Hibridização do átomo de carbono.

A pergunta mais comum que me é feita quando começo a falar de química orgânica é sobre o átomo de carbono: o que ele tem de especial a ponto de nenhum outro elemento possuir átomos com tamanha facilidade em constituir sua variedade de ligações químicas?

Não é algo muito simples ou rápido de responder, mas também não é demorado como o modelo atômico de Bohr, então lá vai.

O elemento carbono possui número atômico igual a seis. Isto significa que seus átomos apresentam seis prótons no núcleo e esta mesma quantidade de elétrons distribuídos na eletrosfera. Se aplicarmos a ele a distribuição de acordo com o diagrama de Linus Pauling veremos que seus elétrons se encontrarão em apenas duas camadas. Mas antes vejamos os diagrama:

Diagrama de Linus Pauling.

De forma resumida, o diagrama de energia de Linus Pauling apresenta os elétrons em ordem crescente de energia a partir do núcleo. Mas distribuídos por subníveis e não por camadas como previsto no modelo de Bohr. O detalhe muito relevante aqui é o fato de o diagrama tratar do estado de menor energia para os elétrons dentro do átomo, essa condição é chamada de estado "fundamental".

No estado fundamental ou de menor energia, a distribuição dos seis elétrons do carbono é a seguinte:

1s²2s²2p²

Para evitar confusão, os números em vermelho são as camadas, as letras são os subníveis e os "expoentes" são as quantidades de elétrons dentro de cada subnível. Podemos representar isto dentro de um diagrama mais específico ainda, para esclarecer a ideia que desejo passar.

Observe os seguintes "regrinhas" em torno do diagrama acima:

1) representamos o elétron por uma seta;

2) o orbital, região da eletrosfera onde o elétron se encontra, é representado por um quadrilátero e dentro dele cabem, no máximo dois elétrons;

3) a camada 1 só possui um subnível denominado "s" enquanto que a camada 2 possui dois subníveis denominados "s" e "p";

4) subníveis de camadas diferentes representados pela mesma letra são semelhantes em forma e diferem por seus tamanhos e energia, é claro;

5) dentro do subnível "s" encontramos apenas um orbital e dentro do subnível "p" encontramos três orbitais;

6) caso um orbital esteja completamente preenchido, ou seja, com dois elétrons em seu interior, devemos distinguir esses elétrons, por isto as setas com sentidos diferentes;

7) Ao preencher um subnível, colocamos um elétron com seta para cima em cada orbital, da esquerda para a direita, quando todos os orbitais estão semipreenchidos, retornamos ao da esquerda e o preenchemos completamente;

8) Os orbitais estão em ordem crescente de energia de baixo para cima.

Estabelecidos todos esses detalhes, note que a linha tracejada separa a primeira camada da segunda e um átomo só usa sua camada de valência (última camada parcialmente preenchida) para formar ligações químicas. Os quatro elétrons estão ali na segunda camada, mas não ocupam quatro orbitais semipreenchidos. E o átomo só faz ligações químicas com elétrons em orbitais semipreenchidos.

O que isto significa para nós? Que o átomo deve buscar uma configuração de energia diferente da correspondente ao estado fundamental para seus elétrons formarem ligações químicas. Chamamos o processo resultante dessa busca de hibridação ou hibridização e ele só acontece com os orbitais da camada de valência.

Você pode estar se perguntando neste momento: só isso? Sim, mas são três hibridizações diferentes. Então vamos a elas.

sp³

Os três orbitais do subnível "p" se juntaram ao único orbital do subnível "s" e formaram quatro orbitais híbridos. Todos esses orbitais híbridos são idênticos e capazes de formar, cada um deles, ligações simples, também idênticas, totalizando quatro.

A consequência da hibridização desses quatro orbitais se observa na geometria de suas ligações e nos ângulos entre elas.

Quando representada no plano esta hibridização as ligações assumem os sentidos do eixos no plano cartesiano. Por outro lado, a correta representação se dá em três dimensões (3D), com ângulos de 109 graus e 28 minutos. Chamamos esta geometria de tetraédrica pelo fato de os átomo ligados ao carbono nesta circunstância ocuparem os vértices de um tetraedro. No caso do metano (CH₄), o tetraedro será (canudos pretos na imagem acima) regular e as ligações serão equivalentes ao raio da esfera circunscrita ao tetraedro, representado pelos canudos brancos.

Insistirei no fato de que todas essas informações estão conectadas: hibridização sp³, geometria tetraédrica, ângulos de 109° 28' e quatro ligações simples.

sp²

Dois dos três orbitais "p" se uniram ao orbital de subnível "s" para formarem três orbitais híbridos idênticos entre si. O terceiro orbital "p" permaneceu "puro" e será responsável por um tipo de ligação diferente da realizada pelos híbridos, uma do tipo que não aparece sozinha, apenas "unida" a uma ligação de orbital híbrido. Trata-se da ligação dupla o que as duas juntas formam.

Também chamada de trigonal plana, esta geometria ocorre em virtude de os três orbitais híbridos se espalharem ao redor do átomo de carbono como os vértices de um triângulo praticamente equilátero, por isso o ângulo de 120°. O orbital "p" puro não obedece a mesma lógica que os orbitais híbridos, por isso ele acompanha um deles formando a dupla.

Repito que hibridação sp² para um átomo de carbono é equivalente a chamar a geometria de triangular plana, a dizer que os ângulos entre suas ligações são de 120° e que ele forma uma ligação dupla e duas ligações simples.

sp

Desta vez apenas um orbital "p" se hibridizou com o orbital "s", formando um total de dois orbitais híbridos e idênticos. Os dois orbitais "p" restantes serão capazes de acompanhar um único híbrido formando uma ligação tripla. Ou formarão pares com os híbridos, dando origem a duas ligações duplas.

Como são apenas dois orbitais híbridos, se distanciarão o mais longe possível um do outro, sendo colineares, por isto a geometria chama linear e o ângulo é de 180°. 

De novo lembro o fato de as informações estarem conectadas: hibridização sp, geometria linear, ângulo de 180° e duas ligações duplas ou uma ligação tripla e uma simples.

Ufa... acabou... só que não. Tem mais um detalhe importantíssimo que não pode ficar de fora. Nós damos nomes às ligações formadas por orbitais híbridos e por "p" puros. Você pode até pensar que os nomes sejam "simples", "dupla" e "tripla", mas não é o caso. Veja a tabela abaixo.

O nome da ligação formada pelo orbital híbrido é sigma (𝝈) e pelo orbital "p" puro é pi (𝝅), ambas as letras representadas em suas formas minúsculas. Com isto temos esclarecido o fato de que uma ligação pi sempre acompanha uma sigma, duas sigmas não se unem e a pi não aparece sozinha.

Agora sim posso dizer que encerramos a parte de hibridização. Ficou alguma dúvida? Comenta aí... até a próxima.