Apresente os orbitais atômicos envolvidos na formação das ligações químicas na acrilonitrila ( \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CHCN} ), um importante monômero usado na confecção de roupas. Especifique os orbitais atômicos de cada ligação. Explicar qual ligação é mais forte: \sigma ou \pi ? Quais os orbitais atômicos combinados para a formação destas ligações?

Passo 1

O enunciado pede para identificar, na molécula de acrilonitrila \mathrm{CH_{2}=CH–C\equiv N}, quais orbitais atômicos dos átomos se combinam para formar cada ligação química e, ao final, comparar a força das ligações \sigma e \pi. O conteúdo principal é hibridização de átomos e formação de ligações covalentes por recobrimento de orbitais.

Passo 2

Para determinar quais orbitais participam, primeiro atribuímos a hibridização de cada átomo, contando apenas ligações \sigma e pares isolados:
– Carbono C_1 (o do grupamento \mathrm{CH_2}) faz três ligações \sigma (duas com H e uma com C_2) e não tem pares isolados, logo é \mathrm{sp}^2.
– Carbono C_2 (o central da dupla) faz três ligações \sigma (uma com H, uma com C_1 e uma com C_3) e não tem pares isolados, logo é \mathrm{sp}^2.
– Carbono C_3 (o da nitrila) faz duas ligações \sigma (uma com C_2 e uma com N) e não tem pares isolados extras, logo é \mathrm{sp}.
– Nitrogênio (N) faz uma ligação \sigma à unidade \mathrm{C_3} e possui um par isolado, totalizando duas regiões de densidade eletrônica, logo é \mathrm{sp}.

Passo 3

Agora listamos as ligações \sigma e seus orbitais:
A ligação \sigma C_1\!-\!H resulta do recobrimento frontal entre um orbital híbrido \mathrm{sp}^2 de C_1 e o orbital \mathrm{1s} do H;
a ligação \sigma C_2\!-\!H vem do recobrimento frontal entre um orbital \mathrm{sp}^2 de C_2 e o orbital \mathrm{1s} do H;
a ligação \sigma C_1\!-\!C_2 forma-se por recobrimento frontal entre um orbital \mathrm{sp}^2 de C_1 e um orbital \mathrm{sp}^2 de C_2;
a ligação \sigma C_2\!-\!C_3 resulta do recobrimento frontal entre um orbital \mathrm{sp}^2 de C_2 e um orbital \mathrm{sp} de C_3;
a ligação \sigma C_3\!-\!N vem do recobrimento frontal entre um orbital \mathrm{sp} de C_3 e um orbital \mathrm{sp} do N.

Passo 4

As ligações \pi ocorrem por recobrimento lateral de orbitais não hibridizados:
a ligação \pi da dupla C_1=C_2 forma-se entre o orbital p puro de C_1 e o orbital p puro de C_2 que permanecem perpendicularmente ao plano dos híbridos \mathrm{sp}^2;
as duas ligações \pi da tripla C_3\equiv N formam-se por recobrimento lateral entre os dois orbitais p de C_3 e os dois orbitais p correspondentes do N, todos perpendiculares ao eixo que liga C_3 a N.

Passo 5

Comparando força, a ligação \sigma é sempre mais forte que a \pi porque o recobrimento frontal de orbitais (como \mathrm{sp} ou \mathrm{sp}^2 entre si ou com \mathrm{1s}) gera maior densidade eletrônica no eixo internuclear. O recobrimento lateral dos orbitais p, característico das \pi, é menos eficiente, tornando-as relativamente mais fracas.

Resposta

Os orbitais atômicos combinados são:
– Ligações \sigma: \mathrm{C_1\,(sp^2)\!-\!H\,(1s),\;C_2\,(sp^2)\!-\!H\,(1s),\;C_1\,(sp^2)\!-\!C_2\,(sp^2),\;C_2\,(sp^2)\!-\!C_3\,(sp),\;C_3\,(sp)\!-\!N\,(sp)}.
– Ligações \pi: \mathrm{C_1\,(p)\!-\!C_2\,(p)} e as duas \mathrm{C_3\,(p)\!-\!N\,(p)}.
A ligação \sigma é mais forte que a ligação \pi devido ao recobrimento frontal mais eficiente de orbitais.

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