Teoria da Ligação de Valência
Teoria
Fala aí! Hoje vamos falar um pouquinho sobre a teoria da ligação de valência, que explica como as ligações ocorrem por meio da sobreposição de orbitais atômicos.
Tá preparado?
Se liga nesse conteúdo adicional que pode ser bem útil pra você 🥰👇
- Estrutura de Lewis para Ligações Covalentes.
- Configuração eletrônica dos elementos.
- Dualidade onda-partícula do elétron.
O que é a Teoria da Ligação de Valência?
A Teoria da Ligação de Valência (TLV) diz que a ligação entre dois átomos é feita por meio da sobreposição de dois orbitais atômicos semipreenchidos.
Se formos representar a ligação entre dois átomos de hidrogênio, você pode ser tentado a desenhar um desses jeitos aqui:
E não tem nada de errado não! Afinal, a gente desenha essa estrutura de Lewis desde que começamos a estudar ligações químicas lá na escola, não é mesmo?
Maaas, olha só que coisa: tem uma teoria muito famosa que diz que os elétrons podem se comportar tanto como partículas, quanto como ondas. E aí, como que a gente vai falar do elétron como onda, se a gente tá representando ele como bolinhas que interagem umas com as outras?
Aí que entra a teoria da ligação de valência, que vai tratar as ligações químicas não mais como partículas, ou bolinhas, interagindo umas com as outras, mas sim como orbitais atômicos que se sobrepõem.
Orbitais Atômicos
Os orbitais são regiões que apresentam a maior probabilidade de se encontrar os elétrons nas proximidades de um átomo.
Os mais importantes pra gente entender a TLV vão ser os orbitais do tipo s e p. Olha eles aí:
Segundo a TLV, uma ligação surge quando os orbitais de dois átomos se sobrepõem. Mais ou menos assim:
Essas aí são sobreposições do tipo frontal. Mas também podemos ter do tipo lateral:
Quando ocorre uma sobreposição frontal, a ligação resultante é do tipo sigma (
Bora ver como fica aquela ligação
A configuração eletrônica do hidrogênio é:
Quer dizer que cada hidrogênio só tem 1 elétron, em um orbital do tipo s. Então, nossa ligação vai ser formada a partir da sobreposição de dois orbitais s.
Aquela região mais escurinha ali no meio é onde ocorre a tal sobreposição, e é ali que existe a maior probabilidade de se encontrar os elétrons.
Saca só esse vídeo aqui explicando tudo o que eu acabei de te contar e um pouquinho mais ⏯️
Hibridação de Orbitais Atômicos
Orbitais atômicos de níveis energéticos diferentes podem se fundir para gerar orbitais híbridos.
Vamos parar pra pensar um pouquinho na molécula de
Se a gente fizer o diagrama de caixas para os elétrons de valência nos orbitais, vamos ver o seguinte:
O carbono tem que fazer 4 ligações, uma com cada hidrogênio, certo? Então ele precisa de 4 orbitais com elétrons desemparelhados.
Para isso, um dos elétrons do 2s do carbono vai ter que ser excitado para aquele 2p vazio.
Mas agora pensa no seguinte: se as ligações ocorrem assim, a gente vai ter três ligações entre os 2p do carbono e os 1s dos hidrogênios e uma única ligação entre o 2s do carbono e o 1s de um hidrogênio. Isso significaria que uma das ligações da molécula
Mas isso não acontece! Todas as medidas experimentais indicam que as quatro ligações são equivalentes.
Então precisamos de um novo conceito para explicar o que tá acontecendo aqui: a hibridação de orbitais.
A hibridação de um orbital s com três orbitais p gera quatro orbitais
Agora, o carbono no
Ligações Pi (
Uma ligação pi ocorre quando há a sobreposição lateral de dois orbitais puros do tipo p (não híbridos).
Uma molécula terá uma ligação pi sempre que tiver ligações duplas ou triplas. Por exemplo, na molécula de eteno
Por conta disso, não podemos fazer a hibridação dos orbitais destes carbonos como fizemos para o
Repare como a linha do orbital p está um pouquinho acima dos híbridos sp. Isso é intencional, viu? É porque um orbital híbrido sp tem nível energético entre o s (menos energético) e o p (mais energético), então ele é mais energético que o orbital s puro mas continua sendo menos energético que o p puro.
Hibridação e Geometria Molecular
A hibridação dos carbonos é um dos pontos fundamentais para se entender a geometria de moléculas orgânicas.
Para qualquer tipo de hibridação, os orbitais formados se distribuem no espaço de modo a maximizar a distância entre si, a fim de diminuir a repulsão eletrônica.
No caso da hibridação
Na hibridação
Expansão do Octeto
Como que a TLV lida com casos em que ocorrem a expansão do octeto?
Nas estruturas de Lewis, alguns átomos podem fazer mais de ligações, quando tiverem orbitais d disponíveis. Aqui isso também pode acontecer, mas esses orbitais d vão ser hibridizados com os s e os p tal como viemos fazendo até aqui.
Por exemplo, pra molécula
Os orbitais resultantes dessa hibridação se arranjam espacialmente de forma bipiramidal trigonal, com aquela ideia de manter a maior distância possível entre um e outro.
Tudo beleza? Saca só esse resuminho:
Na Teoria da Ligação de Valência TLV, as moléculas se formam a partir da sobreposição de orbitais atômicos. Esses orbitais podem sofrer hibridação e são responsáveis pela geometria molecular.
Hibridação de Orbitais Atômicos
Ligações Pi ()
Hibridação e Geometria Molecular
Expansão do Octeto
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
USP – Lista de Exercícios de Química Tecnológica Geral 2015. Questão 14. Modificada.
Qual é a designação para os orbitais híbridos formados a partir de:
a) Um orbital s e dois orbitais p
b) Um orbital s e três orbitais p
c) Um orbital s, três orbitais p e um orbital d
d) Um orbital s e um orbital p
e) Um orbital s, três orbitais p e dois orbitais d
Passo 1
Não tem pegadinha!
É só você lembrar a designação dos orbitais mesmo. Pra você se ligar que a gente indica o número de orbitais que se combinaram por um número sobrescrito.
Passo 2
a) sp²
Hibridação com um orbital s e dois orbitais p.
Passo 3
b) sp³
Hibridação com um orbital s e três orbitais p.
Passo 4
c) sp³d
Hibridação com um orbital s, três orbitais p e um orbital d.
Passo 5
d) sp
Hibridação com um orbital s e um orbital p.
Passo 6
c) sp³d²
Hibridação com um orbital s, três orbitais p e dois orbitais d.
Resposta
a) sp²
b) sp³
c) sp³d
d) sp
e) sp³d²
Exercício Resolvido #2
USP – Lista de Exercícios de Química Geral PQI – Ligações Químicas. Questão 4.1.
Explique o tipo de hibridização apresentado pelo carbono no etano (), eteno (), etino () e 1,2-propanodieno (). Desenhe as moléculas destes hidrocarbonetos indicando os ângulos esperados de ligação, o tipo de cada orbital molecular e os orbitais de origem de cada orbital molecular.
Passo 1
Falai! Pra resolver essa questão temos que desenhar as moléculas desses caras ai do enunciado e explicar a hibridização do carbono.
Primeiro, você precisa estar ligado em algumas regrinhas de nomenclatura da química orgânica. O nome de cada molécula dá diversas informações importantes sobre as moléculas!
Com essas informações a gente consegue montar uma estrutura simplificada, e ai por ultimo, a gente consegue analisar as ligações e definir a hibridização e os ângulos de ligação do carbono. Show de bola? Vamos lá então!
Passo 2
Vamos começar então olhando pro nome de cada um! Tá vendo que o nome das moléculas começam com et-, et-, et- e prop-?
Isso nos indica o número de carbono:
- Et- significa que a estrutura tem 2 carbonos
- Prop- que a estrutura tem 3
Depois do prefixo, que indica o número de carbono, a gente tem -an-, -en-, -in- e -dien-.
Isso nos diz os tipos de ligação presentes na estrutura:
- (-an-) significa que tem apenas ligações simples
- (-en-) significa que tem 1 ligação dupla
- (-in-) significa que tem 1 ligação tripla
- (-dien-) significa que tem 2 ligações duplas, cujas posições são indicadas pelas números 1,2 na frente do nome.
Com essas informações a gente consegue montar estruturas simplificadas pra cada molécula. E seguir pros outros passos!
Passo 3
Etano – tem 2 carbonos e só tem ligações simples!
Pra definir os ângulos esperados nas ligações, a gente precisa definir a hibridação dos carbonos!
No etano cada carbono faz 4 ligações simples, ou seja, 4 ligações sigma. Eles vão usar 4 orbitais hibridizados, então precisam fazer hibridação . Na hibridação os ângulos entre as ligações são de, aproximadamente, 109,5°.
Então, pro etano:
As ligações são feitas entre um orbital do H e um orbital do carbono. Ligações .
A ligação é feita entre dois orbitais . .
A representação 3D dessa molécula pode ser feita assim:
Passo 4
Eteno – tem 2 carbonos e faz 1 ligação dupla. Como o hidrogênio só faz 1 ligação, então a ligação dupla tem que ser entre os átomos de carbono! Então nossa estrutura simplificada fica assim:
Como os dois carbonos fazem ligação dupla, primeiro eles fazem a ligação simples, sigma, e depois fazem a segunda ligação, que se chama ligação pi.
No eteno, os carbonos precisam reservar um orbital p puro pra ligação pi. Portanto, só vão hibridizar 3 orbitais, formando orbitais do tipo . Nessa hibridação as ligações formam ângulos de, aproximadamente, 120° entre si.
Pro eteno:
As ligações são feitas entre um orbital do H e um orbital do carbono. Ligações .
Entre os carbonos temos uma ligação , entre orbitais dos carbonos, e uma ligação .
Como a molécula é plana, a representação 3D é exatamente como a desenhada ali em cima. Nessa nossa representação colorida e vendo ela por mais de um ângulo:
Passo 5
Etino - tem 2 carbonos e faz 1 ligação tripla. Como o hidrogênio só faz 1 ligação, então a ligação tripla tem que ser entre os átomos de carbono!
No etino, os carbonos precisam reservar dois orbitais p puros pras ligações pi. Portanto, só vão hibridizar 1 orbital s e um orbital p, formando dois orbitais do tipo . Nessa hibridação as ligações formam ângulos aproximados de 180° entre si.
Pro etino:
As ligações são feitas entre um orbital do H e um orbital do carbono. Ligações .
Entre os carbonos temos uma ligação , entre orbitais dos carbonos, e duas ligações .
Como a molécula é linear, a representação 3D é exatamente como a desenhada ali em cima. E a representação com palitinhos coloridos fica extremamente sem graça:
Pois é, um palito colorido.
Passo 6
1,2-Propanodieno – tem 3 átomos de carbono e faz 2 ligações duplas. Como o hidrogênio só faz 1 ligação, então as ligações duplas tem que ser entre os átomos de carbono! O 1 indica que a gente tem uma ligação dupla partindo primeiro átomo de carbono e o 2 que temos uma outra dupla partindo do segundo átomo de carbono. Nossa estrutura simplificada fica assim então:
No propanodieno, cada carbono “dos cantos” está fazendo três ligações sigma e uma pi. Portanto, eles vão ter hibridação e suas ligações vão ficar cerca de 120° umas das outras. Pro carbono central, com duas ligações sigma e duas ligações pi, a hibridação vai ser do tipo , formando dois orbitais distantes por 180°.
Pro 1,2-propanodieno:
As ligações são feitas entre um orbital do H e um orbital do carbono. Ligações .
Entre os carbonos temos uma ligação , entre um orbital do carbono central e um orbital de um outro carbono, e duas ligações , entre o carbono central e cada um dos outros carbonos.
Pra te ajudar a enxergar a estrutura em 3D:
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #3
USP/IQSC – Lista de Exercícios de Química Geral – Ligação Química. Questão 04.
Por que é esperado que uma ligação sigma () formada pela sobreposição de orbitais híbridos seja mais forte que uma ligação sigma () formada pela sobreposição de orbitais híbridos ? Discorra sobre o assunto.
Passo 1
Você tá ligado que na hibridação o átomo usa um orbital e dois orbitais ?
E na hibridação ele usa um orbital e três orbitais .
Então a gente pode pensar que um orbital tem 1/3 de caráter , enquanto um orbital tem 1/4 de caráter .
Passo 2
Agora, por que uma ligação com maior caráter é mais forte?
Bem, você ainda se lembra o que é um nó no orbital?
É aquele ponto onde a função de onda vai a zero e a probabilidade de encontrar o elétron é nula!
Olhando pro orbital , você não vê nenhum nó. Ele até pode ter um nó radial lá dentro, mas a gente não vê, porque não existem nós angulares (planos nodais).
Isso quer dizer que colocando dois orbitais , frente a frente, não existe nenhum ponto onde a probabilidade de encontrar o elétron seja nula. Isso torna a ligação mais forte! Se a probabilidade de encontrar o elétron for nula, os núcleos ficam expostos um ao outro!
No orbital , por outro lado, isso não é verdade. Bem no centro ele tem um nó. Isso quer dizer que, aproximando dois átomos, fazendo seus orbitais interagir, existe um ponto onde não existe chance do elétron estar: isso enfraquece a ligação!
Por isso as ligações com maior caráter tendem a ser mais fortes que as outras.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #4
USP – Lista de Exercícios de Química Geral PQI – Ligações Químicas. Questão 4.3. Modificada.
O trifluoreto de boro é um gás incolor e muito tóxico. Sua molécula tem geometria plana.
a) Qual o tipo de hibridização do átomo de boro?
b) A partir da distribuição eletrônica do boro, descreva a formação dos orbitais híbridos.
c) Desenhe a molécula do e indique a classificação das ligações.
d) Existem orbitais atômicos de valência no boro que não sofreram hibridização? Caso sim, como eles estão orientados em relação aos orbitais híbridos?
Passo 1
a) Das hibridizações que a gente estudou, qual delas leva a ligações numa geometria trigonal planar?
A ! Então essa é a hibridização do boro no trifluoreto de boro.
Passo 2
b) Vamos ver a distribuição eletrônica do boro:
Ele precisa de um orbital s e dois orbitais p para fazer a hibridização!
Então ele vai usar o orbital e dois orbitais (o e o , por exemplo) para fazer a hibridização. Os 3 elétrons que ocupavam os orbitais de origem são redistribuídos nos novos orbitais híbridos, que tem o mesmo nível energético entre eles.
Passo 3
c) A molécula é trigonal planar, então a gente não precisa se preocupar em desenhar linha cheia ou linha tracejada pra dizer que tem uma ligação pra frente ou pra trás.
A molécula está toda “no plano do papel”. No caso, no “plano da tela do computador”:
Como ela é trigonal planar, o ângulo entre as ligações é de, aproximadamente 120°.
Agora olha aí a configuração eletrônica do flúor:
Ele tem um orbital com apenas 1 elétron, que ele pode usar pra fazer a ligação com o boro.
Então as três ligações que aparecem na estrutura da molécula são do tipo sigma (afinal elas são simples). Como elas se originam de um orbital do flúor e um orbital híbrido do boro, elas recebem o nome de .
Passo 4
d) Como a gente viu, o Boro hibridizou o orbital com dois orbitais , e sobrou um né? Ele também tem o puro, mas o enunciado pergunta na camada de valência.
Esse orbital vai ficar o mais distante possível das outras ligações, ou seja, perpendicular ao plano da molécula.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #5
Elaboração própria.
Faça a estrutura de Lewis para a molécula de e indique quantas ligações e que tipo de ligações a molécula possui. Dentre as ligações, qual será mais forte?
Passo 1
Vamos pro passo-a-passo da estrutura de Lewis.
Pra identificação do átomo central: não exite “átomo central” em uma molécula diatômica!
Passo 2
Liga esses dois nitrogênios aí:
Passo 3
Não sobrou ninguém sem ligar, então vamos pro próximo passo.
Passo 4
O 4° passo é a contagem do número de elétrons que aparecem na estrutura de Lewis para a molécula, que é igual a soma do número de elétrons de valência dos átomos.
Quantos elétrons de valência tem o nitrogênio?
Então a nossa estrutura pro precisa ter 10 elétrons!
Passo 5
Agora a gente volta pra nossa estrutura, completa os octetos e vê se o número de elétrons bate com o que a gente calculou que a estrutura tem que ter.
Olha só.. completando os octetos:
A nossa estrutura ficou com 14 elétrons!!! Não pode né? Tem que ser 10! Então bora fazer ligações múltiplas.
Pra que os nitrogênios sigam com o octeto completo e o número total de elétrons seja dez, a gente precisa fazer um dupla:
E como ainda tem elétrons demais (12), vamos fazer uma tripla:
Show! Dez elétrons!
Passo 6
Pra determinação das cargas formais, a gente faz a diferença entre o número de elétrons de valência de cada átomo, com o número de elétrons que ele aparece na estrutura de Lewis.
Pros nitrogênios:
Perfeito! Carga formal igual a zero, seu Lewis fica contente!
Estrutura pronta, bora pensar nos tipos de ligações.
Passo 7
Tá vendo aquela ligação tripla ali? Em uma ligação tripla a gente tem uma ligação e duas ligações .
Enquanto as ligações precisam de orbitais , as ligações podem ser feitas com orbitais hibridizados.
A ligação é mais forte que as ligações , porque ela acontece por uma interação frontal de orbitais, que é mais intensa que a interação lateral que ocorre em ligações do tipo .
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #6
USP – Lista de Exercícios de Química Tecnológica Geral 2015. Questão 33.
Quais orbitais atômicos estão envolvidos na ligação que liga o grupo metila () ao carbono da ligação dupla no propeno ()? Qual o tipo de ligação formada?
Passo 1
Tá vendo a molécula de propeno aqui?
O enunciado quer saber que orbitais estão envolvidos na ligação entre o segundo e o terceiro carbono (contando da esquerda para a direita).
Esses orbitais podem ser do tipo , ou hibridizados .
Pra saber isso, a gente precisa conhecer a hibridização de cada carbono. Assim a gente vai ver que orbitais ele está usando pra fazer ligações, certo?
Passo 2
Ainda contando da esquerda para a direita, o segundo carbono está fazendo uma ligação dupla.
Em uma ligação dupla, a gente sempre vai ter uma ligação e uma ligação .
Sabendo que a ligação deve ser feita com orbitais , sempre que o carbono tiver uma (e apenas uma) ligação dupla, a hibridação dele é , guardando um orbital .
Assim a gente sabe que a hibridação do 2° carbono é .
Passo 3
O terceiro carbono está fazendo 4 ligações simples, do tipo .
Quando o carbono faz 4 ligações assim, ele hibridiza todos os seus orbitais de valência, obtendo 4 orbitais .
Passo 4
Então os orbitais atômicos envolvidos na ligação entre os carbonos 2 e 3 serão um orbital e um .
E a ligação formada é do tipo . Ou , mais especificamente.
Resposta
Um orbital e um .
Ligação do tipo ().
Exercício Resolvido #7
UNESP – Lista de Exercícios de Química Tecnológica Geral 2015. Questão 26. Modificada.
a) Esboce uma ligação construída a partir de orbitais .
b) Esboce uma ligação .
c) Numa reação onde ocorra a quebra de uma ligação dupla, qual ligação será, geralmente, rompida primeiro: um ou uma ? Explique.
Passo 1
a) Em uma ligação do tipo , a interação dos orbitais deve ser sempre frontal.
Como exitem os orbitais , e , dependendo da orientação do orbital, a ligação se dará num determinado eixo.
Olha ai as diferentes maneiras que você pode representar uma ligação sigma :
Passo 2
b) Já nas ligações as interações serão sempre laterais. E aqui também não interessa em que eixo os orbitais estão orientados.
Vamos representar uma ligação entre orbitais , ok?
Entre orbitais :
Passo 3
c) Como a interação frontal é mais forte que a lateral, a ligação é mais forte que a ligação . Por isso, a ligação é quebrada antes.
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #8
USP/IQSC – Lista de Exercícios de Química Tecnológica Geral 2015. Questão 20.
Para os compostos , e os ângulos formados entre as ligações com o átomo central são, respectivamente: , e . Sugira um motivo.
Passo 1
N, P e As são da mesma família na tabela periódica.
Ao fazer 3 ligações, ficam com um par de elétrons não ligantes (e o octeto completo, direitinho).
Vamos ver as estruturas de Lewis desses caras.
Pela estrutura de Lewis a gente vê as ligações, mas não o arranjo espacial ou a geometria.
Passo 2
Agora vamos ver a configuração eletrônica dos átomos centrais, pra ter uma ideia da hibridação:
Então as camadas de valência desses caras são do tipo:
E a hibidração pode ser feita com esses orbitais:
Olha só como a gente consegue enxergar direitinho um par de elétrons não ligante e três orbitais prontos pra fazer ligações químicas!
Passo 3
Como a gente comentou, ao fazer a hibridação , o átomo vai fazer ligações com cerca de , num arranjo espacial tetraédrico.
Isso seria o esperado para os três compostos, no entanto, só o forma esses ângulos de fato.
Os outros dois tem ligações com cerca de , que é justamente o ângulo formado entre os orbitais p puros. Lembra que cada um deles está sobre um eixo? Então, eles são perpendiculares entre si!
Isso nos leva a crer que P e As não fazem hibridação dos orbitais para formar os compostos e .
Passo 4
Para explicar o motivo de P e As terem mais “dificuldade” em hibridizar seus orbitais de valência, existe uma teoria que diz que o problema deles são os orbitais das camadas mais internas.
De acordo com essa teoria, os orbitais atômicos e das camadas mais internas do P e As (que não existem no N), meio que “não aceitam” ou “atrapalham” a formação da hibridação e de ligações com um ângulo “estranho” como o de esperado para um .
A hibridação desses caras causaria uma sobreposição dos orbitais hibridizados com os orbitais atômicos já existentes, e essa sobreposição assimétrica (devido às diferenças angulares) não é favorecida.
Difícil de engolir né? Mas é a teoria mais aceita :)
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)