Orbitais sp3 híbridos e ligações sigma

RKA4JL - Bem, pessoal, nesta aula nós vamos recordar um pouco do que nós já sabemos sobre orbitais. Nós já vimos isso nas aulas de química geral. Então vamos dizer que nós temos o nosso núcleo super pequeno. Em volta do núcleo você tem o orbital 1s. Esse orbital 1s você pode imaginar como uma pequena nuvem em volta do núcleo. Então nós temos o orbital 1s. Este orbital pode suportar dois elétrons. O primeiro elétron vai estar no orbital 1s e o segundo elétron também vai estar no orbital 1s. Por exemplo, o hidrogênio tem apenas um elétron. Então ele vai estar presente no orbital 1s. O átomo de hélio tem um elétron a mais, então ele também vai estar no orbital 1s. Após ser completo, nós movemos para o orbital 2s. Então movemos para o orbital 2s. Esse orbital 2s pode ser visto como uma casca em volta do orbital 1s. Mas claro, isso você não consegue ver de maneira convencional. Você pode imaginar um orbital como a região de maior probabilidade de se encontrar um elétron. Mas para sua visualização, você pode imaginar que o orbital 2s é como se fosse uma casca em volta do orbital 1s. Então o próximo elétron vai ocupar esse orbital aqui. Se nós tivéssemos um quarto elétron, ele também ia ocupar esse orbital aqui. Claro, eu estou representando essas setas só para você entender que o primeiro elétron que entra aqui no orbital tem um spin e o próximo elétron vai ter um spin oposto, por isso que eu estou representando com essas setas. Ou seja, eles permanecem emparelhados dessa forma. Agora, se a gente continuar adicionando elétrons, nós vamos mover para os orbitais 2p. Na verdade, esse orbital 2p você pode imaginar como três orbitais 2p, e cada um desses orbitais é capaz de suportar dois elétrons. Então o orbital 2p pode suportar seis elétrons. E claro, podemos imaginar esses orbitais em eixos tridimensionais. Então eu vou colocar aqui, primeiro, um eixo x passando pelo centro do meu átomo, vou colocar um eixo y também passando pelo centro do meu átomo e, por fim, um eixo z também passando pelo centro do átomo. E aí eu consigo colocar os meus orbitais em eixos tridimensionais. O que eu quero dizer com isso é que existe um orbital p que vai ao longo de cada eixo que eu desenhei aqui: os suborbitais do orbital 2p, que vou chamar o primeiro de 2px. Esses suborbitais vão parecer como um haltere caminhando na direção do eixo x e os dois lados aqui são simétricos. Mas lembre-se que isso é apenas uma nuvem de probabilidades. Mas claro, se você pensar nisso como nuvens de probabilidade, ou então que é a região de maior probabilidade de se encontrar um átomo, eu acho que esse é o melhor jeito de se pensar. Então este é o orbital 2px. E claro, ainda não falei como esses orbitais são preenchidos, mas você vai ter aqui agora uma espécie de haltere na direção do eixo y, novamente simétrico em ambos os lados, e com isso nós vamos ter um suborbital 2py. Por fim nós temos o nosso orbital que vai na direção do eixo z e esse suborbital é o suborbital que vou chamar de 2pz. Então se continuarmos adicionando elétrons, o próximo elétron vai vir para esse orbital 2px. Então nós adicionamos o elétron e ele vem aqui nesse orbital. Se continuarmos adicionando elétrons, na verdade o próximo elétron não vai vir para o suborbital 2px. Na verdade esse outro elétron quer se separar desse orbital. Ele acaba vindo para o orbital 2py. Então se eu continuar adicionando elétrons, o próximo vai vir para esse suborbital 2py. E claro, se eu continuar adicionando elétrons, o próximo vai vir para esse orbital 2pz. Esse próximo elétron vai vir para esses suborbital aqui, ou seja, ele tenta se separar dos outros elétrons. E se continuarmos adicionando elétrons, aqui nós temos um total de dois, quatro, cinco, seis, sete, então o oitavo elétron, na verdade, vai entrar aqui no orbital 2px. Então esse oitavo elétron vai entrar nesse orbital, nesse suborbital, só que com o spin oposto. Mas claro, isso é só um pouco de revisão com um pouco de visualização. E agora que revisamos, vamos ver o que acontece com o carbono. O carbono tem seis elétrons e sua configuração eletrônica é 1s², 2s² e 2p². Aqui nós temos um total de seis elétrons, dois aqui, dois aqui, e dois aqui. E claro, você pode se basear nisso aqui e no que nós falamos aqui. Você tem um orbital 1s, você tem o orbital 2s, você tem o orbital 2px, tem também o suborbital 2py e por fim, o suborbital 2pz. Se pensar apenas na configuração eletrônica do carbono, você vai ter um elétron aqui nesse orbital, com o seu spin oposto, você vai ter outro elétron aqui, um terceiro elétron, um quarto elétron com seu spin oposto e por fim vai ter um quinto elétron aqui no suborbital Px e você espera que o próximo elétron entre no próximo orbital. Mas o que eu quero dizer para vocês é que esse próximo elétron pode estar em qualquer um desses dois orbitais aqui. Então nós vamos ter o nosso próximo elétron (eu vou colocar aqui nesse orbital) e essa aqui vai ser a configuração do carbono. Se você fosse pensar isso em uma forma de desenho, você teria os seus três eixos, e se preencher o seu orbital 1s, você vai ter algo como se fosse uma nuvem em volta do seu núcleo, e se você preencher o seu orbital 2s, você vai ter como se fosse uma casca em volta do seu orbital 1s. E claro, cada orbital desse aqui suporta dois elétrons, então teríamos o próximo elétron se movimentando em torno do eixo x, ou seja, no suborbital 2px, e o próximo elétron vai estar se movendo em torno do eixo y. Ele estaria em torno do 2py, que é o nosso suborbital. E esses elétrons aqui estariam sozinhos esperando por um parceiro de spin oposto. Claro, esses locais aqui vão ser os únicos onde as ligações irão se formar, ou seja, nós iríamos esperar algum tipo de ligação no orbital x ou no orbital y. E claro, esses modelos são mais ou menos como os orbitais aparentam. Eu sugiro que você dê uma pesquisada na internet para ver, de fato, como eles são. E falando sobre o carbono, se olhar para isso aqui você espera que o carbono faça duas ligações, mas nós sabemos que o carbono forma quatro ligações e que ele quer ter oito elétrons. A maioria dos átomos, na verdade, querem ter oito elétrons e para isso acontecer, você tem que pensar de uma forma diferente. Então eu vou dizer "não é o que acontece quando o carbono se liga". Mas o que realmente acontece vai nos fazer entrar na discussão de hibridização sp³. Você vai ver que não é um tópico complicado. O que acontece pelo fato do carbono querer fazer quatro ligações é uma configuração em que você tem um orbital 1s, você tem dois elétrons com spin oposto e tem outros orbitais 2s e também os suborbitais 2px, 2py e 2pz. Agora você pode imaginar que o carbono quer formar quatro ligações, ou seja, ele tem quatro elétrons que estão querendo se emparelhar com os elétrons de outras moléculas. No caso do metano, por exemplo, as outras moléculas são o hidrogênio. Então você pode imaginar esse elétron e que o hidrogênio pegue esse elétron em um estado maior de energia e o coloque aqui no 2pz. Então esse outro elétron acabaria aqui e os outros dois elétrons ficariam aqui. Então, de repente nós temos outros elétrons aqui sozinhos que estão prontos para formar uma ligação que representa melhor como o carbono se liga, ou seja, ele quer se ligar com outras quatro moléculas. Agora é meio arbitrário cada elétron em cada orbital e mesmo que tenha esse tipo de ligação aqui, você espera que essas ligações ocorram no eixo y, no eixo x ou então no eixo z, ou seja, os elétrons parecem estar um pouco no orbital s e um pouco nos orbitais p, ou seja, em vez disso aqui ser um orbital 2s, para o carbono vai ser o orbital 2sp³ e para os demais também. Então 2sp³, aqui 2sp³ e aqui 2sp³ também, ou seja, todos esses aqui se parecem com o mesmo tipo de orbital. Então o orbital hibridizado sp³ é algo, na verdade, entre o orbital s e o orbital p. Na verdade ele tem 25% de natureza s e 75% de natureza p. Você pode imaginar como um híbrido entre essas duas coisas aqui. Então quando eles se misturam, em vez de um orbital s nós vamos ter uma coisa parecida com isso aqui. Nós vamos ter uma outra coisa parecida com esse desenho que eu estou fazendo. Esse aqui é o orbital s e esse outro vai ser o orbital p. Ou seja, quando eles se misturam, o orbital se parece com algo assim. Então isso aqui é um orbital sp³ hibridizado. Híbrido é uma combinação entre duas coisas. Por exemplo, um carro híbrido é uma combinação de gás e energia elétrica e um orbital hibridizado é uma combinação entre o orbital s e o orbital p. E orbitais sp³ híbridos são orbitais quando o carbono se liga a coisas como o hidrogênio. Então se a gente olha para a molécula de metano e dizemos sobre orbitais híbridos sp³, tudo o que estamos querendo dizer é que se você tem o carbono aqui no centro (vamos dizer que o núcleo do carbono está aqui), em vez de ter um orbital s e três orbitais p, você vai ter quatro orbitais sp³. Eu vou tentar desenhar os quatro orbitais sp³, um pequeno e um grande (vou tentar fazer isso para cada eixo), por fim um grandão aqui e um pequenininho aqui. Você pode imaginar isso como um tripé, mais ou menos assim, e as nossas ligações vão ocorrer mais ou menos assim. Você tem o hidrogênio que tem apenas um elétron no orbital s¹, temos hidrogênio aqui também (eu esqueci de colocar um aqui, vindo lá de trás), então também temos um hidrogênio aqui e um hidrogênio aqui. Cada orbital 1s¹ do hidrogênio se liga com o orbital sp³ do carbono. Então aqui nós temos uma molécula de metano, que é uma molécula de CH₄ . Talvez os hidrogênios estariam aqui, aqui, aqui e aqui, mas na verdade não é o que acontece. Você viu que o que acontece, de fato, é uma forma tetraédrica como esse tripé aqui. Veja que isso aqui é a forma tetraédrica. Essa é a melhor forma de representar essa forma tetraédrica. O que eu estou querendo dizer é que se você tem orbitais que são híbridos entre s e p, essa é a melhor forma de representar. Outra coisa a se pensar é que quando você tem os orbitais apontando um para o outro e causando uma sobreposição, essa sobreposição nós chamamos de ligação sigma. Então aqui nós temos o que chamamos de ligação sigma, onde a sobreposição é ao longo do mesmo eixo, como se você conectasse as duas moléculas. Então aqui você conectou as duas moléculas e aqui você tem a sobreposição. Essa é a fórmula mais forte das ligações covalentes. Futuramente, nos próximos vídeos, nós vamos falar mais sobre esse tipo de ligação. Mas o que eu quero que você entenda, de fato, nesse vídeo é o que é um orbital sp³. Não é nada demais, é apenas uma combinação entre o orbital s e o orbital p, sendo 25% de caráter s e 75% de caráter p. E essa estrutura forma um ângulo entre as partes aqui. Esse ângulo mede 109,5 graus, que é o mesmo que esse ângulo aqui, que é de 109,5 graus e também esse ângulo aqui, que também é 109,5 graus.