(2,0) 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 geometria tetraédrica do metano
, a planar do eteno
e a linear do etino
. Com base no conceito de hibridização, represente os níveis de energia dos orbitais fundamentais e híbridos para o carbono nos seguintes tipos de hibridização:
Hibridização
Hibridização
Passo 1
O enunciado pede que eu represente os níveis de energia dos orbitais fundamentais (atuômicos) e dos orbitais híbridos para o carbono na hibridização
. Informações relevantes fornecidas ou necessárias (extraídas do enunciado ou do conhecimento mínimo sobre carbono):
- O átomo de carbono tem configuração eletrônica de valência
, ou seja, elétrons de valência. - Na hibridização
misturam-se uma orbital com duas orbitais (duas das três) para formar três orbitais híbridos equivalentes chamados . - Resta uma orbital
não híbrida (perpendicular ao plano dos ). - A tarefa é só representar os níveis de energia (ordem relativa, degenerações) e indicar onde ficam os orbitais híbridos e o orbital
não-híbrido.
Passo 2
Revisão curta e necessária da configuração eletrônica e do porquê da hibridização:
- O carbono no estado fundamental tem
. Para formar três ligações equivalentes (como em eteno ), promove-se um elétron de para , ficando efetivamente com (estado excitado). Essa promoção gera três elétrons desemparelhados necessários para formar três ligações sigma. - Em seguida, a orbital
e duas (digamos ) misturam-se (linearmente) para dar três orbitais equivalentes; a terceira (digamos ) permanece sem misturar (não-híbrida) e fica perpendicular ao plano dos .
Passo 3
O que significa “misturar” orbitais (explicação didática):
- Hibridização é fazer combinações lineares das funções de onda (orbitais): um orbital híbrido é uma combinação do tipo
onde
são coeficientes que determinam a contribuição de cada orbital original. A condição de normalização exige
- A hibridização
usa uma e duas , então cada híbrido terá fração de caráter igual a e fração de caráter igual a . Em termos de módulos dos coeficientes, isso implica algo como e (a distribuição entre depende da orientação). - Porque parte da contribuição vem do
(mais estabilizado) e parte do (menos estabilizado), o nível energético dos híbridos fica entre o da e o da .
Passo 4
Resultado específico para
: quantos orbitais e orientação
- Misturam-se
três orbitais degenerate (mesma energia), orientadas no mesmo plano a entre si. - A
permanece não-híbrida (perpendicular ao plano) e é usada para formar ligações quando apropriado. - Em termos de ocupação (após promoção e antes de formar as ligações covalentes): cada uma das três
tem 1 elétron e a remanescente tem 1 elétron, totalizando elétrons de valência.
Passo 5
Energia relativa dos níveis (explicação e fórmula aproximada):
- Como cada híbrido mistura
de e de , uma estimativa simples da energia do híbrido é o “médio ponderado”
- Portanto, a ordem energética relativa (do mais baixo ao mais alto, entre os orbitais de valência) é
- A
vem entre e porque contém parte de caráter s (mais estabilizado) e parte p (menos estabilizado). A remanescente mantém energia próxima da original.
Passo 6
Distribuição de elétrons e papel na ligação (explicação prática para a prova):
- Após promoção e hibridização (antes de formar ligações):
- Na formação de
e sigma, as de cada carbono se sobrepõem com orbitais de outros átomos formando ligações . A remanescente (perpendicular) se sobrepõe lateralmente com a do outro carbono para formar a ligação . - Em eteno (
), por exemplo, cada carbono usa suas três para: duas ligações e uma ligação sigma ; a não-hibridizada forma a ligação com a do outro carbono.
Passo 7
Representação final (diagrama de níveis de energia explicado linha a linha):
- Vou escrever um diagrama vertical simples com as energias (ordem relativa), indicando degeneração e ocupação (assumindo o átomo de carbono pronto para formar três ligações, ou seja, após promoção):
- Em ordem declinante (do mais baixo para o mais alto, mostrando apenas valência relevante):