Demonstre a formação das seguintes ligações covalente para os seguintes compostos:
(\mathrm{C}, \mathrm{z}=1)+(\mathrm{H}, \mathrm{z}=1)

Passo 1

O enunciado pede que eu demonstre a formação da ligação covalente entre as espécies indicadas: (\mathrm{C},\;z=1)+(\mathrm{H},\;z=1).
Informações relevantes fornecidas pelo enunciado: os dois átomos envolvidos são carbono ( \mathrm{C}) e hidrogênio ( \mathrm{H}), com a anotação \;z=1 ao lado de cada um.

Passo 2

Primeiro, vamos usar os fatos químicos básicos sobre os átomos (essas são informações padrão que precisamos para montar a ligação):
  • Configuração eletrônica do hidrogênio: \mathrm{H}:\;1s^1. Isso significa que o hidrogênio tem um elétron na orbital 1s; ele “quer” completar a dupla (regra do duet) ficando com dois elétrons na camada 1s.
  • Configuração eletrônica do carbono (valor real do número atômico Z do carbono é 6): \mathrm{C}:\;1s^2\;2s^2\;2p^2. Os elétrons da camada externa (valência) estão em 2s e 2p; somando, o carbono tem 4 elétrons de valência ( 2s^2 2p^2). O carbono costuma formar ligações para completar o octeto (ficar com 8 elétrons na camada de valência).
Explicação didática: quando falamos de “ligação covalente”, estamos falando de dois átomos que compartilham elétrons para que cada um atinja uma configuração mais estável (dueto para H, octeto para C). O hidrogênio tem 1 elétron; se ele compartilhar com outro elétron, passa a ter 2 no seu orbital 1s. O carbono tem 4 elétrons de valência e pode formar até 4 ligações simples para completar seu octeto.

Passo 3

Representação por pontos de Lewis (muito útil para ver quem compartilha com quem):
  • Símbolo do carbono com seus 4 elétrons de valência (cada ponto é um elétron): \mathrm{C}:\,\bullet\:\bullet\:\bullet\:\bullet (normalmente distribuídos mostrando dois emparelhados em 2s e dois desemparelhados em 2p; para visualização simples mostramos quatro pontos).
  • Símbolo do hidrogênio com seu elétron: \mathrm{H}:\,\bullet.
Agora, quando ocorre a formação de uma ligação covalente simples entre C e H, um elétron do carbono e o elétron do hidrogênio formam um par compartilhado. Em notação de Lewis isso vira:
\mathrm{C}\;:\;\bullet\:\bullet\:\bullet\:\bullet\;+\;\mathrm{H}\;:\;\bullet\;\longrightarrow\;\mathrm{C}-\mathrm{H}
ou, mostrando explicitamente o par ligado:
\mathrm{C}\;:\;\bullet\:\bullet\; \;\begin{matrix}\bullet\\[-3pt]\bullet\end{matrix}\;+\;\mathrm{H}\;:\;\bullet\;\longrightarrow\; \mathrm{C}\;:\;\bullet\:\bullet\; \;(\bullet\!\!-\!\!\bullet)\quad\text{o par compartilhado é a ligação }\mathrm{C}-\mathrm{H}.éçã
Explicação simples: o par (\bullet\!-\!\bullet) entre \mathrm{C} e \mathrm{H} é a ligação covalente simples — dois elétrons ocupam a mesma região entre os núcleos, mantendo-os juntos por atração eletrostática.]

Passo 4

Visão orbital (o que acontece “no espaço”): a ligação C–H é um tipo de ligação sigma ( \sigma) gerada pelo recobrimento frontal dos orbitais que contêm os elétrons. Há duas formas simples de entender esse recobrimento:
  1. Modelo minimalista (direto com orbitais atômicos): o elétron do \mathrm{H} está em 1s e o elétron desemparelhado do \mathrm{C} pode estar em uma orbital 2p (ou numa orbital híbrida, veja abaixo). Quando o orbital 1s do H se aproxima do orbital do C, eles se sobrepõem “em fase” e formam uma orbital molecular ligada ( \sigma) onde os dois elétrons passam a ocupar a mesma região entre os núcleos — essa é a ligação covalente.
  2. Modelo de hibridização (mais realista para carbono formando ligações simples): se o carbono forma várias ligações (por exemplo em metano \mathrm{CH}_4), ele promove e hibridiza seus orbitais para formar quatro orbitais equivalentes sp^3. Cada orbital sp^3 contém um elétron desemparelhado que se sobrepõe frontalmente com um orbital 1s de um hidrogênio, formando quatro ligações \sigma idênticas. Mesmo se tivermos apenas um H, a ideia é a mesma para a ligação C–H: há sobreposição frontal de um orbital contendo um elétron no carbono com o 1s do hidrogênio, formando uma ligação \sigma.
Definição didática de sigma: ligação \sigma é aquela com máxima densidade eletrônica ao longo da linha que une os dois núcleos (recobrimento frontal), e é a ligação covalente simples mais comum.

Passo 5

Por que isso é estável (por que a ligação se forma espontaneamente)?
Quando os dois elétrons formam um par compartilhado entre os átomos, a energia total do sistema diminui (a atração entre os elétrons compartilhados e ambos os núcleos estabiliza a dupla). Além disso, o hidrogênio atinge seu estado mais estável (dueto) e o carbono caminha para completar o octeto (cada ligação simples fornece 2 elétrons compartilhados para o total do carbono). Se o carbono só formar uma ligação com um hidrogênio ele ainda ficará com octeto incompleto; mas a formação da primeira ligação é idêntica ao processo que leva, com mais hidrogênios, ao metano \mathrm{CH}_4.
Observação sobre polaridade: a diferença de eletronegatividade entre C e H é pequena ( \chi_\mathrm{C}\approx2{,}5, \chi_\mathrm{H}\approx2{,}1), então a ligação \mathrm{C}-\mathrm{H} é basicamente covalente não polar.

Passo 6

Resumo prático para a prova — o que escrever quando pedirem “demonstre a formação da ligação C–H”:
  • Escrever as configurações eletrônicas:
    \mathrm{C}:\;1s^2\;2s^2\;2p^2 e \mathrm{H}:\;1s^1.
  • Mostrar os elétrons de valência em pontos de Lewis e emparelhar um elétron de \mathrm{C} com o de \mathrm{H} para formar o par compartilhado.
  • Explicar que a ligação é uma ligação \sigma formada pela sobreposição frontal do orbital 1s do H com um orbital do C (puro 2p ou mais realisticamente um orbital híbrido sp^3 quando C tem várias ligações).
  • Concluir que o resultado é uma ligação covalente simples \mathrm{C}-\mathrm{H}, com compartilhamento de dois elétrons.

Resposta

Ligação covalente simples ( \sigma) entre C e H: \mathrm{C}\;(1s^2\,2s^2\,2p^2)+\mathrm{H}\;(1s^1)\longrightarrow \mathrm{C}-\mathrm{H} (par eletrônico compartilhado, representação de Lewis: \mathrm{C}\!:\!\bullet + \mathrm{H}\!:\!\bullet \longrightarrow \mathrm{C}-\mathrm{H}).

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