4, 1. (4 p) Um átomo de carbono no estado fundamental tem apenas dois elétrons em orbitais “semi-cheias” ( 2 elétrons
). 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
), 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:
Informações dadas e que vamos usar:
- Configuração eletrônica do carbono em estado fundamental:
. - Na configuração indicada há apenas dois elétrons desemparelhados nos orbitais
. - Apesar disso, o carbono faz comumente quatro ligações covalentes (ex.:
).
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
), colocamos primeiro um elétron em cada orbital com spins paralelos antes de emparelhar.
Aplicando isso a: os três orbitais recebem os elétrons assim: um elétron em e um em , 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
pode ser promovido (excitado) para o orbital . - Configuração após promoção (um elétron do
sobe para ): .
Agora existem quatro elétrons desemparelhados (um eme três em 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
e ) do mesmo átomo para gerar novos orbitais híbridos com formas e orientações adequadas para formar ligações. - Por que? Depois da promoção temos orbitais
e com ocupações que permitem 4 elétrons desemparelhados, porém os orbitais puros têm orientação ao longo dos eixos e diferente energia/formato do . Misturando-os obtemos orbitais equivalentes que formam ligações com geometria adequada. - Exemplos de hibridização e suas fórmulas:
(mistura de 1 + 3 ), (1 + 2 ), (1 + 1 ). Em TeX: .
Passo 5
Aplicando à molécula típica: metano (
).
- Processo completo para
: a promoção dá . Em seguida, os orbitais e os três se hibridizam formando quatro orbitais equivalentes . - Cada orbital
contém um elétron desemparelhado e overlap (cheio/colisão eficiente) com o orbital do hidrogênio para formar quatro ligações equivalentes. - Geometria resultante: tetraédrica, ângulo entre ligações aproximadamente
(característica de ).
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 (
) e acetileno (
).
- Eteno: cada carbono está em hibridização
. Após promoção e hibridização há três orbitais híbridos em plano que formam três ligações e sobra um orbital não-hibridizado que forma a ligação do duplo enlace. Geometria trigonal plana (ângulos ~ ). - Acetileno: cada carbono está em hibridização
. Formam-se dois orbitais colineares e dois orbitais não-hibridizados que se cruzam para formar duas ligações (ligação tripla: uma + duas ). Geometria linear (ângulos ).
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
. Cada ligação formada traz ganho energético (energias de ligação). Se o ganho total das novas ligações for maior que , 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 fundamentalpromoção (mostrar configs) hibridização ( , ou / conforme o caso) formação de quatro orbitais para ligar.
Resposta
Promoção eletrônica (excitação de um elétron
) seguida de hibridização dos orbitais atômicos (formação de
, ou
/
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.