Hibridização - Química para o Vestibular

Transcrição

Professora Sonia
Hibridização
Para entendermos o que é hibridização (também chamada de hibridação) ou um orbital híbrido
nós estudaremos a molécula do metano (CH4). 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 CH4 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 BeH2.
A configuração eletrônica do berílio no estado fundamental (neutro) é:
Be (Z = 4): 1s2 2s2 2p0
Verificamos que as duas ligações no BeH2 estão orientadas a 180o 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: 1s2 2s2 2p0
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 sp2
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 sp2, veja a seguir.
www.quimicaparaovestibular.com.br
[email protected]
1
Professora Sonia
Átomo no estado fundamental: 1s2 2s2 2p1
Cada um dos orbitais híbridos sp2 se sobrepõe a um orbital 1s do átomo de H, o resultado é uma
molécula de hidreto de boro ou borato (BH3). Veja como fica o átomo ligado:
Esta molécula tem uma estrutura planar na qual cada H ocupa os vértices de um triângulo
eqüilátero:
O BH3 é uma molécula de vida curta em certas reações químicas.
Orbitais híbridos sp3
No metano (CH4), o átomo de carbono usa o orbital 2s e os três orbitais 2p para formar quatro
orbitais híbridos sp3.
[email protected]
2
Professora Sonia
Esses orbitais são muito semelhantes aos híbridos sp e sp2, mas eles estão dirigidos para os
vértices de um tetraedro regular. Isto está de acordo com a forma tetraédrica da molécula CH4.
A molécula de amônia (NH3)
Existem muitas moléculas pequenas nas quais a ligação fica mais bem descrita em termos de
orbitais híbridos sp3, este é o caso da amônia e iremos analisa-lo agora.
N (Z= 7). Átomo no estado fundamental: 1s2 2s2 2p3
Neste caso, como o nitrogênio tem um elétron a mais do que o carbono, somente três dos seus
orbitais híbridos sp3 são acessíveis para formar ligações com os átomos de hidrogênio. Um dos
quatro orbitais contém um par isolado:
Entretanto, o NH3 tem uma forma geométrica semelhante à do CH4, exceto pela perda de um
átomo de hidrogênio.
Observe a figura que mostra a repulsão do par isolado - par compartilhado em NH3.
[email protected]
3
Professora Sonia
Como podemos observar os ângulos entre as ligações N–H são de 107,3o, um pouco menores do
que o ângulo tetraédrico de 109,5o. 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 NH3. O resultado é a aproximação dos pares
compartilhados e assim os átomos H ajustam suas posições para uma melhor sobreposição.
A molécula de água (H2O)
As ligações na água são semelhantes àquelas na amônia (NH3). Os quatro orbitais da camada de
valência do oxigênio (Z = 8) hibridizam.
Os quatro orbitais sp3 são ocupados por dois pares de elétrons isolados e dois pares
compartilhados. A estrutura resultante é descrita como angular.
Na molécula H2O há um fechamento ainda maior do ângulo tetraédrico, 109,5o, que o de NH3, isto
é resultado da existência de dois pares de elétrons isolados na H2O. O ângulo medido na molécula
H2O entre as duas ligações
é de somente 104,5o.
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
d2sp3. 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 sp3d2. 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
[email protected]
4
Professora Sonia
hibridização a camada de valência do átomo central foi expandida a 12 elétrons. Orbitais
octaédricos híbridos são usados na estrutura do hexafluoreto de enxofre, SF6.
Observe a seguir o átomo de enxofre S (Z = 16).
Átomo no estado fundamental: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3d0
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) XeOF4
Xe (Z = 54): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6
Xe (camada de valência):
[email protected]
5
Professora Sonia
Geometria: pirâmide de base quadrada
2) XeOF2
Geometria: forma de T em cunha
3) XeO4
[email protected]
6
Professora Sonia
Geometria: tetraédrica
4) XeF4
Geometria: quadrada
Observe a orientação dentro do octaedro:
[email protected]
7
Professora Sonia
5) PCl5
P (camada de valência):
Geometria: bipirâmide trigonal
6) B(CH3)3
B (camada de valência):
Geometria: Triangular ou trigonal plana
[email protected]
8
Professora Sonia
7) CCl4
C (camada de valência):
Geometria: tetraédrica
8) CdBr2
Cd (Z= 48, camada de valência):
Geometria: Linear
[email protected]
9
Professora Sonia
9) GaI3
Ga (Z = 31, camada de valência):
Geometria: trigonal plana ou triangular
Exercícios
Utilize a tabela periódica quando for necessário.
[email protected]
10
Professora Sonia
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. BeCl2.
09. XeOF2.
02. CdBr2.
10. XeO4.
03. BCl3.
11. XeF4.
04. GaCl3.
12. MoCl5.
05. TiCl4.
13. B(CH3)3.
06. SF6.
14. CCl4.
07. PF5.
15. TaCl5.
08. XeOF4.
16. SbF6-.
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 SiH4 e de etino (C2H2) 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.
[email protected]
11
Professora Sonia
Os números de carbono terciários e quaternários com hibridização sp3 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 sp2.
b) possui 12 ligações œ carbono-carbono.
c) não possui carbonos com hibridização sp3.
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 = sp2 e 120°; N = sp2 e 120°.
b) C = sp3 e 109°; N = sp2 e 120°.
c) C = sp e 180°; N = sp3 e 104°.
d) C = d2sp3 e 90°; N = sp2 e 120°.
e) C = sp2 e 120°; N = sp3 e 104°.
[email protected]
12
Professora Sonia
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 sp2.
d) 3 ligações π e 2 ligações σ; carbonos com hibridização sp3.
e) 5 ligações π; carbonos com hibridização sp2.
24. (Ufv) A vitamina B6, 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 sp2.
b) I, II e III apresentam um átomo de carbono com hibridização sp.
c) II e III apresentam três átomos de carbono com hibridização sp3.
d) III apresenta dois átomos de nitrogênio ligados a carbonos sp2.
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 sp3 do
carbono.
26. (Ufrs) O propeno, a seguir representado, é um hidrocarboneto insaturado, constituindo-se em
matéria-prima importante para a fabricação de plásticos.
[email protected]
13
Professora Sonia
Sobre esse composto, podemos afirmar que
a) os carbonos C1 e C2 apresentam hibridização sp, enquanto o carbono C3 apresenta
hibridização sp3.
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 sp3.
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 sp2 e sp3.
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: BF3, SnF3-, BrF3, KrF4 e BrF5. 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.
[email protected]
14
Professora Sonia
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 C18H29N.
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 sp3, sp2 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 sp3 se sobrepõe a um orbital 1s do átomo de H, o
resultado é uma molécula de hidreto de boro ou borato (BH3).
34. (___) Existem muitas moléculas pequenas nas quais a ligação fica mais bem descrita em
termos de orbitais híbridos sp3, este é o caso da amônia (NH2).
35. (___) As ligações na água são semelhantes àquelas na amônia (NH3). Os quatro orbitais da
camada de valência do oxigênio (Z = 8) hibridizam.
36. (___) O ângulo medido na molécula H2O entre as duas ligações
é de somente 104,5o.
37. (___) Na molécula H2O há uma abertura ainda maior do ângulo tetraédrico, 109,5o, que o de
NH3, isto é resultado da existência de dois pares de elétrons isolados na H2O.
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 d2sp3. 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 sp3d2. 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, SF6.
40. (___) Apenas elementos representativos sofrem hibridização.
Respostas
01. BeCl2: sp – linear.
02. CdBr2: sp – linear.
03. BCl3: sp2 – trigonal plana ou triangular.
[email protected]
15
Professora Sonia
04. GaCl3: sp2 – trigonal plana ou triangular.
05. TiCl4: sp3 – tetraédrica.
06. SF6: sp3d2 – octaédrica.
07. PF5: sp3d – bipirâmide de base triangular.
08. XeOF4: sp3d2 – pirâmide de base quadrada.
09. XeOF2: sp3d – forma de T em cunha.
10. XeO4: sp3 – tetraédrica.
11. XeF4: sp3d2 – quadrada.
12. MoCl5: dsp3 – bipirâmide de base triangular.
13. B(CH3)3: sp2 – trigonal plana ou triangular.
14. CCl4: sp3 – tetraédrica.
15. TaCl5: dsp3 – bipirâmide de base triangular.
16. SbF6-: sp3d2 – octaédrica.
17. a) - OH ligado ao anel benzênico (fenol).
b) e c) Observe as figuras a seguir:
[email protected]
16
Professora Sonia
18. Observe a figura a seguir:
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: sp2; carbono 6: sp3.
29. BF3
24 elétrons = 12 pares de elétrons.
3 pares de elétrons no átomo central: hibridização sp2.
Geometria molecular: trigonal plana ou triangular.
SnF326 elétrons = 13 pares de elétrons.
4 pares de elétrons: hibridização sp3.
Geometria molecular: piramidal.
BrF3
5 pares de elétrons: hibridização sp3d.
Geometria molecular: forma de T, em forma de T em cunha ou trigonal plana.
KrF4
6 pares de elétrons: hibridização sp3d2.
Geometria molecular: quadrado planar.
BrF5
6 pares de elétrons: hibridização sp3d2.
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
[email protected]
40. F
17

Hibridização - Química para o Vestibular

Transcrição

Documentos relacionados

Anexo 02 - Colégio Lobo Pré

Química

Teoria das Orbitais Moleculares (TOM)

5478 MEC

Modelos atômicos

Teoria das Orbitais Moleculares

Aula-5: Espectroscopia Eletrônica Molecular

Hibridação do Carbono

MODELO QUÂNTICO

TEORIA DOS ORBITAIS MOLECULARES -TOM

Plano de Ensino Fundamentos de Quimica Turma C