Orbitais híbridos sp 2

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 2. 02. CdBr 2. 03. BCl 3. 04. GaCl 3. 05. TiCl 4. 06. SF 6. 07. PF 5. 08. XeOF 4. 09. XeOF 2. 10. XeO 4. 11. XeF 4. 12. MoCl 5. 13. B(CH 3) 3. 14. CCl 4. 15. TaCl 5. 16. SbF 6 -. 17. (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

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 4. 20. (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, 1858. 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 104. 12

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 2. 24. (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

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 C2. 27. (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

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 6. 40. ( ) 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

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

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 3. 29. 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