6- Indique o conjunto de orbitais híbridos usados pelo átomo central em cada um dos seguintes íons e moléculas: \mathrm{BCl}_{3} ; \mathrm{AlCl}_{4}{ }^{-} ; \mathrm{CS}_{2} ; \mathrm{KrF}_{2} ; \mathrm{PF}_{6}{ }^{-}. Sugira um esquema de hibridização para o átomo central indicando quais orbitais são utilizados pelos pares isolados, os que são utilizados para formar ligações sigma ( \sigma ) e para formar ligações pi (\pi), quando for o caso.

Passo 1

Você me pediu para, para cada uma das espécies abaixo, indicar o conjunto de orbitais híbridos usados pelo átomo central e sugerir um esquema de hibridização mostrando quais orbitais são usados pelos pares isolados, quais formam as ligações sigma (\sigma) e quais participam de ligações pi (\pi), quando houver. As espécies são:
\mathrm{BCl_3}, \mathrm{AlCl_4^-}, \mathrm{CS_2}, \mathrm{KrF_2} e \mathrm{PF_6^-}.
Informações relevantes dadas pelo enunciado (implícitas nas fórmulas):
  • Em cada caso o átomo central é o primeiro elemento da fórmula: \mathrm{B}, \mathrm{Al}, \mathrm{C}, \mathrm{Kr}, \mathrm{P}.
  • Devemos indicar a hibridização do átomo central e distribuir quais orbitais são ocupados por pares isolados, por orbitais que formam ligações \sigma e por orbitais que formam ligações \pi (quando existirem).
  • Consideraremos a abordagem de hibridização padrão (VSEPR + mistura de orbitais atômicos s,p,d conforme o número de domínios eletrônicos).

Passo 2

Rápida aula sobre como determinar hibridização (meta: você consiga reproduzir isso na prova)
  1. Fazer a estrutura de Lewis do centro (ou, quando já conhecida, contar regiões de densidade eletrônica ao redor do átomo central). Uma “região” ou “domínio eletrônico” é: uma ligação simples, uma ligação múltipla (dupla/tripla conta como 1 domínio) ou um par isolado.
  2. Usar a correspondência domínio → hibridização (abordagem usual e prática):
    • 2 domínios → sp (geometria linear)
    • 3 domínios → sp^2 (trigonal planar)
    • 4 domínios → sp^3 (tetraédrica)
    • 5 domínios → sp^3d (trigonal bipiramidal, explica AX5/AX2E3, etc.)
    • 6 domínios → sp^3d^2 (octaédrica)
  3. Como associar orbitais híbridos a funções:
    • Pares isolados ocupam alguns dos orbitais híbridos (normalmente aqueles com maior caráter s quando energeticamente favorável, e em VSEPR ficam onde minimizam repulsão).
    • Cada ligação \sigma é formada por sobreposição de um orbital híbrido (do central) com um orbital do ligante (por ex. p, s ou híbrido).
    • Se houver duplas, a componente \pi vem de orbitais p não hibridizados no átomo central que se sobrepõem lateralmente com orbitais p do outro átomo. Portanto, ligações \pi normalmente usam orbitais p que ficaram não-hibridizados.
  4. Observação prática: para elementos de período 3 ou maior (ex.: Al, P, Kr, etc.) às vezes se invoca orbitais d para explicar hibridização sp^3d ou sp^3d^2. Em provas de química geral é aceitável usar essa descrição clássica; hoje há discussões mais modernas, mas a descrição clássica funciona para resolver exercícios de geometria e contagem de orbitais.

Passo 3

  1. Estrutura e contagem de domínios: o boro central tem três ligações simples a três átomos de cloro e nenhum par isolado. Então são 3 domínios eletrônicos.
  2. Geometria esperada: trigonal planar.
  3. Hibridização pelo mapa domínio→hibridização: 3 \to sp^2.
  4. Distribuição de orbitais:
    • Orbitais híbridos usados nas ligações \sigma: três orbitais \mathrm{sp^2} do B formam as três ligações \sigma com os p dos cloros (um \mathrm{sp^2} para cada ligação).
    • Pares isolados no B: nenhum.
    • Orbitais \pi: o B tem um orbital p não hibridizado (perpendicular ao plano) cuja ocupação formal é zero (pode estar vazio). Esse p não-hibridizado pode aceitar densidade eletrônica (é importante para comportamento ácido de Lewis de \mathrm{BCl_3}) ou participar de interações \pi com ligantes se houver doação. Portanto: \pi — há um p não-hibridizado (vazio) disponível, mas não há ligações \pi formais em \mathrm{BCl_3} como dupla ligação.

Passo 4

  1. Estrutura e contagem: o alumínio está ligado a quatro cloros por ligações simples; o íon tem carga -1 (um elétron adicional no total), mas no centro Al forma 4 ligações e tipicamente não tem pares isolados no átomo central. Assim temos 4 domínios eletrônicos ao redor do Al.
  2. Geometria: tetraédrica (todas as ligações equivalentes).
  3. Hibridização: 4 \to sp^3.
  4. Distribuição de orbitais:
    • Orbitais híbridos usados nas ligações \sigma: quatro orbitais \mathrm{sp^3} do Al, cada uma formando uma ligação \sigma com um orbital do Cl.
    • Pares isolados no Al: nenhum (os quatro híbridos estão ocupados por ligações).
    • \pi: nenhuma ligação \pi envolvendo Al central neste íon.

Passo 5

  1. Estrutura e contagem: carbono central ligado a dois enxofres por duplas (S=C=S); cada dupla conta como 1 domínio, então são 2 domínios eletrônicos.
  2. Geometria: linear.
  3. Hibridização: 2 \to sp.
  4. Distribuição de orbitais:
    • Orbitais híbridos usados nas ligações \sigma: dois orbitais \mathrm{sp} do C formam as duas ligações \sigma com os S (um \mathrm{sp} para cada ligação).
    • Pares isolados no C: nenhum.
    • Orbitais \pi: sobram dois orbitais p perpendiculares entre si no C (não-hibridizados). Cada um desses p participa de uma sobreposição lateral com um orbital p do enxofre, formando assim as duas ligações \pi (uma por cada dupla). Em resumo: cada ligação C=S = 1 \sigma (dos \mathrm{sp}) + 1 \pi (dos p não-hibridizados).

Passo 6

  1. Estrutura e contagem: krypton central com duas ligações simples a flúor e três pares isolados (configuração esperada: 5 domínios: 2 ligantes + 3 pares isolados). Essa é a estrutura típica do difluoreto de gases nobres.
  2. Geometria eletrônica: trigonal bipiramidal; geometria molecular: linear (os três pares isolados ocupam posições equatoriais para minimizar repulsões e os F ocupam posições axiais opostas).
  3. Hibridização: 5 \to sp^3d (descrição clássica usando um orbital d do nível de valência para formar cinco híbridos).
  4. Distribuição de orbitais:
    • Orbitais híbridos do tipo \mathrm{sp^3d}: são cinco híbridos no átomo central.
    • Pares isolados: três dos híbridos \mathrm{sp^3d} estão ocupados por pares isolados (essas ocupações estarão preferencialmente nas posições equatoriais — posição de menor repulsão).
    • Ligações \sigma: os dois híbridos restantes formam as duas ligações \sigma com os dois átomos de F (posições axiais opostas).
    • \pi: não há ligações \pi envolvendo o Kr central neste composto (ligações são simples \sigma). Observação: existe discussão avançada sobre se o uso de orbitais d é a melhor descrição; para a prova e VSEPR, a descrição \mathrm{sp^3d} é a aceita.

Passo 7

  1. Estrutura e contagem: fósforo central ligado a seis átomos de fluoreto, sem pares isolados no átomo central. Total 6 domínios eletrônicos. (o ânion \mathrm{PF_6^-} é o hexafluorofosfato, muito comum: geometria octaédrica).
  2. Geometria: octaédrica.
  3. Hibridização: 6 \to sp^3d^2 (às vezes escrito d^2sp^3; ambas as notações indicam seis híbridos equivalentes).
  4. Distribuição de orbitais:
    • Orbitais híbridos usados nas ligações \sigma: seis orbitais \mathrm{sp^3d^2} do P, cada um formando uma ligação \sigma com um F.
    • Pares isolados: nenhum no átomo central.
    • \pi: formalmente não há ligações \pi P–F no octaedro; as ligações são predominantemente \sigma. (Discussões avançadas admitem contribuição de interação p–d, mas não é necessário para o escopo de hibridização básica.)

Passo 8

  • Para resolver rápido na prova: desenhe rapidamente a estrutura de Lewis do central, conte domínios (cada ligação múltipla conta como 1), use a tabela domínio→hibridização e então distribua os híbridos: primeiro coloque pares isolados nos híbridos disponíveis para minimizar repulsão (VSEPR) e ligantes nos restantes; se houver duplas, reserve orbitais p não-hibridizados para as \pi.
  • Exemplo extra: ácido bórico \mathrm{B(OH)_3} é análogo a \mathrm{BCl_3}: sp^2 no B, p não-hibridizado vazio.

Resposta

\mathrm{BCl_3}:\; sp^2; pares isolados no B: nenhum; \sigma: três orbitais \mathrm{sp^2} formando 3 \sigma; \pi: um orbital p não-hibridizado (perpendicular) vazio (pode aceitar densidade).
\mathrm{AlCl_4^-}:\; sp^3; pares isolados no Al: nenhum; \sigma: quatro orbitais \mathrm{sp^3} formando 4 \sigma; \pi: nenhuma.
\mathrm{CS_2}:\; sp; pares isolados no C: nenhum; \sigma: dois orbitais \mathrm{sp} formando 2 \sigma (C–S); \pi: dois orbitais p não-hibridizados (perpendiculares entre si) que formam as duas ligações \pi (uma em cada C=S).
\mathrm{KrF_2}:\; sp^3d; pares isolados no Kr: três híbridos \mathrm{sp^3d} ocupados por pares isolados (equatoriais); \sigma: dois híbridos \mathrm{sp^3d} formam 2 \sigma (axiais) com F; \pi: nenhuma.
\mathrm{PF_6^-}:\; sp^3d^2; pares isolados no P: nenhum; \sigma: seis orbitais \mathrm{sp^3d^2} formam 6 \sigma (octaédrico); \pi: nenhuma.

Exercícios relacionados