Dado as moléculas abaixo, represente-as utilizando a teoria da ligação de valência (TLV), demonstrando suas respectivas ligações covalentes. Em seguida, classifique-as, dizendo quais são do tipo o e quais são do tipo π, de acordo com os orbitais atômicos envolvidos (dados: \mathrm{H}=1 ; \mathrm{C}=6 ; \mathrm{N}=7 ; \mathrm{O}=8 ; \mathrm{F}=9 ; \mathrm{Be}=4; \mathrm{B}=5 ; \mathrm{Cl}=17, \mathrm{~F}=9 ).
\mathrm{CH}_{4}

Passo 1

O enunciado pede: representar a molécula \mathrm{CH_4} usando a teoria da ligação de valência (TLV), demonstrando as respectivas ligações covalentes; em seguida, classificar essas ligações dizendo quais são do tipo \sigma e quais são do tipo \pi.
Informações relevantes dadas ou implícitas:
  • Fórmula da molécula: \mathrm{CH_4}.
  • Elementos envolvidos: carbono e hidrogênio (números atômicos não são necessários aqui, mas as configurações eletrônicas serão usadas).
  • É pedido tanto a representação por TLV (orbitais e sobreposições) quanto a classificação das ligações como \sigma ou \pi.

Passo 2

Contagem de elétrons de valência e estrutura de Lewis (passo inicial obrigatório antes da TLV).
  • Carbono tem 4 elétrons de valência. Hidrogênio tem 1 elétron de valência cada.
  • Soma total de elétrons de valência: 4 + 4\cdot 1 = 8.
  • A estrutura de Lewis que satisfaz a regra do octeto (para o C) e o dueto (para H) é o carbono no centro ligado a quatro hidrogênios, cada ligação sendo um par de elétrons partilhado:
\mathrm{H}-\mathrm{C}-\mathrm{H}
com quatro ligações simples formando um tetraedro (representação plana simplificada: \mathrm{H-C(H)_3}).
Essa análise mostra que o carbono precisa formar quatro ligações covalentes simples, cada uma usando um par de elétrons.

Passo 3

Configuração eletrônica do carbono e por que precisamos da promoção/excitação para formar quatro ligações.
  • Configuração do carbono no estado fundamental: 1s^2\,2s^2\,2p^2.
Isso indica dois elétrons no orbital 2s e dois elétrons distribuídos nos orbitais 2p (ou seja, há dois elétrons desemparelhados no estado fundamental se os colocarmos em 2p_x e 2p_y). Com essa configuração o carbono teria no máximo dois elétrons desemparelhados óbvios, resultando em apenas duas ligações simples se não fizermos mais nada.
  • Para explicar as quatro ligações observadas em \mathrm{CH_4}, a TLV usa a ideia de promoção (excitação) seguida de hibridização. Primeiro promovemos um elétron do 2s para o 2p: 1s^2\,2s^1\,2p^3,
o que dá quatro orbitais com um elétron cada (quatro elétrons desemparelhados) — condição necessária para formar quatro ligações simples com quatro hidrogênios.

Passo 4

Conceito de hibridização na TLV (explicação didática).
  • Hibridização é o processo de combinar orbitais atômicos do mesmo átomo (mesma camada principal) para formar novos orbitais híbridos com energia e geometria adequadas para formar ligações equivalentes.
  • Para o carbono promovido 1s^2\,2s^1\,2p^3, os orbitais 2s, 2p_x, 2p_y e 2p_z se misturam para formar quatro orbitais equivalentes chamados sp^3. Cada orbital sp^3 possui 25\% caráter s e 75\% caráter p.
  • Em notação: os quatro híbridos são sp^3_1, sp^3_2, sp^3_3, sp^3_4, cada um contendo um elétron desemparelhado pronto para emparelhar com um elétron de um átomo de hidrogênio.

Passo 5

Formação das ligações covalentes segundo a TLV — sobreposição de orbitais (passo prático).
  • O hidrogênio fornece seu orbital 1s contendo um elétron. Especificamente, para cada hidrogênio: \mathrm{H}:\;1s^1.
  • Cada ligação C–H em \mathrm{CH_4} forma-se pela sobreposição frontal (head-on) de um orbital híbrido sp^3 do carbono com o orbital 1s do hidrogênio. Em símbolo: sp^3(\mathrm{C}) \;\text{overlap}\; 1s(\mathrm{H}) \longrightarrow \text{ligação}\; \mathrm{C-H}.çã
  • Esse tipo de sobreposição frontal gera uma ligação sigma, escrita como \sigma. Portanto cada uma das quatro sobreposições sp^3(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}) é uma ligação \sigma.

Passo 6

Figura mental / descrição geométrica das sobreposições e consequente geometria molecular.
  • Os quatro orbitais sp^3 espalham-se no espaço em direção aos vértices de um tetraedro para minimizar repulsões (essa é a previsão de geometria da hibridização). O ângulo entre quaisquer dois híbridos sp^3 é aproximadamente 109{,}5^\circ.
  • Cada hidrogênio fica localizado ao longo do eixo de um sp^3 do carbono, formando quatro ligações equivalentes C–H e uma molécula tetraédrica.

Passo 7

Classificação das ligações como \sigma ou \pi. Definição curta e aplicação ao caso.
  • Definição didática:
    • Uma ligação \sigma é criada por sobreposição frontal (ao longo do eixo internuclear) de orbitais atômicos (por exemplo s-s, s-p, ou sp^n-sp^m). A densidade eletrônica fica concentrada ao longo do eixo que liga os dois núcleos.
    • Uma ligação \pi é criada por sobreposição lateral (paralela ao eixo internuclear) de orbitais p não hibridizados; a densidade eletrônica fica acima e abaixo (ou nas duas faces) do eixo internuclear. \pi só ocorre quando já existe uma \sigma entre os mesmos átomos (ex.: duplas/triplas C=C, C≡C).
  • Aplicando a isso a \mathrm{CH_4}: todas as quatro ligações são formadas por sobreposição frontal sp^3(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}), logo todas são ligações do tipo \sigma. Não há orbitais p não-hibridizados no carbono em \mathrm{CH_4} que permitiriam sobreposição lateral, portanto não há ligações \pi em \mathrm{CH_4}.

Passo 8

Resumo prático para a prova (o que anotar rápido no caderno se te perguntarem sobre \mathrm{CH_4}).
  • Lewis: carbono central com quatro ligações simples para quatro hidrogênios (8 elétrons de valência satisfeitos).
  • Promoção: 1s^2\,2s^2\,2p^2 \to 1s^2\,2s^1\,2p^3 (motivo: obter quatro elétrons desemparelhados).
  • Hibridização: sp^3 (quatro híbridos equivalentes).
  • Ligações: quatro sp^3(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}) formadas por sobreposição frontal — todas \sigma.
  • Geometria: tetraédrica, ângulo \approx 109{,}5^\circ.

Resposta

\mathrm{CH_4}: quatro ligações \mathrm{C-H} formadas por sobreposição sp^3(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}); todas as quatro ligações são do tipo \sigma. Não há ligações \pi.

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