono se sobrepõe com o orbital 1s do hidrogênio, formando quatro ligações σ (OM).
Não há pares livres de elétrons no carbono.
Portanto, cada ligação dessa molécula terá a seguinte descrição:
OM(σ)sp³-s.
Exemplo 2: Hibridação sp² (CH₂O)
Passo 1: Estado Fundamental do Carbono
A configuração eletrônica no estado fundamental é a mesma do exemplo anterior:
C (estado fundamental): 1s² 2s² 2p²
Passo 2: Estado Excitado
No estado excitado, um elétron do orbital 2s é promovido para o orbital 2p vazio:
Passo 3: Estado Híbrido do Carbono
Um orbital 2s e dois orbitais 2p se combinam para formar três orbitais sp² idênticos, enquanto um orbital p permanece puro.
Esse orbital p puro é o que servirá para formar a ligação pi com o oxigênio.
Ligações pi nunca são formadas entre orbitais "s", já que elas nunca são as primeiras a serem formadas:
Os orbitais sp² se dispõem no plano, formando uma geometria trigonal plana com ângulos de 120º.
Passo 1: Estado Fundamental do Oxigênio
O (estado fundamental): 1s² 2s² 2p⁴
Passo 2: Estado Excitado do Oxigênio
O oxigênio, neste caso, não sofre promoção de elétrons, pois já tem os orbitais necessários para formar as ligações. Portanto, ele não entra em estado excitado.
Passo 3: Estado Híbrido do Oxigênio
Um orbital 2s e dois orbitais 2p se combinam para formar três orbitais sp² híbridos. O orbital 2p restante permanece puro, para formar a pi com o carbono:
Esses orbitais com os dois elétrons já preenchidos são os pares de elétrons livres.
Passo 4: Formação das Ligações
Cada orbital sp² do carbono se sobrepõe com os orbitais 1s dos hidrogênios ou do oxigênio, formando ligações σ (OM).
O orbital p puro do carbono forma uma ligação π com o orbital p puro do oxigênio.
Para o C:
Entre C e H: Ligações OM(σ)sp²-s.
Entre C e O: Ligação OM(σ)sp²-sp² e OM(π)p-p.
Para o O:
Entre C e O: Ligação OM(σ)sp²-sp² e OM(π)p-p.
Pares de elétrons livres: OA(σ)sp².
Exemplo 3: Hibridação sp (HCN)
Passo 1: Estado Fundamental do Carbono
A configuração é a mesma:
C (estado fundamental): 1s² 2s² 2p²
Passo 2: Estado Excitado
Um elétron é promovido do orbital 2s para o orbital 2p vazio:
Passo 3: Estado Híbrido
Um orbital 2s e um orbital 2p se combinam para formar dois orbitais sp idênticos. Dois orbitais p permanecem puros:
Os orbitais sp se alinham linearmente, formando uma geometria linear com ângulos de 180º.
Passo 1: Estado Fundamental do Nitrogênio
N (estado fundamental): 1s² 2s² 2p³
Passo 2: Estado Excitado do Nitrogênio
O nitrogênio, neste caso, não sofre promoção de elétrons, pois já tem os orbitais necessários para formar as ligações. Portanto, ele não entra em estado excitado.
Passo 3: Estado Híbrido do Nitrogênio
Um orbital 2s e um orbital 2p se combinam para formar dois orbitais sp híbridos, sendo o orbital 2s o responsável pelo par de elétrons livre.
Os orbitais 2p restantes permanecem puros, para formarem as pi com o carbono:
Passo 4: Formação das Ligações
Um orbital sp do carbono se sobrepõe com o orbital 1s do hidrogênio, formando uma ligação OM(σ)sp-s.
O outro orbital sp se sobrepõe com o orbital sp do nitrogênio, formando uma ligação OM(σ)sp-sp.
Os dois orbitais p puros do carbono formam duas ligações π com o nitrogênio, sendo OM(π)p-p cada uma delas.
O par de elétrons livre do N é um OA(σ)sp.
