1.53 (a) Considere um átomo de carbono em seu estado fundamental. Ele oferece um modelo satisfatório para o carbono do metano? Se não, por quê?
Estado fundamental do
(b) Considere um átomo de carbono no estado excitado:
Estado excitado de um átomo de carbono
(b) Considere um átomo de carbono no estado excitado:
Passo 1
O enunciado pede duas coisas separadas:
(a) Verificar se um átomo de carbono no seu estado fundamental com configuração eletrônica é um modelo satisfatório para o carbono no metano (
).
(b) Verificar a situação para um átomo de carbono no estado excitado cuja configuração é (isto é, um elétron promovido do
para completar os três orbitais
).
Informações relevantes dadas:
(a) Verificar se um átomo de carbono no seu estado fundamental com configuração eletrônica
(b) Verificar a situação para um átomo de carbono no estado excitado cuja configuração é
Informações relevantes dadas:
- Estado fundamental:
. - Estado excitado:
.
Perguntas que vamos responder: - (a) O estado fundamental descreve adequadamente o carbono no
? - (b) O estado excitado dado fornece um modelo adequado e como isso leva às quatro ligações equivalentes do metano?
Passo 2
Entendendo o estado fundamental de carbono — quantos elétrons desemparelhados ele tem?
Explicação didática rápida sobre distribuição eletrônica:
Explicação didática rápida sobre distribuição eletrônica:
- As camadas internas
estão preenchidas e não participam das ligações. - Na camada de valência temos
.
Sobre ocupação de orbitais e regras importantes: - Princípio de Pauli: cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
- Regra de Hund: ao preencher orbitais de mesma energia (como os três
), primeiro coloca-se um elétron em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar.
Aplicando isso à configuração: - O orbital
está com dois elétrons emparelhados (não fornece elétrons desemparelhados). - Os dois elétrons
ocupam dois orbitais diferentes com spins paralelos, portanto há exatamente dois elétrons desemparelhados.
Conclusão intermediária: no estado fundamental existem apenaselétrons desemparelhados prontos para formar ligações covalentes simples.
Passo 3
Por que isso é insuficiente para modelar
?
O metano tem ligações covalentes C–H. Para formar quatro ligações por ligação simples do tipo ligação covalente sigma (em um modelo de ligação por pares), o átomo de carbono precisa “dispor” de quatro elétrons capazes de emparelhar com os quatro elétrons dos quatro átomos de hidrogênio (cada H tem um elétron). Se o carbono no seu estado fundamental tem apenas
elétrons desemparelhados, ele só poderia formar, no máximo,
ligações simples nesse quadro — portanto o estado fundamental não explica
. Logo, a resposta para (a) é: não, não é um modelo satisfatório, porque faltam elétrons desemparelhados.
O metano tem
Passo 4
Como resolvemos isso: promoção eletrônica + hibridização — explicando cada passo devagarinho.
Promoção eletrônica:
Promoção eletrônica:
- Se promovemos um elétron do orbital
para o orbital vazio, obtemos a configuração
ou seja, quatro elétrons desemparelhados (
no
e
nos
), prontos para formar
ligações.
- Observação energética: a promoção custa energia, mas essa energia é mais do que recompensada pela energia liberada ao formar quatro ligações C–H fortes. Por isso a promoção ocorre no processo de formação do metano.
Passo 5
O que é hibridização e por que precisamos dela?
Explicação didática do conceito:
Explicação didática do conceito:
- Hibridização é uma construção teórica (no modelo de valência) que mistura linearmente orbitais atômicos (como
, , , ) para formar novos orbitais híbridos equivalentes, com orientações certas para explicar geometria e equivalência das ligações. - Para o carbono excitado em questão, mistura-se
orbital com os orbitais para formar quatro orbitais híbridos equivalentes chamados .
Composição e propriedades dos: - Cada orbital
é uma combinação linear de um e três ; tem de caráter e de caráter . - Uma escolha conveniente (assumindo orbitais atômicos ortonormais) para as quatro funções híbridas é:
- Essas combinações são ortogonais entre si e têm igual contribuição de
e dos , ou seja, cada tem de caráter e de caráter .
Interpretação geométrica: - Os quatro
resultantes apontam para os vértices de um tetraedro regular em torno do núcleo. Isso explica por que as quatro ligações C–H em são equivalentes e possuem ângulo entre si de aproximadamente
Passo 6
Como as ligações efetivamente aparecem?
- Cada orbital híbrido
contém um elétron desemparelhado (na configuração excitada), que pode se sobrepor com o orbital do hidrogênio (que traz um elétron) formando um par eletrônico compartilhado — uma ligação covalente sigma C–H. - Como os quatro híbridos são equivalentes, as quatro ligações C–H têm a mesma energia e comprimento — exatamente o que observamos experimentalmente no metano.
Passo 7
Resumo energético e físico (motivação intuitiva para a promoção + hibridização):
- Promoção:
custa energia. - Hibridização e formação de
ligações C–H libera energia suficiente para compensar a promoção e ainda estabilizar a molécula, resultando em estável com geometria tetraédrica. - Portanto o mecanismo qualitativo usado na química de ligação explica por que um átomo excitado +
hibridizado é o modelo correto para o carbono em .
Resposta
(a) Não. No estado fundamental
o carbono tem apenas
elétrons desemparelhados, insuficientes para formar as
ligações do metano.
(b) Sim. No estado excitado há
elétrons desemparelhados; a hibridização
(combinação do
com os três
) gera quatro orbitais equivalentes que formam as quatro ligações C–H tetraédricas (
).
(b) Sim. No estado excitado