4, 1. (4 p) Um átomo de carbono no estado fundamental tem apenas dois elétrons em orbitais “semi-cheias” ( 2 elétrons 2 p ). Porém, o carbono frequentemente faz quatro ligações (i. e. em metano, eteno, acetileno, e outras moléculas). Dê o nome e a explicação do fenômeno responsável por isto.

Passo 1

O enunciado diz: um átomo de carbono no estado fundamental tem apenas dois elétrons em orbitais “semi-cheios” (ou seja, dois elétrons em 2p), mas o carbono frequentemente forma quatro ligações (ex.: metano, eteno, acetileno). A tarefa é: dar o nome e explicar o fenômeno responsável por isso.
Informações dadas e que vamos usar:
  • Configuração eletrônica do carbono em estado fundamental: 1s^2\,2s^2\,2p^2.
  • Na configuração indicada há apenas dois elétrons desemparelhados nos orbitais 2p.
  • Apesar disso, o carbono faz comumente quatro ligações covalentes (ex.: CH_4).

Passo 2

Entendendo por que, no estado fundamental, há apenas dois elétrons disponíveis para ligar: regras básicas.
  • Princípio de exclusão de Pauli: cada orbital comporta no máximo dois elétrons com spins opostos.
  • Regra de Hund: ao preencher orbitais degenerados (como os três 2p), colocamos primeiro um elétron em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar.
    Aplicando isso a 2p^2: os três orbitais 2p_x,2p_y,2p_z recebem os elétrons assim: um elétron em 2p_x e um em 2p_y, cada um desemparelhado. Logo, em estado fundamental há somente dois elétrons desemparelhados prontos para fazer ligações simples.

Passo 3

Apresentando o primeiro passo do fenômeno: promoção eletrônica.
  • Ideia: um dos elétrons do orbital 2s pode ser promovido (excitado) para o orbital 2p.
  • Configuração após promoção (um elétron do 2s sobe para 2p): 1s^2\,2s^1\,2p^3.
    Agora existem quatro elétrons desemparelhados (um em 2s e três em 2p antes de considerar mistura), o que permite formar até quatro ligações simples.
  • Importante: a promoção custa energia (porque tiramos um elétron de um orbital mais ligado), mas essa energia é compensada — e mais — pela energia liberada quando os quatro átomos vizinhos formam ligações fortes com o carbono. Em química, o ganho energético das ligas compensa o custo da promoção.

Passo 4

Apresentando o segundo passo do fenômeno: hibridização dos orbitais. O que é isso e por que usamos?
  • Definição didática: hibridização é a combinação linear (mistura) dos orbitais atômicos (aqui 2s e 2p) do mesmo átomo para gerar novos orbitais híbridos com formas e orientações adequadas para formar ligações.
  • Por que? Depois da promoção temos orbitais 2s e 2p com ocupações que permitem 4 elétrons desemparelhados, porém os orbitais 2p puros têm orientação ao longo dos eixos e diferente energia/formato do 2s. Misturando-os obtemos orbitais equivalentes que formam ligações com geometria adequada.
  • Exemplos de hibridização e suas fórmulas: sp^3 (mistura de 1 2s + 3 2p), sp^2 (1 2s + 2 2p), sp (1 2s + 1 2p). Em TeX: sp^3,\,sp^2,\,sp.

Passo 5

Aplicando à molécula típica: metano ( CH_4).
  • Processo completo para CH_4: a promoção dá 1s^2\,2s^1\,2p^3. Em seguida, os orbitais 2s e os três 2p se hibridizam formando quatro orbitais equivalentes sp^3.
  • Cada orbital sp^3 contém um elétron desemparelhado e overlap (cheio/colisão eficiente) com o orbital 1s do hidrogênio para formar quatro ligações \sigma equivalentes.
  • Geometria resultante: tetraédrica, ângulo entre ligações aproximadamente 109,5^\circ (característica de sp^3).
    Explicação prática: é por isso que, mesmo tendo só dois elétrons desemparelhados no estado fundamental, o carbono, ao sofrer promoção + hibridização, pode formar quatro ligações equivalentes.

Passo 6

Ligando isso a outros exemplos (para fixar e para a prova): eteno ( C_2H_4) e acetileno ( C_2H_2).
  • Eteno: cada carbono está em hibridização sp^2. Após promoção e hibridização sp^2 há três orbitais híbridos em plano que formam três ligações \sigma e sobra um orbital 2p não-hibridizado que forma a ligação \pi do duplo enlace. Geometria trigonal plana (ângulos ~ 120^\circ).
  • Acetileno: cada carbono está em hibridização sp. Formam-se dois orbitais sp colineares e dois orbitais 2p não-hibridizados que se cruzam para formar duas ligações \pi (ligação tripla: uma \sigma + duas \pi). Geometria linear (ângulos 180^\circ).
    Esses exemplos mostram que a combinação promoção+hibridização explica o número e a geometria das ligações em diferentes compostos de carbono.

Passo 7

Intuição energética e exame: por que isso é permitido mesmo se a promoção custa energia?
  • Resuma: promoção eletrônica tem custo energético \Delta E_{\text{promo}}. Cada ligação formada traz ganho energético (energias de ligação). Se o ganho total das novas ligações for maior que \Delta E_{\text{promo}}, o processo é favorável e a conformação hibridizada será adotada. Em carbono formando quatro ligações, o balanço é favorável — por isso o composto é estável.
    Dica de prova: ao justificar, escreva a sequência clara: estado fundamental \to promoção 2s\to2p (mostrar configs) \to hibridização ( sp^3, ou sp^2/ sp conforme o caso) \to formação de quatro orbitais para ligar.

Resposta

Promoção eletrônica (excitação de um elétron 2s\to2p) seguida de hibridização dos orbitais atômicos (formação de sp^3, ou sp^2/ sp conforme o caso), o que gera quatro orbitais com um elétron desemparelhado cada e permite a formação de quatro ligações; o custo energético da promoção é compensado pelo ganho energético das ligações formadas.

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