Hibridização e geometria molecular

Tipos de ligações químicas: σ e π

A estrutura espacial da molécula depende em grande parte de como as nuvens eletrônicas dos átomos se sobrepõem durante a formação de ligações químicas.

• A ligação $\_sigma$ (ligação sigma) ocorre através da sobreposição de orbitais ao longo do eixo que conecta os núcleos dos átomos. Pode ser formada pela interação de dois orbitais $s$ ($H_2$), orbitais $s$ e $p$ ($HCl$) ou dois orbitais $p$ ($Cl_2$).
• A ligação $\_pi$ (ligação pi) é formada pela sobreposição lateral de orbitais $p$ não hibridizados ($p_y$ ou $p_z$) acima e abaixo do plano da ligação. Isso ocorre quando o espaço no eixo entre os núcleos já está ocupado por uma ligação $\_sigma$.

O número de ligações $\_pi$ determina a multiplicidade da ligação: uma ligação dupla consiste em uma ligação $\_sigma$ e uma $\_pi$, enquanto uma ligação tripla consiste em uma $\_sigma$ e duas $\_pi$. A presença de ligações $\_pi$ aumenta significativamente a estabilidade da molécula (por exemplo, no nitrogênio $N_2$ com ligação tripla, a energia chega a 946 kJ/mol).

Principais tipos de hibridização

Dependendo do número de orbitais envolvidos, existem três tipos principais de hibridização, característicos, por exemplo, do átomo de carbono:

1. Hibridização $sp$. Um orbital $s$ e um $p$ se misturam. Dois orbitais híbridos idênticos são formados, estendendo-se emdireções opostas. O ângulo entre eles é de 180°, o que define a geometria linear (exemplos incluem acetileno $C_2H_2$ e dióxido de carbono $CO_2$). Os dois orbitais $p$ não híbridos restantes podem formar duas ligações $\_pi$.
2. Hibridização $sp^2$. Um orbital $s$ e dois $p$ estão envolvidos. Surgem três orbitais híbridos, situados no mesmo plano a um ângulo de 120° entre si. A estrutura da molécula é planar (exemplo — etileno $C_2H_4$). O orbital $p$ perpendicular restante forma uma ligação $\_pi$.
3. Hibridização $sp^3$. Inclui um orbital $s$ e todos os três orbitais $p$ do mesmo nível. O resultado são quatro orbitais híbridos direcionados para os vértices de um tetraedro em ângulos iguais de 109,5°. A molécula possui estrutura tetraédrica (exemplos — metano $CH_4$ ou cristal de diamante).

Casos especiais: ligação sem hibridização e elementos d

Nem todas as moléculas são formadas com hibridização. Em alguns átomos (como enxofre e fósforo) no estado fundamental, há elétrons $p$ desemparelhados na camada externa, localizados em orbitais $p$ mutuamente perpendiculares.

Na formação de compostos de hidrogênio com fósforo (fosfina $PH_3$) e enxofre (ácido sulfídrico $H_2S$), as ligações químicas são formadas por orbitais $p$ puros e não hibridizados. Como os orbitais $p$ originais estão a um ângulo de 90° entre si, os ângulos de valência nessas moléculas são próximos de ângulos retos (cerca de 93°).

Nos metais do bloco $d$, os orbitais $d$ também são de valência. Se dois orbitais $d$, um $s$ e três $p$ participam da hibridização (tipo de hibridização $d^2sp^3$), formam-se 6 orbitais híbridos direcionados aos vértices de um octaedro. Isso é típico de compostos de coordenação octaédricos.

Questões de aulas e exames

O que mais estudar sobre o tema

• Estrutura eletrônica dos átomos de fósforo e enxofre no estado fundamental
• Esquema de formação de ligações na molécula de acetileno (C2H2)
• Efeito de ligações múltiplas na energia da molécula (usando nitrogênio, oxigênio e flúor como exemplos)
• Sobreposição de orbitais na formação de compostos de coordenação de metais do bloco d

Outros tópicos da seção "Capítulo 5. Estrutura da matéria"

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