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:
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
e . - No processo de hibridização, o número total de orbitais permanece o mesmo (ou seja, combinações lineares de
e produzem orbitais híbridos, e alguns podem permanecer não-hibridizados). - As hibridizações que vou representar (assumindo as mais comuns) são:
, e . - 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
não-hibridizados existem em cada caso.
Passo 2
Conceitos básicos que vou usar (explicados passo a passo, sem pular etapas):
- Energia relativa de
e : o orbital está mais próximo do núcleo e tem maior penetração, portanto é mais estabilizado (energia menor) que . Em símbolos:
- Hibridização como combinação linear: um orbital híbrido é uma soma linear dos orbitais atômicos. Em notação:
onde
e
são coeficientes tais que
. Aqui
representa a fração de caráter
do híbrido (s-character) e
representa a fração de caráter
.
- Energia aproximada do híbrido (modelo qualitativo): como aproximação pedagógica, a energia de um orbital híbrido fica entre as energias de
e e pode ser vista como uma média ponderada:
Logo, quanto maior
(mais caráter
), mais próximo de
e, portanto, mais baixo (estabilizado) será o orbital híbrido.
- Valores típicos de s-character:
- 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
ficam não-hibridizados.
Explicação rápida sobre contagem: o carbono em estado básico tem um orbital
e três
— total de 4 orbitais de valência. A soma de híbridos +
não-hibridizados = 4.
Passo 4
- Combinação: usa-se
+ um para criar duas orbitais . Sobram duas não-hibridizadas. - Contagem:
- s-character dos híbridos
: , logo cada é relativamente estabilizado (mais próximo de ) comparado a híbridos com menor s-character. - Ordem energética qualitativa (do mais alto ao mais baixo): primeiro as
não-hibridizadas, depois as duas orbitais (energia intermediária), e por fim como nível mais baixo. Posso representar isso assim:
- Interpretação prática: as
têm forte caráter (50%) — por isso as ligações formadas por são curtas e fortes (como em carbonos com geometria linear).]
Passo 5
- Combinação: usa-se
+ dois para formar três orbitais . Sobra uma não-hibridizada. - Contagem:
- s-character dos híbridos
: . - Ordem energética qualitativa: o
não-hibridizado fica no topo (mais alto), depois os (energia intermediária), depois o mais baixo. Representação:
- Interpretação prática:
tem menos caráter que então é menos estabilizado que , e a presença do não-hibridizado permite formação de ligações (como em ligações duplas C=C).]
Passo 6
- Combinação: usa-se
+ três para formar quatro orbitais . Não sobra nenhum não-hibridizado. - Contagem:
- s-character dos híbridos
: . - Ordem energética qualitativa: como não há
puros, os são os níveis de valência mais altos (mas cada ainda fica entre e em energia). Logo:
- Interpretação prática:
tem menor s-character entre os três tipos, portanto é o menos estabilizado (mais próximo da energia original), resultando em ligações um pouco mais longas e menos fortes que em ou .]
Passo 7
- Regra simples que ajuda na prova: quanto maior o s-character (
), mais baixo (mais estabilizado) é o orbital híbrido. Assim a ordem de estabilização dos híbridos é:
ou seja, os híbridos
estão mais próximos de
(mais baixos) do que
e
.
- Ordem geral (incluindo
não-hibridizadas quando presentes): sempre lembre que não-hibridizado tem energia maior que qualquer híbrido formado entre e . Portanto, quando existirem não-hibridizadas, elas ficam no topo do diagrama energético.
Resposta
sp:
(duas não-hibridizadas) >
(duas híbridas,
) >
sp^2:
(uma não-hibridizada) >
(três híbridas,
) >
sp^3:
(quatro híbridas,
) >