Chemistry for Non-Majors

Hybrid Orbitals – sp3

O esquema de ligação descrito pela teoria da ligação de valência deve levar em conta as geometrias moleculares como previsto pela teoria VSEPR. Para fazer isso, devemos introduzir um conceito chamado orbitais híbridos.

sp 3 Hibridação

Felizmente, a sobreposição de orbitais atômicos existentes ( s , p , etc.) não é suficiente para explicar algumas das geometrias de ligação e moleculares que são observadas. Considere o elemento carbono e a molécula de metano (CH 4 ). Um átomo de carbono tem a configuração eletrônica de 1s 2 2s 2 2p 2 , significando que ele tem dois elétrons não pareados em suas orbitais 2p, como mostrado na figura abaixo.

Figure 1. Configuração orbital para o átomo de carbono.

De acordo com a descrição da teoria da ligação de valência até agora, seria esperado que o carbono formasse apenas duas ligações, correspondendo aos seus dois elétrons não pareados. No entanto, o metano é uma molécula comum e estável, com quatro ligações equivalentes de C-H. Para explicar isto, um dos elétrons 2s é promovido para o orbital vazio 2p (ver Figura 2 abaixo).

Figure 2. Promoção do elétron s de carbono para o orbital p vazio.

Agora, quatro ligações são possíveis. A promoção do elétron “custa” uma pequena quantidade de energia, mas lembre-se que o processo de formação da ligação é acompanhado por uma diminuição da energia. As duas ligações extra que agora se podem formar resultam numa menor energia global e, portanto, numa maior estabilidade para a molécula CH 4. O carbono normalmente forma quatro ligações na maioria dos seus compostos.

O número de ligações está agora correcto, mas a geometria está errada. As três orbitais p (px , py, pz) estão orientadas a 90 o em relação umas às outras. Entretanto, como foi visto pela teoria VSEPR, o ângulo de ligação H-C-H observado na molécula tetraédrica CH 4 é na verdade 109,5 o . Portanto, a molécula de metano não pode ser adequadamente representada pela simples sobreposição das orbitais de carbono 2s e 2p com as orbitais de 1s de cada átomo de hidrogênio.

Para explicar a ligação em metano, é necessário introduzir o conceito de hibridação e orbitais atômicos híbridos. Hibridação é a mistura das orbitais atômicas em um átomo para produzir um conjunto de orbitais híbridos. Quando ocorre a hibridação, ela deve fazê-lo como resultado da mistura de orbitais não equivalentes. Em outras palavras, s e p orbitais podem hibridizar, mas p orbitais não podem hibridizar com outros orbitais p. Os orbitais híbridos são os orbitais atômicos obtidos quando dois ou mais orbitais não equivalentes formam o mesmo átomo combinado em preparação para a formação da ligação. No caso atual do carbono, a orbital simples de 2s hibridiza com as três orbitais de 2p para formar um conjunto de quatro orbitais híbridos, chamados sp 3 híbridos (ver Figura 3 abaixo).

Figure 3. Orbitais híbridos de carbono sp3.

Os sp 3 híbridos são todos equivalentes uns aos outros. Espacialmente, os orbitais híbridos apontam para os quatro cantos de um tetraedro.

Figure 4.

O processo de hibridação sp3 é a mistura de um orbital s com um conjunto de três orbitais p para formar um conjunto de quatro orbitais híbridos sp 3. Cada lóbulo grande das orbitais híbridas aponta para um canto de um tetraedro. Os quatro lóbulos de cada um dos sp 3 orbitais híbridos sobrepõem-se então aos orbitais normais não hibridizados de 1s de cada átomo de hidrogênio para formar a molécula tetraédrica de metano.

Glossário

Hybrid Orbitals – sp e sp 2

sp Hibridação

Uma molécula de hidreto de berílio (BeH 2 ) está prevista para ser linear por VSEPR. O átomo de berílio contém todos os elétrons emparelhados e, portanto, também deve ser submetido à hibridação. Um dos elétrons 2s é primeiramente promovido para o 2p x orbital vazio (ver figura abaixo).

Figure 5. Promoção do elétron Be 2s.

Agora a hibridação ocorre apenas com os orbitais ocupados e o resultado é um par de orbitais híbridos sp. As duas orbitais p restantes ( p y e p z ) não hibridizam e permanecem desocupadas (ver Figura 6 abaixo).

Figure 6. Ser orbitais híbridos.

A geometria dos orbitais híbridos sp é linear, com os lobos dos orbitais apontando em direções opostas ao longo de um eixo, arbitrariamente definido como o eixo x (ver Figura 7). Cada um pode se ligar com um orbital de 1s de um átomo de hidrogênio para formar a molécula linear BeH 2.

Figure 7. O processo de hibridação sp é a mistura de um s orbital com um único p orbital (o pxorbital por convenção), para formar um conjunto de dois sp híbridos. Os dois lóbulos dos sp híbridos apontam um para o outro para produzir uma molécula linear.

Outras moléculas cuja geometria do domínio dos electrões é linear e para as quais a hibridação é necessária formam também os orbitais dos sp híbridos. Exemplos incluem CO2 e C2H2, que serão discutidos mais tarde.

sp 2 Hibridação

Trifluoreto de boro (BF 3 ) está previsto para ter uma geometria planar trigonal por VSEPR. Primeiro um elétron pareado de 2s é promovido para o orbital vazio 2p y (ver Figura 8).

Figure 8. Promoção do elétron 2s.

Esta é seguida pela hibridação dos três orbitais ocupados para formar um conjunto de três sp 2 híbridos, deixando o orbital 2p z não hibridizado (ver Figura 9).

Figure 9. Formação do orbital sp2.

A geometria dos orbitais híbridos sp 2 é planar trigonal, com os lobos dos orbitais apontando para os cantos de um triângulo (ver Figura 9). O ângulo entre quaisquer dois dos lóbulos orbitais híbridos é de 120°. Cada um pode ligar-se com um orbital de 2 p de um átomo de flúor para formar a molécula trigonal plana BF 3.

Figure 9.

O processo de hibridação sp2 é a mistura de um orbital s com um conjunto de dois orbitais p (p x e p y ) para formar um conjunto de três orbitais híbridos sp 2. Cada lóbulo grande dos orbitais híbridos aponta para um canto de um triângulo planar.

Outras moléculas com uma geometria de domínio do electrão trigonal planar formam os orbitais híbridos sp 2. O ozono (O 3 ) é um exemplo de uma molécula cuja geometria do domínio dos electrões é planar trigonal, embora a presença de um par solitário no oxigénio central faça a geometria molecular dobrar. A hibridização do átomo central O de ozono é sp 2 .