Hibridização química: sp, sp2, sp3 - Ciência - 2023

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o hibridização química é a "mistura" de orbitais atômicos, cujo conceito foi introduzido pelo químico Linus Pauling em 1931 para cobrir as imperfeições da Teoria do Vínculo de Valência (TEV). Quais imperfeições? São eles: geometrias moleculares e comprimentos de ligação equivalentes em moléculas como o metano (CH₄).

De acordo com o TEV, no metano os orbitais atômicos C formam quatro ligações σ com quatro átomos de H. Os orbitais 2p, com formas ∞ (imagem inferior) de C são perpendiculares entre si, então o H deve ser alguns de outros em um ângulo de 90º.

Além disso, o orbital 2s (esférico) de C liga-se ao orbital 1s de H a um ângulo de 135º em relação aos outros três H. No entanto, experimentalmente foi descoberto que os ângulos em CH₄ São 109,5º e que, além disso, os comprimentos das ligações C - H são equivalentes.

Para explicar isso, uma combinação dos orbitais atômicos originais deve ser considerada para formar quatro orbitais híbridos degenerados (de energia igual). Aqui a hibridização química entra em jogo. Como são os orbitais híbridos? Depende dos orbitais atômicos que os geram. Além disso, eles exibem uma mistura de suas características eletrônicas.

Hibridização Sp³

No caso de CH₄, a hibridização de C é sp³. A partir desta abordagem, a geometria molecular é explicada com quatro orbitais sp³ 109,5º de distância e apontando para os vértices de um tetraedro.

Na imagem acima você pode ver como os orbitais sp³ (colorido em verde) estabelece um ambiente eletrônico tetraédrico em torno do átomo (A, que é C para CH₄).

Por que 109,5º e não outros ângulos, para "desenhar" uma geometria diferente? A razão é porque este ângulo minimiza as repulsões eletrônicas dos quatro átomos que se ligam a A.

Assim, a molécula CH₄ pode ser representado como um tetraedro (geometria molecular tetraédrica).

Se, em vez de H, C formasse ligações com outros grupos de átomos, qual seria então sua hibridização? Enquanto o carbono formar quatro ligações σ (C - A), sua hibridização será sp³.

Consequentemente, pode ser assumido que em outros compostos orgânicos, como CH₃OH, CCl₄, C (CH₃)₄, C₆H₁₂(ciclohexano), etc., o carbono tem hibridização sp³.

Isso é essencial para esboçar estruturas orgânicas, onde carbonos de ligação simples representam pontos de divergência; ou seja, a estrutura não permanece em um único plano.

Interpretação

Qual é a interpretação mais simples para esses orbitais híbridos sem abordar os aspectos matemáticos (as funções de onda)? Os orbitais sp³ implica que eles foram originados por quatro orbitais: um se três p.

Como a combinação desses orbitais atômicos é considerada ideal, os quatro orbitais sp³ Os resultados são idênticos e ocupam orientações diferentes no espaço (como nos orbitais p_x, p_Y E P_z).

O acima é aplicável para o resto das hibridizações possíveis: o número de orbitais híbridos que é formado é o mesmo que o dos orbitais atômicos combinados. Por exemplo, orbitais híbridos sp³d² Eles são formados por seis orbitais atômicos: um s, três p e dois d.

Desvios do ângulo de ligação

De acordo com a Teoria de Repulsão do Par Eletrônico Valencia Shell (RPECV), um par de elétrons livres ocupa mais volume do que um átomo ligado. Isso faz com que os links se afastem, reduzindo a tensão eletrônica e desviando os ângulos de 109,5º:

Por exemplo, na molécula de água, os átomos de H estão ligados aos orbitais sp³ (em verde), e também os pares não compartilhados de elétrons ":" ocupam esses orbitais.

As repulsões desses pares de elétrons são geralmente representadas como “dois globos com olhos”, que, devido ao seu volume, repelem as duas ligações σ O - H.

Assim, na água os ângulos de ligação são na verdade 105º, em vez dos 109,5º esperados para a geometria tetraédrica.

Qual geometria então tem o H₂OU? Possui uma geometria angular. Por quê? Porque embora a geometria eletrônica seja tetraédrica, dois pares de elétrons não compartilhados a distorcem em uma geometria molecular angular.

Hibridização Sp²

Quando um átomo combina dois orbitais p e um s, ele gera três orbitais sp híbridos²; entretanto, um orbital p permanece inalterado (porque há três deles), que é representado como uma barra laranja na imagem superior.

Aqui, os três orbitais sp² eles são coloridos de verde para destacar sua diferença em relação à barra laranja: o orbital p "puro".

Um átomo com hibridização sp² pode ser visualizado como um fundo plano trigonal (o triângulo desenhado com os orbitais sp² verde), com seus vértices separados por ângulos de 120º e perpendiculares a uma barra.

E que papel desempenha o orbital p puro? O de formar uma ligação dupla (=). Os orbitais sp² permitem a formação de três ligações σ, enquanto o orbital p puro uma ligação π (uma ligação dupla ou tripla implica uma ou duas ligações π).

Por exemplo, para desenhar o grupo carbonil e a estrutura da molécula de formaldeído (H₂C = O), continua da seguinte forma:

Os orbitais sp² C e O formam uma ligação σ, enquanto seus orbitais puros formam uma ligação π (o retângulo laranja).

Pode-se ver como o resto dos grupos eletrônicos (átomos de H e os pares de elétrons não compartilhados) estão localizados nos outros orbitais sp.², separados por 120º.

Hibridização Sp

Na imagem superior, um átomo A com hibridização sp é ilustrado. Aqui, um orbital s e um orbital p se combinam para dar origem a dois orbitais sp degenerados. No entanto, agora dois orbitais p puros permanecem inalterados, o que permite que A forme duas ligações duplas ou uma ligação tripla (≡).

Em outras palavras: se em uma estrutura um C está de acordo com o acima (= C = ou C≡C), então sua hibridização é sp. Para outros átomos menos ilustrativos - como metais de transição - a descrição das geometrias eletrônicas e moleculares é complicada porque os orbitais d e até f também são considerados.

Os orbitais híbridos são separados em um ângulo de 180º. Por esta razão, os átomos ligados estão dispostos em uma geometria molecular linear (B-A-B). Por fim, na imagem abaixo pode-se observar a estrutura do ânion cianeto:

Referências

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