10.28 (a) O que é hibridização de orbitais atômicos? Por que é impossível que um átomo isolado apresente orbitais atômicos híbridos? (b) Quais são as diferenças entre um orbital híbrido e um orbital atômico puro? Dois orbitais
de um átomo podem se combinar para formar dois orbitais híbridos?
Passo 1
O enunciado pede duas coisas:
(a) explicar o que é hibridização de orbitais atômicos e por que um átomo isolado não pode apresentar esses orbitais;
(b) elencar as diferenças entre um orbital híbrido e um orbital atômico puro e discutir se dois orbitais de um átomo podem se combinar para formar dois híbridos.
(a) explicar o que é hibridização de orbitais atômicos e por que um átomo isolado não pode apresentar esses orbitais;
(b) elencar as diferenças entre um orbital híbrido e um orbital atômico puro e discutir se dois orbitais
Para resolver, vamos recorrer ao conceito de combinação linear de orbitais atômicos, degenerescência de níveis em átomos isolados e influência do ambiente molecular na quebra de simetria.
Passo 2
Hibridização de orbitais atômicos é o processo pelo qual a gente faz combinações lineares controladas de orbitais puros (como
,
, às vezes
) de um mesmo átomo, gerando novos orbitais — os híbridos — que têm orientações espaciais e energias ajustadas para formar ligações mais diretas e fortes em moléculas. Por exemplo, numa hibridização
, mistura-se um orbital
com três orbitais
para criar quatro híbridos idênticos apontando para os vértices de um tetraedro.
Passo 3
Átomos isolados vivem num campo central esférico e seus orbitais puros (
,
,
,
,
, etc.) são autoestados do Hamiltoniano atômico. Em ausência de qualquer perturbação, não há motivo energético ou simétrico para preferir uma combinação linear em detrimento de outra: todas as possíveis misturas de orbitais degenerados teriam a mesma energia, e nenhuma orientação espacial é favorecida. Assim, embora você possa matematicamente definir combinações de orbitais degenerados, elas não correspondem a estados estabilizados ou observáveis em um átomo isolado — não há “campo” ou ligante que as justifique.
Passo 4
As principais diferenças entre um orbital híbrido e um orbital atômico puro são:
Orientação espacial: híbridos apontam para as regiões de ligação na molécula; puros têm simetria definida por
e
.
Energia: híbridos têm energias intermediárias entre as dos orbitais puros combinados; puros são níveis discretos de energia do átomo isolado.
Função própria: híbridos deixam de ser autoestados do átomo isolado (não diagonalizam o Hamiltoniano esférico), enquanto puros são autoestados do átomo.
Passo 5
Dois orbitais
degenerados podem ser combinados linearmente (por exemplo,
e
), mas essas misturas continuam sendo apenas rotações de orbitais
puros, com a mesma energia e sem vantagem de ligação. Logo, a gente não chama isso de “hibridização” no sentido químico, porque não há quebra de degenerescência nem ganho energético ou direcional por virem de diferentes tipos (como
e
).
Resposta
(a) Hibridização é a mistura de orbitais
,
(e às vezes
) de um átomo em combinação linear para formar novos orbitais orientados e com energias ajustadas às ligações na molécula. Um átomo isolado não apresenta orbitais híbridos porque em seu campo esférico todos os orbitais puros são autoestados degenerados, sem motivo energético ou de simetria para uma mistura preferencial.
(b) Um orbital híbrido tem orientação espacial definida, energia intermediária entre os puros e não é autoestado do átomo isolado; um orbital puro é autoestado esférico com energia fixa e simetria dada por . Dois orbitais
podem ser combinados matematicamente, mas isso só gera rotações de orbitais
puros (sem ganho energético ou direcional), portanto não se considera que formem dois orbitais híbridos.
(b) Um orbital híbrido tem orientação espacial definida, energia intermediária entre os puros e não é autoestado do átomo isolado; um orbital puro é autoestado esférico com energia fixa e simetria dada por