Usando os conceitos da Teoria da Ligação de Valência (TLV), explique por que a molécula de \mathrm{CH}_{4} possui geometria tetraédrica.

Passo 1

O enunciado pede para usar a Teoria da Ligação de Valência (TLV) e mostrar por que a molécula de \mathrm{CH}_{4} adota geometria tetraédrica. Para isso, vamos precisar dos conceitos de configuração eletrônica do carbono, excitacão necessária para formar quatro ligações e da ideia de hibridização de orbitais atômicos (mistura de \mathrm{s} e \mathrm{p} para formar orbitais híbridos equivalentes).

Passo 2

Começamos pela configuração eletrônica do carbono no estado fundamental:
\mathrm{C}: 1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^2.
Nesse estado há apenas dois elétrons desemparelhados (nos orbitais 2\mathrm{p}), o que permitiria no máximo duas ligações covalentes simples.

Passo 3

Para ter quatro ligações, o carbono se “excita” promovendo um elétron do orbital 2\mathrm{s} para o orbital 2\mathrm{p} vazio. A configuração fica
1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^1\,2\mathrm{p}_x^1\,2\mathrm{p}_y^1\,2\mathrm{p}_z^1,
com quatro elétrons desemparelhados, aptos a formar quatro ligações.

Passo 4

Na TLV, para explicar a equivalência dessas quatro ligações, misturamos o orbital 2\mathrm{s} com os três orbitais 2\mathrm{p}, gerando quatro orbitais híbridos idênticos chamados \mathrm{sp}^3. Cada híbrido \mathrm{sp}^3 tem:
  1. 25% caráter \mathrm{s} e 75% caráter \mathrm{p}.
  2. Direção no espaço de modo a maximizar a separação entre si.

Passo 5

Os quatro orbitais \mathrm{sp}^3 resultantes apontam para os vértices de um tetraedro regular, de modo a minimizar a repulsão entre pares eletrônicos (princípio da menor energia). Cada um desses híbridos sobrepõe-se com o orbital 1\mathrm{s} de um átomo de hidrogênio, formando quatro ligações \sigma equivalentes.

Resposta

A molécula de \mathrm{CH}_{4} é tetraédrica porque o carbono forma quatro orbitais híbridos idênticos \mathrm{sp}^3, dispostos nos vértices de um tetraedro, e cada um deles faz uma ligação \sigma com um átomo de hidrogênio.

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