Hibridação sp3

Tópico 39 - Hibridação sp₃: CH₄

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O carbono (configuração electrónica 2s²2p²) tem quatro orbitais de valência e quatro electrões para as preencher. Assim, tem capacidade para formar quatro ligações.

A molécula de CH₄ é uma molécula que apresenta geometria tetraédrica e em que o carbono estabelece quatro ligações equivalentes com os átomos de hidrogénio. Recorrendo á Teoria de Orbitais Moleculares para descrever esta molécula, tem-se oito orbitais moleculares, quatro orbitais ligantes ocupadas e quatro orbitais antiligantes vazias, obtidas por combinação linear de todas as orbitais de valência dos átomos constituintes como indicado na equação 1:

ψ_i= c_i1 φ_2s (C) + c_i2 φ_2px (C) + c_i3 φ_2py (C) + c_i4 φ_2pz (C) +ci₅ φ_1s (H₁) + ci₆ φ_1s(H₂) + ci₇ φ_1s(H₃) + ci₈ φ_1s(H₄) (eq.1)

As orbitais híbridas de valência do carbono que descrevem a ligação neste composto correspondem aos quatro primeiros termos da Equação 1, isto é, são obtidas misturando as três orbitais 2p com a orbital 2s como indicado na Fig. 1:

Orbitais atómicas "puras"	Orbitais híbridas
	ψ₁= 1/√4 φ_2s + 1/√4 φ_2px + 1/√4 φ_2py + 1/√4 φ_2pz
	ψ₂= 1/√4 φ_2s + 1/√4 φ_2px - 1/√4 φ_2py - 1/√4 φ_2pz
	ψ₂= 1/√4 φ_2s - 1/√4 φ_2px - 1/√4 φ_2py+ 1/√4 φ_2pz
	ψ₃= 1/√4 φ_2s - 1/√4 φ_2px + 1/√4 φ_2py- 1/√4 φ_2pz

Figura 1- Combinação linear das orbitais 2s e 2p na hibridação sp₃.

As quatro orbitais híbridas sp₃ são equivalentes quer em termos energéticos quer de «composição»: as orbitais são degeneradas, com energia E_sp3= 1/4 E_{φ_2s} +3/4 E_{φ_2p} e apresentam 25% de carácter s e 75% de carácter p. O carbono no metano tem assim assim uma configuração electrónica: [He] sp₃¹sp₃¹sp₃¹sp₃¹.

As orbitais híbridas sp₃ dirigem-se segundo os ângulos de um tetraedro e apresentam sobreposição máxima com a orbital 1s de cada um dos hidrogénios. O metano é descrito como apresentando quatro ligações σ (localizadas) resultantes da sobreposição ou enlace topo a topo das orbitais 1s do hidrogénio com as orbitais híbridas sp₃ do carbono.

Figura 2 - Orbitais atómicas envolvidas na ligação química na molécula de CH₄Tal como nos restantes hidretos do 2º período, verifica-se que a aplicação do modelo enlace de valência na descrição de uma molécula tem limitações (link enlace de valência-resumo). Estas limitações são mais evidentes quando se compara a descrição da Fig. 2, que sugere que as três orbitais σ são degeneradas e com contornos de isoprobabilidade simétricos em relação ao plano XY, com o que se obtém na TOM. Na realidade, as orbitais σ não apresentam todas a mesma energia e os respectivos contornos de isoprobabilidade não são simétricos (Fig. 3).

Figura 3 - Diagrama de energia das orbitais moleculares e contornos de isoprobabilidade orbital da molécula de CH₄