Com base na teoria da ligação de valência, explicar as estruturas e ligações das moléculas:
etino
etino
Passo 1
O enunciado pede: explicar, com base na teoria da ligação de valência, as estruturas e as ligações da molécula etino
.
Informações dadas / relevantes: a fórmula molecular é ; há dois átomos de carbono e dois de hidrogênio. A tarefa é descrever como os elétrons formam as ligações (sigma, pi), que hibridação aparece em cada carbono, geometria da molécula e cargas formais, tudo pelo ponto de vista da teoria da ligação de valência.
Informações dadas / relevantes: a fórmula molecular é
Passo 2
Contagem de elétrons de valência (passo básico e necessário antes de desenhar a estrutura de Lewis): cada átomo de carbono tem
elétrons de valência e cada hidrogênio tem
. Assim o total é
elétrons de valência ao todo. Essa contagem vai nos guiar para saber quantas ligações e pares de elétrons existem na molécula.
Passo 3
Construção da estrutura de Lewis (representação simples que mostra como os elétrons são compartilhados):
- Para usar os
elétrons, uma forma plausível é ter cada hidrogênio ligado a um carbono por uma ligação simples e os dois carbonos ligados entre si por uma ligação múltipla. A estrutura de Lewis mais estável é
ou seja, uma ligação tripla entre os carbonos e ligações simples
. Nessa estrutura todos os
elétrons estão em pares de ligação (não há pares não-ligantes nos carbonos). Não há necessidade de elétrons desemparelhados ou cargas formais.
Passo 4
O que é hibridização (explicação didática antes de aplicar): na teoria de ligação de valência usamos a ideia de hibridização para explicar como orbitais atômicos (por ex.
e
do carbono) se combinam para formar os orbitais que participam das ligações sigma. Hibridar significa “misturar” orbitais atômicos para obter novos orbitais (chamados orbitais híbridos) orientados geometricamente de forma a maximizar o sobrelapamento com orbitais de outros átomos. Cada tipo de hibridização (
,
,
) corresponde a um número específico de orbitais híbridos e a uma geometria característica:
-
: quatro orbitais híbridos, geometria tetraédrica ( ), -
: três híbridos, geometria trigonal plana ( ), -
: dois híbridos, geometria linear ( ).
Além disso, orbitaisque não entram na hibridização permanecem puros e podem formar ligações por sobreposição lateral.
Passo 5
Determinação da hibridização dos carbonos em
: cada carbono faz duas regiões de ligação (uma ligação ao hidrogênio e uma ligação ao outro carbono, mas a ligação C–C é múltipla contando como uma única região para a geometria). Para duas regiões de ligação o carbono precisa de dois orbitais híbridos, portanto cada carbono é
hibridizado. Conclusão:
e a molécula tende a ter geometria linear em torno dos carbonos (ângulos de
).
Passo 6
Quais orbitais participam das ligações sigma (explicação passo a passo):
- Do átomo de carbono com hibridização
surgem dois orbitais (colineares) e restam dois orbitais puros não-hibridizados (vamos chamá-los de e ). - Um dos orbitais
de cada carbono sobrepõe frontalmente (head-on) com o orbital do hidrogênio formando a ligação sigma . - O outro orbital
de um carbono se sobrepõe frontalmente com o orbital do outro carbono formando a ligação sigma .
Essas sobreposições frontais são ligações sigma, que têm densidade eletrônica concentrada ao longo do eixo que une os núcleos.
Passo 7
Formação das duas ligações
entre os carbonos (descrição detalhada):
- Cada carbono, além dos dois orbitais
, mantém dois orbitais perpendiculares entre si (por exemplo e ), ambos não-hibridizados. - Um par de orbitais
(um de cada carbono) se sobrepõe lateralmente formando uma ligação . Esse é um tipo de sobreposição em que as lobulações dos orbitais ficam acima e abaixo (ou lateralmente) do eixo C–C. - O outro par de orbitais
(os que são ortogonais aos primeiros) faz uma segunda sobreposição lateral formando a segunda ligação . Essas duas são mutuamente ortogonais.
Logo, entre os dois carbonos há uma ligação composta por uma sigma (formada pelos- ) e duas pi (formadas pelos - ).
Passo 8
Resumo do tipo de ligação entre carbonos e entre C e H:
- Ligação
: uma (por sobreposição - ) + duas (por sobreposição lateral - ). Essa combinação é a chamada ligação tripla; seu ordem de ligação é . - Ligações
: cada uma é uma , formada pela sobreposição do carbono com o orbital do hidrogênio.
Passo 9
Contagem final dos elétrons e verificação de cargas formais:
- Na estrutura
todos os elétrons de valência estão em pares de ligação: duas ligações (4 elétrons) e uma tripla (6 elétrons) totalizando . - Cálculo da carga formal para cada carbono: a fórmula geral é
Para o carbono em
: elétrons de valência
, elétrons não-ligantes
, elétrons nas ligações ao redor do C
(quatro pares de ligação: três com o outro C e um com H), então
Portanto todos os átomos têm carga formal zero na estrutura mostrada.
Passo 10
Implicações estruturais e propriedades relacionadas (dicas úteis para a prova):
- Geometria: a molécula é linear com ângulos
iguais a . - Comprimento e energia de ligação: por ter ordem de ligação
, a ligação é mais curta e mais forte do que C–C simples ou C=C. Valores típicos (aproximados) são: comprimento (menor que em uma dupla e bem menor que em uma simples ). - Caráter ácido dos hidrogênios terminais: o carbono
tem de caráter (pois mistura parte com parte ), esse alto caráter atrai mais a densidade eletrônica para mais perto do núcleo, estabilizando a base conjugada (o ânion acetileto). Por isso o hidrogênio terminal em alcinos é mais ácido que em alcenos/alcanos — detalhe que costuma cair em provas. - Visualização dos orbitais: pense no eixo molecular (eixo
) ocupado pelos orbitais ; os dois orbitais remanescentes estão alinhados segundo e , gerando duas regiões de sobreposição ortogonais.
Passo 11
Comparação curta com outros hibridizações (para fixar o conceito): em etano (
) cada carbono é
e tem geometria tetraédrica; em eteno (
) cada carbono é
e há uma ligação dupla (
+
). Em etino (
) vemos o caso extremo
com ligação tripla (
+
) e geometria linear. Essa comparação ajuda a memorizar por que o número de híbridos e a geometria mudam conforme o número de ligações múltiplas.
Resposta
Estrutura:
. Cada carbono é hibridizado
. A ligação
é formada por uma
(sobreposição
–
) e duas
(sobreposição lateral
–
ortogonais), e as ligações
são
(sobreposição
–
). Geometria linear (
), cargas formais nulas, ordem de ligação da C–C =
e comprimento aproximado da C≡C
.