Números quânticos e a hibridização

Hibridização de orbitais parece um nome complexo, mas você vai ver nessa aula como os conceitos são simples! Venha estudar com a gente para a Química do Enem e dos vestibulares!

Vamos relembrar alguns conceitos para estudar a hibridização. O átomo é formado por 2 regiões distintas: núcleo e eletrosfera. Por sua vez, a eletrosfera é formada por camadas (níveis de energia) e subcamadas (subníveis de energia). Cada elétron está distribuído em uma camada específica e ocupa também uma região específica (orbital).

O que é hibridização?

Algumas vezes o átomo não consegue realizar 2, 3 ou 4 ligações e para que estas ocorram, os orbitais se misturam conferindo estabilidade ao elemento químico, através do processo denominado hibridização.

A eletrosfera é formada por 7 camadas ou níveis de energia, que são representados pelas letras: K, L, M, N, O, P, Q. Além desses níveis, a eletrosfera também conta com os subníveis de energia, divididos em s, p, d, f.

Cada subnível comporta uma quantidade máxima de elétrons onde: o subnível s possui 2 elétrons, o subnível p possui 6 elétrons, o subnível d possui 10 elétrons e o subnível f possui 14 elétrons.

Por meio do Diagrama de Linus Pauling realizamos a distribuição dos elétrons nos níveis e subníveis de energia, de maneira crescente de energia, para identificar a camada de valência.

diagrama linus pauling
Imagem 1: O diagrama de Linus Pauling utilizado para a distribuição dos elétrons. Fonte: manualdaquimica.com.br

O modelo atômico atual é resultado de inúmeros estudos e pesquisas ao longo de milhares de anos, onde sabemos que os elétrons giram ao redor do núcleo, com trajetórias indeterminadas.

Os números quânticos

E para saber onde eles se encontram exatamente (em qual nível, subnível ou orbital) foram criados os números quânticos, representados por 4 números relacionados com a identificação e localização dos elétrons no átomo.

O número quântico principal é representado pela letra N e indica a camada onde o átomo se encontra. Cada camada recebe uma numeração que varia de 1 até 7.

K L M N O P Q
1 2 3 4 5 6 7

 

O número quântico secundário ou azimutal é representado pela letra L e indica o subnível de energia onde o elétron se encontra. Cada subnível é representado por um número, começando do zero. Assim, temos:

s p d f
l 0 1 2 3

 

O número de elétrons que cada subnível comporta é referente ao número máximo de elétrons desse subnível. Em cada orbital (região de maior probabilidade para se encontrar os elétrons) existem no máximo 2 elétrons, que giram em sentidos contrários (horário e anti-horário).

O número quântico magnético (m) indica em qual região (orbital) o elétron se encontra.

Vamos assistir uma aula de número quântico para tirar as dúvidas:

Como representar o orbital?

Cada orbital é representado por um quadrado. Apresenta variação de -l a +l.

Cada subnível possui uma quantidade de orbitais de acordo com a quantidade de elétrons que cada subnível comporta. Assim, o subnível s possui 1 orbital, o subnível p possui 3 orbitais, o subnível d possui 5 orbitais e o subnível f possui 7 orbitais, como mostrado no esquema:

orbital e hibridizacao

O subnível s apresenta apenas 1 orbital, formado por 2 elétrons. Apresenta formato esférico.

orbital s
Imagem 2: Desenho esquemático do nível S. Fonte: infoescola.com.br

 

m = 0:

orbital zero

O subnível p apresenta 3 orbitais (Px, Py, Pz) com no máximo 6 elétrons. Apresenta forma de haltere ou ampulheta. Onde m varia de: (m = -1  até +1)

subnivel p hibridização

subnivel p hibridizacao
Imagem 3: Desenho esquemático do subnível p. Fonte: infoescola.com.br

O subnível d apresenta 5 orbitais com no máximo 10 elétrons, onde m = -2 até +2.

subnivel d

O subnível f apresenta 7 orbitais com no máximo 14 elétrons, onde m = -3 até +3.

os subniveis d e f hibridizacao
Imagem 4: Desenhos esquemáticos dos subníveis d e f. Fonte: blog.clubedaquimica.com

O número quântico spin

O último número quântico é o spin (s) que indica o sentido da rotação do elétron em sentidos contrários (horário e anti-horário), formando um campo magnético de atração para compensar a repulsão entre eles.  O spin pode ser +½ ou -½.

Cada orbital atômico deve ser preenchido com no máximo 2 elétrons, com seus spins em sentidos opostos, emparelhados. Os elétrons desemparelhados são elétrons que se encontram sozinhos em um orbital.

A distribuição dos elétrons nos orbitais segue uma regra específica, onde cada orbital recebe 1 elétron apenas. O segundo elétron será distribuído depois que todos os orbitais daquele subnível já estiverem com o primeiro elétron preenchido. Vamos ver alguns exemplos?

distribuicao eletrons
Imagem 5: Distribuição de elétrons nos subníveis de energia. Fonte: manualdaquimica.com.br

A hibridização

Os átomos, para realizarem as ligações, necessitam de elétrons desemparelhados. Nem sempre, para fazer a distribuição eletrônica do elemento, o número de elétrons desemparelhados na última camada representa o número de elétrons necessários para realizar a ligação.

Nesse caso, os átomos sofrem o processo de hibridização, que é a mistura de orbitais diferentes. Essa mistura gera novos orbitais híbridos.

A hibridização justifica o número de ligações que o átomo realiza, conferindo estabilidade ao elemento químico. Assim, um orbital incompleto ou desemparelhado indica a quantidade de ligações que o átomo é capaz de realizar.

Vamos entender como isso acontece?

No composto: BeF2: o flúor realiza 1 ligação e o berílio realiza 2 ligações iguais.

Vamos fazer a distribuição eletrônica dos elementos:

distribuicao bef2

Primeiro devemos preencher os subníveis iniciais com os 2 elétrons correspondentes, em seguida passar ao outro orbital. No orbital p encontramos 5 elétrons, devemos preencher primeiro com 1 elétron cada orbital, depois com os elétrons restantes.

Podemos observar que 1 orbital p (o pz) está semi-preenchido, ou seja, é o que representa a ligação que o flúor é capaz de fazer.

O átomo de berílio apresenta a seguinte distribuição:

atomo de berilio
Imagem 6: Distribuição eletrônica dos elétrons de um átomo de berílio. Fonte: manualdaquimica.com.br

Pelo citado acima podemos observar que o berílio está totalmente preenchido, e assim, não realiza mais nenhuma ligação, pois não há orbital semi-preenchido sobrando em sua distribuição.

Mas sabemos que o berílio realiza 2 ligações, então temos que abrir um orbital p para que ocorra o desemparelhamento dos elétrons do orbital s.

Assim, no estado excitado, ocorre migração de elétrons para camadas mais energéticas. Neste caso, há migração de elétrons do orbital s para o orbital p, que irão se misturar.

Importante:

Para ocorrer a hibridização, o átomo precisa receber energia para excitar os elétrons da camada de valência.

hibridizacao bef2

bef2 estado excitado hibridizacao
Imagem 7: Distribuição dos elétrons de um átomo de berílio em estado excitado. Fonte: manualdaquimica.com.br

Podemos observar que ocorrem agora 2 orbitais semi-preenchidos e 2 orbitais p puros, que não participam da ligação.

No estado hibridizado há união dos orbitais s e p, formando uma hibridação do tipo sp.

estado hibridizado
Imagem 8: Distribuição dos elétrons do átomo de berílio hibridizado. Fonte: manualdaquimica.com.br

Podemos representar a estrutura da ligação como:

representacao bef2
Imagem 9: Representação de Lewis da molécula BeF2
Vamos ver mais um exemplo?

No composto: BF3: sabemos que o flúor realiza uma ligação apenas, e o boro realiza 3 ligações iguais.

Já realizamos a distribuição do flúor e verificamos que ele realmente faz 1 ligação.

Agora vamos fazer a distribuição eletrônica do boro:

distribuicao do boro
Imagem 10: Distribuição dos elétrons de um átomo de boro. Fonte: manualdaquimica.com.br

Conforme observado acima, percebemos que o boro somente consegue realizar uma ligação, pois somente apresenta 1 elétron semi-preenchido. Mas, na realidade, ele precisa fazer 3 ligações, então 1 elétron do orbital s migra para o orbital p.

distribuicao eletronica do boro
Imagem 11: Distribuição dos elétrons de um átomo de boro excitado. Fonte manualdaquimica.com.br

Podemos verificar acima que temos 3 orbitais semi-preenchidos, onde irão ocorrer as ligações e 1 orbital p puro, que não participa da ligação. Este tipo de hibridação é do tipo sp², pois 1 orbital s se mistura com 2 orbitais p.

A representação da estrutura da ligação do composto é:

bef3
Imagem 12: Representação de Lewis da molécula BF3.

Para determinar a hibridização de um átomo em uma molécula, devemos analisar este átomo e contar o total de pares de elétrons ligantes e não ligantes ao redor deste átomo.

Não podemos esquecer que a ligação covalente é igual a 1 par de elétrons, assim como as ligações duplas e triplas também.

Então para simplificar nossa aula:

Para determinarmos a hibridização de qualquer átomo, devemos contar a quantidade de ligações sigma (simples ligações) e o número de pares de elétrons livres no átomo que será estudado.

Caso a soma dê como resultado o número 2, teremos uma hibridação sp; quando a soma for igual 3, teremos uma hibridação sp²; soma igual a 4, teremos uma hibridação igual a sp³; soma igual a 5, teremos uma hibridação sp³d e soma igual a 6, teremos uma hibridação igual a sp³d².

Agora vamos fazer a representação de outras hibridações:

a) hibridação sp (2 ligações sigmas)

hibridacao sp

b) sp² (3 ligações sigmas)

hibridizacao sp2

c) sp³ (3 ligações sigmas + par de elétron)

hibridizacao sp3

Agora vamos assistir um vídeo para aumentar nossos conhecimentos:

Agora vamos fazer alguns exercícios sobre hibridização:

(UEPI)

Sobre o elemento químico vanádio, de número atômico 23, são feitas as seguintes afirmações:

I. A camada de valência do vanádio possui três (3) elétrons;

II. Possui onze (11) elétrons na terceira camada eletrônica;

III. Os quatro números quânticos para os elétrons da última camada são: 3 ; 2 ; 0 ; + 1/2;

IV. A camada de valência do vanádio possui dois (2) elétrons.

Indique a alternativa correta:

a) somente as afirmações II e IV estão corretas.

b) somente as afirmações I e II estão corretas.

c) somente as afirmações III e IV estão corretas.

d) somente as afirmações I e III estão corretas.

e) somente as afirmações I e IV estão corretas.

gabarito: A

resolução: possui 11 elétrons na terceira camada: 1 s²  2 s²  2 p6  3 s²  3 p6  4 s²  3 d³.

2) (Ufac)

Um elétron localiza-se na camada “2” e subnível “p” quando apresenta os seguintes valores de números quânticos:

a) n = 4 e l = 0

b) n = 2 e l = 1

c) n = 2 e l = 2

d) n = 3 e l = 1

e) n = 2 e l = 0

gabarito: B

3) (UFT)

Quais são os quatro números quânticos principal(n), azimutal (l), magnético (ml) e de momento angular orbital (ms), para a configuração 4p²?

a) n = 4; l = 0; ml = 0; ms = –1/2

b) n = 4; l = 0; ml = –1; ms = –1/2

c) n = 4; l = 1; ml = –1; ms = +1/2

d) n = 4; l = 1; ml = 0; Ms = +1/2

Gabarito: D

4) UFPA)

Os números quântico principal “n”, secundário “l”, magnético “m” do elétron mais energético do átomo de cloro são respectivamente:

(Dado Cl: Z=17)

a) 3, 1, 0;

b) 3, 1, +1;

c) 2, 0, +1;

d) 2, 1, -1;

e) 2, 3, 0;

gabarito: A

 

Sobre o(a) autor(a):

Texto elaborado por Roseli Prieto, professora de Química e Biologia da rede estadual de São Paulo. Já atuou em diversas escolas públicas e privadas de Santos (SP). É Gestora Ambiental e Especialista em Planejamento e Gestora de cursos a distância.

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