Orbitais híbridos sp 2

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1 Hibridização Para entendermos o que é hibridização (também chamada de hibridação) ou um orbital híbrido nós estudaremos a molécula do metano (CH 4). A estrutura do metano experimentalmente é tetraédrica. Mas como podemos chegar a ela usando os orbitais s e p do carbono? Podemos responder a esta pergunta dizendo que o conjunto dos orbitais s e p do estado fundamental do carbono é substituído por outro conjunto que é apropriado para a formação de quatro ligações covalentes, cada uma dirigida para os vértices de um tetraedro. Para entendermos melhor o CH 4 vamos estudar as ligações feitas pelo berílio e pelo boro. Orbitais híbridos sp O berílio (Z = 4) forma com o hidrogênio um composto que a altas temperaturas existe como moléculas BeH 2. A configuração eletrônica do berílio no estado fundamental (neutro) é: Be (Z = 4): 1s 2 2s 2 2p 0 Verificamos que as duas ligações no BeH 2 estão orientadas a 180 o uma da outra; Istoé, a molécula é linear. Mas como isso é possível? Quando o átomo de berílio forma as suas duas ligações, seus orbitais 2s e um dos 2p são substituídos por um par de orbitais novos e esses novos orbitais, híbridos, são usados para a ligação. Observe: Átomo no estado fundamental: 1s 2 2s 2 2p 0 O orbital sp do berílio se sobrepõe ao 1s do hidrogênio par produzir duas ligações no mesmo eixo (chamadas de sigma (σ)), resultando uma molécula linear. Orbitais híbridos sp 2 Outras combinações de orbitais podem estar envolvidas na hibridização. O boro (Z = 5) usa seus orbitais 2s e dois orbitais 2p pra formar um conjunto de três orbitais híbridos equivalentes chamados sp 2, veja a seguir. 1

2 Átomo no estado fundamental: 1s 2 2s 2 2p 1 Cada um dos orbitais híbridos sp 2 se sobrepõe a um orbital 1s do átomo de H, o resultado é uma molécula de hidreto de boro ou borato (BH 3). Veja como fica o átomo ligado: Esta molécula tem uma estrutura planar na qual cada H ocupa os vértices de um triângulo eqüilátero: O BH 3 é uma molécula de vida curta em certas reações químicas. Orbitais híbridos sp 3 No metano (CH 4), o átomo de carbono usa o orbital 2s e os três orbitais 2p para formar quatro orbitais híbridos sp 3. Átomo no estado fundamental: 1s 2 2s 2 2p 2 2

3 Esses orbitais são muito semelhantes aos híbridos sp e sp 2, mas eles estão dirigidos para os vértices de um tetraedro regular. Isto está de acordo com a forma tetraédrica da molécula CH 4. A molécula de amônia (NH 3 ) Existem muitas moléculas pequenas nas quais a ligação fica mais bem descrita em termos de orbitais híbridos sp 3, este é o caso da amônia e iremos analisa-lo agora. N (Z= 7). Átomo no estado fundamental: 1s 2 2s 2 2p 3 Neste caso, como o nitrogênio tem um elétron a mais do que o carbono, somente três dos seus orbitais híbridos sp 3 são acessíveis para formar ligações com os átomos de hidrogênio. Um dos quatro orbitais contém um par isolado: Entretanto, o NH 3 tem uma forma geométrica semelhante à do CH 4, exceto pela perda de um átomo de hidrogênio. Observe a figura que mostra a repulsão do par isolado - par compartilhado em NH 3. 3

4 Como podemos observar os ângulos entre as ligações N H são de 107,3 o, um pouco menores do que o ângulo tetraédrico de 109,5 o. Isto é resultado da repulsão entre o par eletrônico isolado e os três pares compartilhados. A nuvem eletrônica do par isolado é mais difusa, esparramada em um espaço maior do que o par compartilhado, que está mais fortemente comprimido na região entre os átomos ligados. O volume da nuvem eletrônica do par isolado é grande e isto implica no fato de que as repulsões par isolado par compartilhado sejam maiores do que as repulsões par compartilhado par compartilhado, no NH 3. O resultado é a aproximação dos pares compartilhados e assim os átomos H ajustam suas posições para uma melhor sobreposição. A molécula de água (H 2 O) As ligações na água são semelhantes àquelas na amônia (NH 3). Os quatro orbitais da camada de valência do oxigênio (Z = 8) hibridizam. Átomo no estado fundamental: 1s 2 2s 2 2p 4 Os quatro orbitais sp 3 são ocupados por dois pares de elétrons isolados e dois pares compartilhados. A estrutura resultante é descrita como angular. Na molécula H 2O há um fechamento ainda maior do ângulo tetraédrico, 109,5 o, que o de NH 3, isto é resultado da existência de dois pares de elétrons isolados na H 2O. O ângulo medido na molécula H 2O entre as duas ligações é de somente 104,5 o. Outros conjuntos de orbitais híbridos Existem outras possibilidades de mistura de orbitais atômicos puros para formar conjuntos de orbitais híbridos. O mais importante desses é a hibridização de um orbital s, três orbitais p e dois orbitais d. Se os orbitais d pertencem à camada (n 1) do átomo, os híbridos são chamados de d 2 sp 3. Se eles são da mesma camada de valência, isto é, se eles apresentam o mesmo número quântico principal dos orbitais s e p, então eles são chamados orbitais sp 3 d 2. Em ambos os casos, esses orbitais têm os lobos principais dirigidos para os vértices de um octaedro regular, um sólido com oito lados que tem faces triangulares eqüilaterais idênticas. É evidente que com tal 4

5 hibridização a camada de valência do átomo central foi expandida a 12 elétrons. Orbitais octaédricos híbridos são usados na estrutura do hexafluoreto de enxofre, SF 6. Observe a seguir o átomo de enxofre S (Z = 16). Átomo no estado fundamental: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 3d 0 Átomo hibridizado: Átomo ligado: Observe a geometria octaédrica: Vamos ver agora como achar os orbitais híbridos no átomo central e a geometria molecular (incluindo os ângulos de ligação) de algumas moléculas. 1) XeOF 4 Xe (Z = 54): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 Xe (camada de valência): 5

6 Geometria: pirâmide de base quadrada 2) XeOF 2 Xe (camada de valência): Geometria: forma de T em cunha 3) XeO 4 Xe (camada de valência): 6

7 Geometria: tetraédrica 4) XeF 4 Xe (camada de valência): Geometria: quadrada Observe a orientação dentro do octaedro: 7

8 5) PCl 5 P (camada de valência): Geometria: bipirâmide trigonal 6) B(CH 3) 3 B (camada de valência): Geometria: Triangular ou trigonal plana 8

9 7) CCl 4 C (camada de valência): Geometria: tetraédrica 8) CdBr 2 Cd (Z= 48, camada de valência): Geometria: Linear 9

10 9) GaI 3 Ga (Z = 31, camada de valência): Geometria: trigonal plana ou triangular Exercícios Utilize a tabela periódica quando for necessário. 10

11 O enunciado a seguir se refere aos exercícios de 01 a 16. Dê a hibridização do átomo central e a geometria dos seguintes compostos. 01. BeCl CdBr BCl GaCl TiCl SF PF XeOF XeOF XeO XeF MoCl B(CH 3) CCl TaCl SbF (Ita) Em relação ao paracetamol, que é um analgésico muito consumido, cuja fórmula é: a) Quais os grupos funcionais presentes no paracetamol? b) Quais os tipos de hibridização de cada um dos oito átomos de carbono do paracetamol? c) Quantas e quais são as ligações sigma e pi presentes no paracetamol? Sugestão: Suas respostas ficarão mais apropriadas se você redesenhar a fórmula, numerar os carbonos, etc. 18. (Unesp) Para as moléculas de SiH 4 e de etino (C 2H 2) pede-se: a) representar as estruturas de Lewis; b) indicar para cada molécula os tipos de ligação e de hibridização existentes. (Números atômicos: H = 1; C = 6; Si = 14). 19. (Ufes) O lanosterol é um intermediário na biossíntese do colesterol, um importante precursor de hormônios humanos e constituinte vital de membranas celulares. 11

12 Os números de carbono terciários e quaternários com hibridização sp 3 e o número de elétrons π existentes na molécula do lanosterol são, respectivamente, a) 2, 4 e 2. b) 2, 4 e 4. c) 3, 3 e 2. d) 3, 4 e 2. e) 3, 4 e (Ufes) O chá da planta 'Bidens pilosa', conhecida vulgarmente pelo nome de picão, é usado para combater icterícia de recém-nascidos. Das folhas dessa planta, é extraída uma substância química, cujo nome oficial é 1-fenilepta-1,3,5-triino e cuja estrutura é apresentada a seguir. Essa substância possui propriedades antimicrobianas e, quando irradiada com luz ultravioleta, apresenta atividade contra larvas de mosquitos e nematóides. Sobre a estrutura dessa substância, pode-se afirmar que a) possui 12 átomos de carbono com hibridização sp 2. b) possui 12 ligações œ carbono-carbono. c) não possui carbonos com hibridização sp 3. d) possui 3 átomos de carbono com hibridização sp. e) possui 9 ligações π carbono-carbono. 21. (Ufg) "... o carbono é tetravalente." A. Kekulé, A distribuição eletrônica do carbono, no estado fundamental, entretanto, mostra que ele é bivalente. Para que o carbono atenda ao postulado de Kekulé, ele sofre a) ressonância. b) isomeria. c) protonação. d) hibridização. e) efeito indutivo. 22. (Ufpr) A resina uréia/formaldeído possui várias aplicações industriais importantes, as mais comuns na forma de impermeabilizantes e adesivo para madeiras. Com base na parte da estrutura da resina uréia/formaldeído abaixo, desconsiderando tensões estruturais, identifique a hibridização e os ângulos de ligação que o carbono da carbonila e o nitrogênio apresentam. Números atômicos: C = 6 e N = 7. Assinale a alternativa correta. a) C = sp 2 e 120 ; N = sp 2 e 120. b) C = sp 3 e 109 ; N = sp 2 e 120. c) C = sp e 180 ; N = sp 3 e 104. d) C = d 2 sp 3 e 90 ; N = sp 2 e 120. e) C = sp 2 e 120 ; N = sp 3 e

13 23. (Ufrrj) O acetileno, ou etino, pode ser obtido através do tratamento do carbureto de cálcio com água, sendo este um importante método industrial para produção deste alcino, conforme demonstra a equação a seguir. Os tipos de ligações químicas e a hibridização dos átomos de carbono presentes na estrutura do acetileno correspondem a a) 3 ligações σ e 2 ligações π; carbonos com hibridização sp. b) 5 ligações σ; carbonos com hibridização sp. c) 2 ligações σ e 3 ligações π; carbonos com hibridização sp 2. d) 3 ligações π e 2 ligações σ; carbonos com hibridização sp 3. e) 5 ligações π; carbonos com hibridização sp (Ufv) A vitamina B 6, de grande ocorrência em tecidos animais e vegetais, consiste em uma mistura de piridoxina (I), piridoxal (II) e piridoxamina (III), que são substâncias naturais derivadas da piridina. Assinale a afirmativa CORRETA: a) II apresenta seis átomos de carbono com hibridização sp 2. b) I, II e III apresentam um átomo de carbono com hibridização sp. c) II e III apresentam três átomos de carbono com hibridização sp 3. d) III apresenta dois átomos de nitrogênio ligados a carbonos sp 2. e) I e II e III são isômeros. Observação: Isômeros = compostos diferentes que apresentam a mesma fórmula molecular. 25. (Ita) Em relação a estrutura eletrônica do tetrafluoreto de carbono, assinale a opção que contém a afirmativa ERRADA: a) Em torno do átomo de carbono tem-se um octeto de elétrons. b) Em torno de cada átomo de flúor tem-se um octeto de elétrons. c) A molécula é apolar, embora contenha ligações polares entre átomos. d) A molécula contém um total de 5.8 = 40 elétrons. e) Os ângulos das ligações flúor-carbono-flúor são consistentes com a hibridização sp 3 do carbono. 26. (Ufrs) O propeno, a seguir representado, é um hidrocarboneto insaturado, constituindo-se em matéria-prima importante para a fabricação de plásticos. 13

14 Sobre esse composto, podemos afirmar que a) os carbonos C1 e C2 apresentam hibridização sp, enquanto o carbono C3 apresenta hibridização sp 3. b) a ligação entre os carbonos C2 e C3 é do tipo sigma (σ) e resulta da combinação entre um orbital atômico p puro e um orbital atômico híbrido sp 3. c) o ângulo de ligação θ entre os hidrogênios do carbono C1 é de 109,5. d) a ligação dupla entre os carbonos C1 e C2 é constituída por uma ligação pi (π) e uma ligação sigma (σ). e) a ligação entre os carbonos C2 e C3 é mais curta que a ligação entre os carbonos C1 e C (Ufv) A ingestão acidental de tolueno pode levar a manifestações sistêmicas caracterizadas por estímulo do sistema nervoso central, seguido de depressão, tontura e náuseas. A equação abaixo representa um dos processos de biotransformação do tolueno no organismo humano pela ação da enzima citocromo P-450. Assinale a afirmativa INCORRETA: a) As forças intermoleculares no tolueno são mais fracas que as forças no ácido benzóico. b) O tolueno e o ácido benzóico apresentam carbonos com hibridização sp 2 e sp 3. c) O ácido benzóico apresenta maior temperatura de fusão que o tolueno. d) O ácido benzóico será mais solúvel em água que o tolueno. e) As moléculas de ácido benzóico formam ligações de hidrogênio entre si. 28. (Ufrrj) Uma das várias seqüelas causadas por níveis elevados de glicose no sangue de pacientes diabéticos que não seguem o tratamento médico adequado envolve o aumento da concentração de sorbitol nas células do cristalino ocular, que pode levar à perda da visão. Com base na transformação mostrada na equação a seguir, na qual os átomos de carbono da estrutura da glicose encontram-se numerados, responda: a) Qual função orgânica diferencia a glicose do sorbitol? b) Qual a hibridização dos átomos de carbono 1 e 6 da glicose? 29. (Ita) Considere as seguintes espécies no estado gasoso: BF 3, SnF 3 -, BrF 3, KrF 4 e BrF 5. Para cada uma delas, qual é a hibridização do átomo central e qual o nome da geometria molecular? 30. (Ufpr) Usando o método da ligação de valência e a teoria da hibridização, explique a estrutura da molécula de HCN, caracterizando o tipo das ligações químicas entre os átomos, os ângulos entre as ligações e, quando houver, a hibridização apresentada pelos átomos da molécula. 14

15 31. (Ufpb) Uma das substâncias líquidas cristalinas mais eficientes, empregadas na produção de Visores de Cristal Líquido (LCD), é o composto Em relação a esse composto, é INCORRETO afirmar: a) A fórmula molecular é C 18H 29N. b) O número de átomos de carbono primário, secundário e terciário é, respectivamente, 2, 12 e 4. c) O número de átomos de carbono com hibridização sp 3, sp 2 e sp é, respectivamente, 15, 2 e 1. d) O número de ligações pi (π) é igual a 3. e) Apenas os átomos de carbono terciários possuem geometria tetraédrica. O enunciado a seguir se refere aos exercícios de 32 a 40. Coloque F (falso) ou V (verdadeiro) para as afirmações a seguir. 32. ( ) Quando o átomo de berílio forma as suas duas ligações, seus orbitais 2s e um dos 2p são substituídos por um par de orbitais novos e esses novos orbitais, híbridos, são usados para a ligação. 33. ( ) Quando cada um dos orbitais híbridos sp 3 se sobrepõe a um orbital 1s do átomo de H, o resultado é uma molécula de hidreto de boro ou borato (BH 3). 34. ( ) Existem muitas moléculas pequenas nas quais a ligação fica mais bem descrita em termos de orbitais híbridos sp 3, este é o caso da amônia (NH 2). 35. ( ) As ligações na água são semelhantes àquelas na amônia (NH 3). Os quatro orbitais da camada de valência do oxigênio (Z = 8) hibridizam. 36. ( ) O ângulo medido na molécula H 2O entre as duas ligações é de somente 104,5 o. 37. ( ) Na molécula H 2O há uma abertura ainda maior do ângulo tetraédrico, 109,5 o, que o de NH 3, isto é resultado da existência de dois pares de elétrons isolados na H 2O. 38. ( ) Existem outras possibilidades de mistura de orbitais atômicos puros para formar conjuntos de orbitais híbridos. O mais importante desses é a hibridização de um orbital s, três orbitais p e dois orbitais d. Se os orbitais d pertencem à camada (n 1) do átomo, os híbridos são chamados de d 2 sp 3. Se eles são da mesma camada de valência, isto é, se eles apresentam o mesmo número quântico principal dos orbitais s e p, então eles são chamados orbitais sp 3 d 2. Em ambos os casos, esses orbitais têm os lobos principais dirigidos para os vértices de um octaedro regular, um sólido com oito lados que tem faces triangulares eqüilaterais idênticas. 39. ( ) Orbitais octaédricos híbridos são usados na estrutura do hexafluoreto de enxofre, SF ( ) Apenas elementos representativos sofrem hibridização. Respostas 01. BeCl 2: sp linear. 02. CdBr 2: sp linear. 03. BCl 3: sp 2 trigonal plana ou triangular. 15

16 04. GaCl 3: sp 2 trigonal plana ou triangular. 05. TiCl 4: sp 3 tetraédrica. 06. SF 6: sp 3 d 2 octaédrica. 07. PF 5: sp 3 d bipirâmide de base triangular. 08. XeOF 4: sp 3 d 2 pirâmide de base quadrada. 09. XeOF 2: sp 3 d forma de T em cunha. 10. XeO 4: sp 3 tetraédrica. 11. XeF 4: sp 3 d 2 quadrada. 12. MoCl 5: dsp 3 bipirâmide de base triangular. 13. B(CH 3) 3: sp 2 trigonal plana ou triangular. 14. CCl 4: sp 3 tetraédrica. 15. TaCl 5: dsp 3 bipirâmide de base triangular. 16. SbF 6 -: sp 3 d 2 octaédrica. 17. a) - OH ligado ao anel benzênico (fenol). b) e c) Observe as figuras a seguir: 16

17 18. Observe a figura a seguir: Professora Sonia 19. E 20. E 21. D 22. E 23. A 24. A 25. D 26. D 27. B 28. a) A função aldeído. b) Carbono 1: sp 2 ; carbono 6: sp BF 3 24 elétrons = 12 pares de elétrons. 3 pares de elétrons no átomo central: hibridização sp 2. Geometria molecular: trigonal plana ou triangular. SnF 3-26 elétrons = 13 pares de elétrons. 4 pares de elétrons: hibridização sp 3. Geometria molecular: piramidal. BrF 3 28 elétrons = 14 pares de elétrons. 5 pares de elétrons: hibridização sp 3 d. Geometria molecular: forma de T, em forma de T em cunha ou trigonal plana. KrF 4 36 elétrons = 18 pares de elétrons. 6 pares de elétrons: hibridização sp 3 d 2. Geometria molecular: quadrado planar. BrF 5 42 elétrons = 21 pares de elétrons. 6 pares de elétrons: hibridização sp 3 d 2. Geometria molecular: pirâmide de base quadrada. 30. Teremos: 31. Alternativa E. 32. V 33. F 34. V 35. V 36. V 37. F 38. V 39. V 40. F 17