A hibridização química é a "mistura" dos orbitais atômicos, cujo conceito foi introduzido pelo químico Linus Pauling em 1931 para cobrir imperfeições da teoria da ligação de valência (TEV). Quais imperfeições? São eles: geometrias moleculares e comprimentos de ligação equivalentes em moléculas como o metano (CH 4).
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 em um ângulo de 135º em relação aos outros três H. No entanto, experimentalmente foi descoberto que os ângulos em CH 4 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 Sp
Para o caso de CH 4, a hibridização de C é sp 3. A partir desta abordagem, a geometria molecular é explicada com quatro orbitais sp 3 separados a 109,5º e apontando para os vértices de um tetraedro.
Na imagem acima, você pode ver como os orbitais sp 3 (verdes) estabelecem um ambiente eletrônico tetraédrico ao redor do átomo (A, que é C para CH 4).
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 de CH 4 pode ser representada 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 sp 3.
Consequentemente, pode ser assumido que em outros compostos orgânicos como CH 3 OH, CCl 4, C (CH 3) 4, C 6 H 12 (ciclohexano), etc., o carbono tem hibridização sp 3.
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 sp 3 implicam que eles foram originados por quatro orbitais: um se três p.
Como a combinação desses orbitais atômicos é considerada ideal, os quatro orbitais sp 3 resultantes são idênticos e ocupam orientações diferentes no espaço (como nos orbitais p x, p 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 que são combinados. Por exemplo, orbitais híbridos sp 3 d 2 são formados a partir de 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 sp 3 (em verde), e também os pares de elétrons não compartilhados ":" ocupam esses orbitais.
As repulsões desses pares de elétrons costumam ser 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.
Que geometria então o H 2 O tem? 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 Sp
Quando um átomo combina dois orbitais p e um s, ele gera três orbitais híbridos sp 2; entretanto, um orbital p permanece inalterado (porque existem três deles), que é representado como uma barra laranja na imagem superior.
Aqui, todos os três orbitais sp 2 são coloridos de verde para destacar sua diferença em relação à barra laranja: o orbital p "puro".
Um átomo com hibridização sp 2 pode ser visualizado como um fundo trigonal plano (o triângulo desenhado com os orbitais sp 2 coloridos de 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 sp 2 permitem a formação de três ligações σ, enquanto o orbital p puro uma ligação π (uma ligação dupla ou tripla envolve uma ou duas ligações π).
Por exemplo, para desenhar o grupo carbonil e a estrutura da molécula de formaldeído (H 2 C = O), proceda da seguinte forma:
Os orbitais sp 2 de C e O formam uma ligação σ, enquanto seus orbitais puros formam uma ligação π (o retângulo laranja).
Pode-se observar como os demais 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 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 anterior (= 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 (BAB). Por fim, na imagem abaixo pode-se observar a estrutura do ânion cianeto:
Referências
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- Richard C. Banks. (Maio de 2002). Ligação e hibridização. Obtido em 24 de maio de 2018, em: chemical.boisestate.edu
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- Dr. Ian Hunt. Departamento de Química da Universidade de Calgary. hibridização sp3. Obtido em 24 de maio de 2018, em: chem.ucalgary.ca
- Ligação Química II: Geometria Molecular e Hibridização de Orbitais Atômicos Capítulo 10.. Obtido em 24 de maio de 2018, em: wou.edu
- Quimitube. (2015). Ligação covalente: introdução à hibridização orbital atômica. Obtido em 24 de maio de 2018, em: quimitube.com
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição., P. 51). Mc Graw Hill.