Utilize a teoria de ligação de valência para justificar a estereoquímica das espécies apresentadas a seguir.
\begin{array}{llll} \mathrm{CH}_{4} & \mathrm{PCl}_{5} & \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} & \mathrm{CH}_{3} \mathrm{Cl} \end{array}

Passo 1

O enunciado pede para usar a teoria de ligação de valência (mistura de orbitais atômicos para formar orbitais híbridos) de modo a justificar a estereoquímica (geometria) das espécies \mathrm{CH}_4, \mathrm{PCl}_5, \mathrm{CH}_2\!=\!\mathrm{CH}_2 e \mathrm{CH}_3\mathrm{Cl}. Vamos então, em cada caso, identificar a hybridização do átomo central e a forma resultante.

Passo 2

Para \mathrm{CH}_4:
  1. O carbono no estado fundamental tem configuração eletrônica 1s^2\,2s^2\,2p^2, com dois elétrons pareados em 2s e dois desemparelhados em 2p.
  2. Para formar quatro ligações equivalentes, promove-se um elétron de 2s para 2p, ficando com quatro elétrons desemparelhados.
  3. Esses quatro orbitais (um 2s e três 2p) se misturam formando quatro orbitais híbridos \mathrm{sp}^3, todos equivalentes.
  4. Cada orbital \mathrm{sp}^3 se sobrepõe ao orbital 1s de um H, formando quatro ligações \sigma.
  5. Os quatro orbitais \mathrm{sp}^3 se arranjam em geometria tetraédrica, com ângulos de 109{,}5^\circ.

Passo 3

Para \mathrm{PCl}_5:
  1. O fósforo tem subníveis 3s^2\,3p^3 e também orbitais 3d vazios.
  2. Misturam-se um orbital 3s, três 3p e um 3d para gerar cinco orbitais híbridos \mathrm{sp}^3\mathrm{d}.
  3. Esses cinco híbridos formam cinco ligações \sigma com os átomos de Cl.
  4. A disposição ótima desses cinco orbitais é a geometria bipiramidal trigonal: três ligantes no plano eqüatorial com ângulo 120^\circ entre si e dois ligantes axiais perpendiculares ao plano, a 90^\circ.

Passo 4

Para \mathrm{CH}_2\!=\!\mathrm{CH}_2:
  1. Cada átomo de carbono está ligado a dois H e ao outro C.
  2. Em cada C, mistura-se um orbital 2s com dois 2p para formar três orbitais \mathrm{sp}^2.
  3. Cada híbrido \mathrm{sp}^2 participa de ligações \sigma: dois com H e um com o outro C.
  4. O orbital 2p restante, não hibridizado, fica perpendicular ao plano \mathrm{sp}^2 e forma a ligação \pi entre os carbonos.
  5. Os três orbitais \mathrm{sp}^2 em cada C definem um plano, com ângulos de 120^\circ, tornando a molécula planar trigonal em torno de cada C.

Passo 5

Para \mathrm{CH}_3\mathrm{Cl}:
  1. O carbono central tem configuração 2s^2\,2p^2, semelhante a \mathrm{CH}_4.
  2. Promove-se um elétron e hibridizam-se 2s e três 2p para gerar quatro orbitais \mathrm{sp}^3.
  3. Três híbridos se sobrepõem aos orbitais 1s de H e um hibrido se sobrepõe ao orbital 3p do Cl, formando quatro ligações \sigma.
  4. Esses quatro orbitais \mathrm{sp}^3 se dispõem em tetraedro, com ângulos de 109{,}5^\circ.

Resposta

\mathrm{CH}_4: híbrido \mathrm{sp}^3, geometria tetraédrica.
\mathrm{PCl}_5: híbrido \mathrm{sp}^3\mathrm{d}, geometria bipiramidal trigonal.
\mathrm{CH}_2\!=\!\mathrm{CH}_2: híbrido \mathrm{sp}^2 (em cada C), geometria planar trigonal.
\mathrm{CH}_3\mathrm{Cl}: híbrido \mathrm{sp}^3, geometria tetraédrica.

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