Hibridização do carbono

1

LIGAÇÕES QUÍMICAS

GEOMETRIA MOLECULAR

HIBRIDIZAÇÃO

Linus Pauling

2

Geometria molecular

• O arranjo tri-dimensional dos átomos em uma molécula geometria molecular

• A teoria da repulsão dos pares de elétrons (ligantes e não-ligantes) procura explicar o arranjo dos átomos numa molécula.

3

Teoria da repulsão dos elétrons

• Elétrons são partículas carregadas negativamente, portanto se repelem mutuamente.

• Os elétrons ocuparão posições tais que minimizem os efeitos de suas repulsões (ocupando regiões o mais afastado possível uns dos outros).

• Num átomo os elétrons ocupam determinados espaços chamados orbitais (máximo 2e- num orbital).

• Tipos de orbitais mais comuns: orbitais s ; p ;

4

REVENDO O ORBITAL sFORMA DOS ORBITAIS

orbital s

x

y

z

5

REVENDO OS 3 ORBITAIS p

pz orbital py orbitalpx orbital

FORMAS DOS ORBITAISz

x

y

6

Exemplo da geometria de uma molécula com mais de um átomo central

• Observa-se que um dos carbonos da molécula é tetraédrico e o outro é trigonal plano (explicação fica para após o conceito de hibridação).

7

Momento dipolar

• A molécula de HF tem uma ligação polar – uma separação de cargas devido a diferença de eletronegatividade existente entre o F e o H.

• A forma da molécula e a grandeza do dipolo explicam a polaridade total da molécula.

+H-F

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Momento dipolar e geometria

• Moléculas diatômicas homonucleares não apresentam momento dipolar (O2, F2, Cl2, etc)

• Moléculas triatômicas ou maiores ( dependem do efeito resultante de todas ligações polares existentes na molécula).

• Em moléculas como CCl4 (tetraédricas) BF3 (trigonal planar) todos vetores das ligações polares individuais se cancelam resultando em nenhum momento dipolar(zero).

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O momento dipolar depende da geometria da molécula

Momentos dipolares

Resultante dos momentos dipolares = zero

Momentos dipolares

Resultante dos momentos dipolares ≠ zero

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Mais exemplos polaridade e geometria

apolar apolar apolar

11

Ligações covalentes

• Resultam da sobreposição dos orbitais atômicos dos átomos que participam da ligação.

• Os átomos compartilham o par eletrônico existente na ligação.

• A ligação covalente pode ser polar ou apolar.

• Podem ser do tipo sigma ou pi.

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A molécula de H2

• Observa-se uma ligação covalente simples resultante da sobreposição de um orbital 1s de cada um dos átomos de hidrogênio.

• Observa-se que a ligação tem uma simetria cilíndrica sobre o eixo que une o centro dos dois átomos. Isto é conhecido como ligação .

• A ligação no H2 (H-H”) pode ser resumida em:1s (H) – 1s(H”) ligação

13

A ligação covalente no H2

• Interpenetração de orbitais (ligação sigma s-s)

H H

Região da sobreposição

14

A ligação no H2

• SIMETRIA CILÍNDRICA DA LIGAÇÃO SIGMA

H H

15

2 átomos de H separados2 átomos de H separados2 átomos de H separados2 átomos de H separados

Cada átomo de H apresenta 1 eletron no orbital do subnível Cada átomo de H apresenta 1 eletron no orbital do subnível

1s. Este elétron encontra-se atraído pelo único próton 1s. Este elétron encontra-se atraído pelo único próton

existente no núcleo do átomo de H.existente no núcleo do átomo de H.

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Início da formação do HInício da formação do H22Início da formação do HInício da formação do H22

Os átomos de H se aproximam acontecendo a sobreposição Os átomos de H se aproximam acontecendo a sobreposição

dos orbitais 1s. Cada elétron começa a sentir a força dos orbitais 1s. Cada elétron começa a sentir a força

atrativa de ambos prótons dos núcleosatrativa de ambos prótons dos núcleos..

17

Ligação sigma s-s quase completa no HLigação sigma s-s quase completa no H22Ligação sigma s-s quase completa no HLigação sigma s-s quase completa no H22

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Molécula de HMolécula de H2 2 com seu orbital molecularcom seu orbital molecularMolécula de HMolécula de H2 2 com seu orbital molecularcom seu orbital molecular

Na molécula de HNa molécula de H22 os dois orbitais atômicos 1 s dão origem os dois orbitais atômicos 1 s dão origem

a um orbital molecular que engloba os dois elétrons a um orbital molecular que engloba os dois elétrons

existentes na ligação covalente.existentes na ligação covalente.

19

A molécula de Cl2

• Observa-se uma ligação simples originada da união de dois orbitais 3p, cada um pertencente a um dos átomos de cloro.

Cl Cl

Resumo 3pz (Cl ) – 3pz (Cl”)ligação sigma

20

A ligação sigmap-p

• Simetria cilíndrica

Cl Cl

21

Uma Molécula Linear

A molécula de BeH2

BeH H

Região da ligação

22

Geometria Linear no BeCl2

23

GEOMETRIA DAS MOLÉCULAS• Muitas propriedades (ex:reatividade) das

moléculas estão relacionados com sua forma.

• A forma é dependente do ângulo das ligações e do comprimento das ligações.

• Utiliza-se o conceito de hibridização dos átomos numa molécula para explicar a forma dessa molécula.

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Hibridização de orbitais atômicos

• É a mistura de orbitais pertencentes a um mesmo átomo, originando novos orbitais iguais entre si, mas diferentes dos orbitais originais.

• A diferença destes novos orbitais atômicos, denominados orbitais híbridos, acontece tanto na geometria(forma) como no conteúdo energético.

• O número dos orbitais híbridos obtidos será o mesmo dos orbitais existentes antes de serem misturados.

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ORBITAIS ANTES DA HIBRIDAÇÃO

px orbital

pz orbital

z

x

py orbital

y

s orbitalhibridização

26

Orbitais após a hibridação (sp3)

Orbitais após a hibridação (sp3)

x

z

4 x sp3

orbitais híbridos

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Hibridização sp3

• É a mistura de 3 orbitais p “puros” com um orbital s “puro”, formando 4 novos orbitais “híbridos” denominados sp3.

• A geometria dos 4 orbitais sp3 é tetraédrica (os 4 orbitais partem do centro do tetraédro e dirigem-se, cada um, para um dos vértices do tetraédro).

• O ângulo entre os orbitais sp3 será de aprox.109°• Acontece no C que se liga através de 4 ligações

simples ( o C é tetravalente).

28

A formação dos híbridos sp3

29

Exemplo de hibridação sp3 CH4

• No CH4, os 4 orbitais híbridos sp3 do C se ligam com os orbitais s de 4 átomos de H, formando 4 ligações sigma C-H

[sp3 (C) – 1s (H) ] x 4 ligação

30

C

O carbono possui 4 elétrons de valência 2s22p2

O carbono é tetravalente.

.. .

.

O carbono pode formar ligações simples, duplas e triplas.

O carbono pode apresentar orbitais híbridos do tipo sp, sp2 e sp3

Postulados de Kekulé

31

2p

2s

hibridação sp3

32

H

H

H

H

33

Fórmula molecular do metano: CH4

Fórmula estrutural do metano: C

H

H

H

H

Lembrando, 4 ligações simples sp3 ( 4 orbitais híbridos). Hidrogênio possui 1s orbital não hibridizado.

34

Metano

35

esta ligação está se afastando de você

esta ligação está indo em sua direção

FORMA DAS MOLÉCULAS

H

H

C

H

H

36

MOLÉCULA DO CH4

Ela apresenta quatro ligações simples sigma do tipo sp3-s

O ângulo entre os orbitais ligantes é de 109028’

A geometria é tetraédrica

37

A formação das ligações covalentes

38

FORMA DAS MOLÉCULASsp3 - tetraédrica

H

N

H

HH

N

H

H

sp3

O

H

H

sp3sp3

H

H

C

H

H

39

A molécula de CH4

40

Hibridização sp2

• É a mistura de um orbital s com dois orbitais p (pertencentes a um mesmo átomo), resultando em 3 novos orbitais denominados híbridos sp2.

• Os três orbitais híbridos sp2 situam-se num mesmo plano formando ângulos de 120° entre si (geometria plana triangular).

• Acontece com C que possua uma dupla ligação.• Num C do tipo sp2 existirá um orbital p “puro”

que será responsável pela ligação covalente do tipo pi.

41

Estado fundamental

Estado excitado

Estado híbrido

Orbitais sp3

42

Etileno C CH

H

H

H

Cada carbono é hibrido sp2 . O hidrogênio é 1s. Uma ligação da dupla é sp2 - sp2. A outra é p - p.

2p

2s

hibridação

2p

sp2

43

C C

Observe que a dupla ligação consiste numa ligação do tipo e outra do tipo

44

C C

H

H

H

H

C C

H

H

H

H

45

Exemplo de hibridação sp2 H2C=CH2

• Molécula de eteno (etileno).

• Os dois átomos de C encontram-se ligados por uma dupla ligação Uma ligação sigma sp2-sp2 e uma ligação pi).

• Cada átomo de C encontra-se ligado a dois átomos de H (duas ligações sigma s-sp2).

46

A Molécula de C2H4

47

Os ângulos de ligações no C2H4

• Como os átomos centrais são dois carbonos de hibridação sp2 o ângulo entre as ligações sigma será de 120. Observe que a ligação é perpendicular ao plano que contém a molécula.

• C com uma dupla ligação hibridação sp2

Em uma dupla ligação uma ligação e uma ligação

48

sp2 - trigonal planar

eteno(etileno)

ligação

ligação

HIBRIDIZAÇÃO sp2

C C

H

H H

H

C C

H

H H

H

C C

H

H H

H

120°

49

FORMA DA MOLÉCULA

ligação

ligação

sp2 - trigonal planar

C C

orbital p vazio C C

H

H H

H

50

Ligações no etileno

51

Formação dos orbitais moleculares pi na molécula do etileno

52

53

C NH

H H

C OH

H

OUTRAS MOLÉCULAS PLANAS TRIGONAIS

hibridação sp2 geometria trigonal planar

H

H

H

H

H

H

neste exemplo, cadacarbono é sp2

54

Hibridação sp• É a mistura de um orbital s com 1 orbital p,

produzindo dois novos orbitais denominados híbridos sp.

• Os orbitais híbridos sp formam um ângulo de 180 entre si.

• A geometria molecular será linear.• Surge em C com duas duplas ou C com uma tripla

ligação.• Numa tripla ligação ter-se-á uma ligação sigma e

duas pi.

55

Estado fundamental

Estado excitado

Estado híbrido

56

Etino (Acetileno)

57

Exemplo de hibridação sp C2H2

• Etino (acetileno)• Em torno dos átomos de C existem dois orbitais híbridos

sp e dois orbitais p “puros”.• Os dois orbitais híbridos se ligarão através de ligações

sigma s-sp (H-C) e sigma sp-sp(C-C).• Os dois orbitais p de cada carbono se ligarão produzindo

duas ligações pi entre os carbonos (resultando numa tripla ligação entre os dois carbonos).

• Liga tripla uma ligação e duas ligações

58

Fórmula estrutural do acetileno

C CH HCada átomo de carbono é um híbrido sp.Os hidrogênios possuem orbitais 1s, não hibridizados.

2p

2s

hibridação

2p

sp

Observe que a tripla ligação consiste de uma e 2 . As duas ligações provem dos orbitais p, não hibridizados.

59

CCH H

C C HH

60

A Molécula de C2H2

61

Orbitais moleculares sigma e pi no acetileno (C2H2)Ligação pi

Ligação pi

62

Tipos de ligações no C2H2

• No acetileno existem 3 tipos de ligações: ligações sigma s-sp; ligação sigma sp-sp; ligações pi

[sp (C 1 ) – 1s (H) ] x 2 tipo

[sp (C 1 ) – sp (C 2 ) ] tipo

[2py (C 1 ) – 2py

(C 2 ) ] tipo

[2pz (C 1 ) – 2pz

(C 2 ) ] tipo

63

Hibridações especiais -água

• Na molécula da água não ocorre excitação: apenas a hibridação que tem geometria tetraédrica e é considerada sp3.

• O ângulo entre as duas ligações O-H é de 104,5o. Este ângulo é próximo ao calculado pelo modelo da hibridização de orbitais atômicos. Neste caso, o O estaria hibridizado em sp3, sendo que dois orbitais já estariam preenchidos com elétrons não ligantes. O ângulo esperado seria de 109o, uma geometria tetraédrica; a repulsão entre estes pares eletrônicos, entretanto, pode provocar este pequeno desvio.

64

Hibridação da água

• A conseqüência é uma distribuição eletrônica heterogênea na molécula, resultando uma densidade de carga negativa (-) sobre o átomo de oxigênio e densidades de carga positiva (+) sobre os átomos de hidrogênio.

• Esta propriedade, somada ao ângulo de ligação, torna a molécula da água polar, isto é, capaz de sofrer uma orientação em um determinado campo

65

Hibridação da água(geometria)

66

Hibridação da água (geometria)

67

Estrutura da amônia

• A molécula não é plana, apresenta geometria piramidal. Esta geometria ocorre devido à formação de orbitais híbridos sp³. Em solução aquosa se comporta como uma base transformando-se num íon amônio, NH4+, com um átomo de hidrogênio em cada vértice do tetraedro

68

Estrutura da amônia

69

Hibridação dsp3

70

Hibridação d2sp3

71

Resumo dos tipos de hibridação

• Hibridação Geometria Angulo(s) Exemplo

• sp Linear 180° BeH2 (C2H2*)

• sp2 Trigonal plana 120° BH3, (C2H4*)

• sp3 Tetraédrica 109°28' CH4*

• sp3d Bipirâmide trigonal 90° e 120° PCl5

• Sp3d2 Octaédrica 90° SF6

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ESTUDAR É PRECISO. VIVER NÃO É PRECISO!!!

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