No metano todas as ligações C-H têm a mesma energia, além da molécula ser completamente apolar. Justifique com base na teoria do estado hibridizado.

Passo 1

O enunciado diz que em CH4 todas as ligações C–H têm a mesma energia e que a molécula é completamente apolar. O conteúdo aqui é a teoria de hibridização de orbitais para explicar por que as quatro ligações são idênticas e por que os dipolos se cancelam, tornando a molécula apolar.

Passo 2

Começamos com o átomo de carbono no estado fundamental, cuja configuração eletrônica é
1s^2,2s^2,2p^2
Nesse estado há apenas dois elétrons desemparelhados, portanto só poderiam formar duas ligações simples. Para formar quatro ligações C–H, o carbono promove um elétron do orbital 2s para um orbital 2p, ficando com
1s^2,2s^1,2p^3,
ou seja, quatro elétrons desemparelhados prontos para se ligar a quatro átomos de hidrogênio.

Passo 3

Com esses quatro elétrons desemparelhados nos orbitais 2s e 2p, o carbono hibridiza um orbital 2s com os três orbitais 2p. O resultado são quatro orbitais híbridos iguais denominados sp^3. Cada orbital sp^3 tem
  • 25 % caráter s e
  • 75 % caráter p,
    e todos têm a mesma energia e forma.

Passo 4

Cada um desses quatro orbitais sp^3 se sobrepõe com o orbital 1s de um átomo de hidrogênio, formando quatro ligações sigma sigma C–H equivalentes. Como todos os orbitais sp^3 são energeticamente idênticos e têm a mesma orientação relativa, as quatro ligações C–H têm a mesma energia.

Passo 5

A disposição espacial desses quatro orbitais sp^3 é tetraédrica, com ângulos de 109,5^circ entre eles. Em cada ligação C–H há um pequeno dipolo do carbono para o hidrogênio, mas, pela simetria tetraédrica, os quatro dipolos vetoriais se cancelam mutuamente. Portanto, a molécula de metano é apolar.

Resposta

A hibridização sp^3 do carbono gera quatro orbitais equivalentes, levando a quatro ligações C–H idênticas em energia. A geometria tetraédrica simétrica faz com que os dipolos dessas ligações se anulem, resultando em uma molécula completamente apolar.

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