O químico Linus Pauling foi pioneiro ao propor o conceito de hibridização dos orbitais atômicos, essencial para compreender as formas geométricas das moléculas. Ele demonstrou que átomos como o carbono e o oxigênio reorganizam seus orbitais s e p para formar orbitais híbridos equivalentes em energia e orientação espacial. Isso permite, por exemplo, explicar a
Com base no conceito de hibridização, represente os níveis de energia dos orbitais fundamentais e híbridos para o carbono nos seguintes tipos de hibridização:

Passo 1

O enunciado pede que eu represente os níveis de energia dos orbitais fundamentais e dos orbitais híbridos para o átomo de carbono nas hibridizações pedidas. As informações relevantes que tenho (e que sempre valem para carbono na camada de valência) são:
  • Os orbitais atômicos fundamentais envolvidos são \,2s e \,2p.
  • No processo de hibridização, o número total de orbitais permanece o mesmo (ou seja, combinações lineares de \,2s e \,2p produzem orbitais híbridos, e alguns \,2p podem permanecer não-hibridizados).
  • As hibridizações que vou representar (assumindo as mais comuns) são: \,sp, \,sp^2 e \,sp^3.
  • Preciso mostrar, para cada caso, quais orbitais ficam no topo (mais energeticamente altos) e quais ficam mais baixos, além de indicar quantos orbitais híbridos e quantos \,2p não-hibridizados existem em cada caso.

Passo 2

Conceitos básicos que vou usar (explicados passo a passo, sem pular etapas):
  • Energia relativa de \,2s e \,2p: o orbital \,2s está mais próximo do núcleo e tem maior penetração, portanto é mais estabilizado (energia menor) que \,2p. Em símbolos:
E_{2s} < E_{2p}.
  • Hibridização como combinação linear: um orbital híbrido é uma soma linear dos orbitais atômicos. Em notação:
\psi_\text{hyb} = c_s\,\psi_{2s} + c_p\,\psi_{2p},
onde c_s e c_p são coeficientes tais que c_s^2 + c_p^2 = 1. Aqui c_s^2 representa a fração de caráter s do híbrido (s-character) e c_p^2 representa a fração de caráter p.
  • Energia aproximada do híbrido (modelo qualitativo): como aproximação pedagógica, a energia de um orbital híbrido fica entre as energias de \,2s e \,2p e pode ser vista como uma média ponderada:
E_{\text{hyb}} \approx c_s^2 E_{2s} + c_p^2 E_{2p}.
Logo, quanto maior c_s^2 (mais caráter s), mais próximo de E_{2s} e, portanto, mais baixo (estabilizado) será o orbital híbrido.
  • Valores típicos de s-character:
\begin{aligned} \text{para \(\,sp\): } & c_s^2 = \tfrac{1}{2} \quad (50\%),\\ \text{para \(\,sp^2\): } & c_s^2 = \tfrac{1}{3} \quad (\approx 33{,}3\%),\\ \text{para \(\,sp^3\): } & c_s^2 = \tfrac{1}{4} \quad (25\%). \end{aligned}
  • Consequência prática: orbitais com maior s-character são mais estabilizados (mais próximos do núcleo) e conduzem a ligações mais fortes e mais curtas.

Passo 3

Mostro agora como isso se aplica caso a caso. Vou também indicar quantos orbitais híbridos surgem e quantos \,2p ficam não-hibridizados.
Explicação rápida sobre contagem: o carbono em estado básico tem um orbital \,2s e três \,2p — total de 4 orbitais de valência. A soma de híbridos + \,2p não-hibridizados = 4.

Passo 4

  • Combinação: usa-se \,2s + um \,2p para criar duas orbitais \,sp. Sobram duas \,2p não-hibridizadas.
  • Contagem: \text{2 híbridos } \,sp \quad\text{e}\quad 2\\ \text{orbitais }\,2p\\ \text{não-hibridizadas.}íã
  • s-character dos híbridos \,sp: c_s^2=\tfrac{1}{2}=50\%, logo cada \,sp é relativamente estabilizado (mais próximo de \,2s) comparado a híbridos com menor s-character.
  • Ordem energética qualitativa (do mais alto ao mais baixo): primeiro as \,2p não-hibridizadas, depois as duas orbitais \,sp (energia intermediária), e por fim \,2s como nível mais baixo. Posso representar isso assim:
\begin{array}{c} \text{energia mais alta}\\[3pt] \text{2p (duas não-hibridizadas)}\\[3pt] \text{sp (duas híbridas, }c_s^2=\tfrac{1}{2}\text{)}\\[3pt] \text{2s (fundamental; energia mais baixa)} \end{array}ãí
  • Interpretação prática: as \,sp têm forte caráter s (50%) — por isso as ligações \sigma formadas por \,sp são curtas e fortes (como em carbonos com geometria linear).]

Passo 5

  • Combinação: usa-se \,2s + dois \,2p para formar três orbitais \,sp^2. Sobra uma \,2p não-hibridizada.
  • Contagem: \text{3 híbridos } \,sp^2 \quad\text{e}\quad 1\\ \text{orbital }\,2p\\ \text{não-hibridizado.}íã
  • s-character dos híbridos \,sp^2: c_s^2=\tfrac{1}{3}\approx 33{,}3\%.
  • Ordem energética qualitativa: o \,2p não-hibridizado fica no topo (mais alto), depois os \,sp^2 (energia intermediária), depois o \,2s mais baixo. Representação:
\begin{array}{c} \text{energia mais alta}\\[3pt] \text{2p (uma não-hibridizada)}\\[3pt] \text{sp}^2\\ (\text{três híbridas, }c_s^2=\tfrac{1}{3})\\[3pt] \text{2s (fundamental; energia mais baixa)} \end{array}ãêí
  • Interpretação prática: \,sp^2 tem menos caráter s que \,sp então é menos estabilizado que \,sp, e a presença do \,2p não-hibridizado permite formação de ligações \pi (como em ligações duplas C=C).]

Passo 6

  • Combinação: usa-se \,2s + três \,2p para formar quatro orbitais \,sp^3. Não sobra nenhum \,2p não-hibridizado.
  • Contagem: \text{4 híbridos } \,sp^3 \quad\text{e}\quad 0\\ \text{orbitais }\,2p\\ \text{não-hibridizados.}íã
  • s-character dos híbridos \,sp^3: c_s^2=\tfrac{1}{4}=25\%.
  • Ordem energética qualitativa: como não há \,2p puros, os \,sp^3 são os níveis de valência mais altos (mas cada \,sp^3 ainda fica entre \,2s e \,2p em energia). Logo:
\begin{array}{c} \text{energia mais alta}\\[3pt] \text{sp}^3\\ (\text{quatro híbridas, }c_s^2=\tfrac{1}{4})\\[3pt] \text{2s (fundamental; energia mais baixa)} \end{array}í
  • Interpretação prática: \,sp^3 tem menor s-character entre os três tipos, portanto é o menos estabilizado (mais próximo da energia \,2p original), resultando em ligações \sigma um pouco mais longas e menos fortes que em \,sp ou \,sp^2.]

Passo 7

  • Regra simples que ajuda na prova: quanto maior o s-character ( c_s^2), mais baixo (mais estabilizado) é o orbital híbrido. Assim a ordem de estabilização dos híbridos é:
\text{sp (50\% s)} < \text{sp}^2\\ (33{,}3\% s) < \text{sp}^3\\ (25\% s)
ou seja, os híbridos \,sp estão mais próximos de \,2s (mais baixos) do que \,sp^2 e \,sp^3.
  • Ordem geral (incluindo \,2p não-hibridizadas quando presentes): sempre lembre que \,2p não-hibridizado tem energia maior que qualquer híbrido formado entre \,2s e \,2p. Portanto, quando existirem \,2p não-hibridizadas, elas ficam no topo do diagrama energético.

Resposta

sp: \,2p (duas não-hibridizadas) > \,sp (duas híbridas, c_s^2=\tfrac{1}{2}) > \,2s
sp^2: \,2p (uma não-hibridizada) > \,sp^2 (três híbridas, c_s^2=\tfrac{1}{3}) > \,2s
sp^3: \,sp^3 (quatro híbridas, c_s^2=\tfrac{1}{4}) > \,2s

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