2.19 Determine a hibridação de orbitais necessária em:
\mathrm{NH}_{4}^{+};

Passo 1

O enunciado pede: determinar a hibridação de orbitais necessária em \mathrm{NH}_{4}^{+}.
Informações dadas e fixas:
  • A espécie é \mathrm{NH}_{4}^{+}.
  • O átomo central é o nitrogênio ( \mathrm{N}).
  • Há quatro átomos de hidrogênio ligados ao nitrogênio.
  • A espécie tem carga positiva +1.

Passo 2

O que é hibridação e como a determinamos (passo-a-passo didático):
  • Hibridação é um modelo quântico-qualitativo que explica como orbitais atômicos (por exemplo, 2s e 2p do nitrogênio) se combinam para formar novos orbitais híbridos equivalentes que fazem ligações covalentes com geometria observada.
  • Para decidir a hibridação do átomo central de forma prática usamos o número de domínios eletrônicos (também chamado de número estérico) ao redor desse átomo. Cada domínio eletrônico é:
    • uma ligação simples (uma ligação \sigma), ou
    • um par de elétrons não compartilhado (par livre).
  • Definição prática que vamos usar: \text{número estérico} = (\text{nº de ligações } \sigma \text{ no átomo central}) + (\text{nº de pares não ligantes no átomo central}).úéºçõáºãáExplicando as variáveis: ambas as quantidades são contagens inteiras; ligações múltiplas (dupla, tripla) contam como uma única ligação \sigma para efeito de número estérico.
  • Mapeamento número estérico \to hibridação (regra prática):
    • número estérico =2 \Rightarrow hibridação \mathrm{sp}
    • número estérico =3 \Rightarrow hibridação \mathrm{sp}^2
    • número estérico =4 \Rightarrow hibridação \mathrm{sp}^3
    • número estérico =5 \Rightarrow hibridação \mathrm{sp}^3\mathrm{d}
    • número estérico =6 \Rightarrow hibridação \mathrm{sp}^3\mathrm{d}^2

Passo 3

Contar ligações \sigma e pares não ligantes em \mathrm{NH}_{4}^{+}.
  • Observação direta: em \mathrm{NH}_{4}^{+} o nitrogênio está ligado a quatro hidrogênios por quatro ligações simples. Cada ligação N–H contém uma ligação \sigma. Então: \text{nº de ligações } \sigma = 4.ºçõ
  • Precisamos saber se há pares de elétrons não ligantes no nitrogênio (pares livres). Uma forma segura de verificar é calcular a carga formal no nitrogênio: \text{carga formal} = (\text{nº de elétrons de valência do átomo isolado}) - (\text{nº de elétrons não ligantes}) - \frac{1}{2}(\text{nº de elétrons de ligação}).ºéêáºéãºéçãAqui:
    • nitrogênio isolado tem 5 elétrons de valência;
    • se assumirmos x elétrons não ligantes no N, e sabemos que há 4 ligações simples \Rightarrow elétrons de ligação =8.
      Aplicando a fórmula e sabendo que a carga da espécie é +1, obtemos:
    +1 = 5 - x - \frac{1}{2}\cdot 8.Calculando o termo: \frac{1}{2}\cdot 8 = 4,então +1 = 5 - x - 4 \quad\Rightarrow\quad +1 = 1 - x \quad\Rightarrow\quad x = 0.Conclusão: o nitrogênio em \mathrm{NH}_{4}^{+} não possui pares não ligantes ( x=0).

Passo 4

Calcular o número estérico e determinar a hibridação.
  • Usando a fórmula do Passo 2: \text{número estérico} = (\text{nº ligações } \sigma) + (\text{nº pares não ligantes}) = 4 + 0 = 4.úéºçõºã
  • Pelo mapeamento (Passo 2), número estérico =4 implica hibridação \mathrm{sp}^3.

Passo 5

Interpretação física e vínculo com geometria (para aprender a aplicar na prova):
  • Hibridação \mathrm{sp}^3 significa que o nitrogênio combina um orbital 2s com três orbitais 2p para formar quatro orbitais híbridos equivalentes \mathrm{sp}^3. Cada um desses híbridos contém um elétron que forma uma ligação \sigma com o 1s do hidrogênio.
  • A geometria resultante é tetraédrica, com ângulos de ligação aproximadamente \,109{,}5^\circ. Isso explica por que \mathrm{NH}_{4}^{+} tem forma tetraédrica (útil para reconhecer em questões de VSEPR).
  • Observação conceitual útil: \mathrm{NH}_3 (amônia) tem também número estérico =4 (três ligações + um par livre) e portanto também usa \mathrm{sp}^3, mas um dos híbridos está ocupado por par livre. Em \mathrm{NH}_{4}^{+} esse par livre foi usado para ligar um próton ( \mathrm{H}^+), formando assim as quatro ligações e resultando em carga +1.

Passo 6

Dica rápida para a prova (resumo prático):
  • Conte quantas ligações simples o átomo central faz e quantos pares não ligantes ele tem; some para obter o número estérico; use o mapeamento para obter a hibridação. Para \mathrm{NH}_{4}^{+} isso é imediato: 4 ligações, 0 pares → \mathrm{sp}^3.
  • Respire fundo! Se travar, desenhe a estrutura de Lewis rápida e conte domínios ao redor do átomo central.

Resposta

\mathrm{sp}^3

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