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Distribuição eletrônica

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Mensagem por Diegomedbh Seg 30 Jul 2012, 21:29

Um aluno ouviu de um professor que explicava a estrutura do metano que, para alguns átomos adquirirem a estabilidade, eles devem apresentar octeto completo e que o carbono é tetravalente. O aluno não entendeu e o professor o orientou dizendo: “pense na configuração eletrônica do carbono”.

O aluno, ao fazer a distribuição eletrônica, conclui corretamente que o que explica a tetracovalência do átomo de carbono na estrutura do metano é o estado:

(A) ativado, pois de acordo com ele há quatro elétrons desemparelhados.
(B) excitado, pois de acordo com ele ao fazer quatro ligações completa-se o octeto.
(C) fundamental, pois de acordo com ele a distribuição eletrônica termina em 2s2 2p2.
(D) fundamental, pois de acordo com ele há quatro elétrons no último nível.
(E) híbrido, pois de acordo com ele os orbitais apresentam a mesma energia.

Spoiler:

Poderia explicar a ideia necessária para chegarmos a resposta correta, e
consequentemente descartar as outras?
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Mensagem por rihan Ter 31 Jul 2012, 19:07

No CH4 sabe-se que a energia de todas as ligações C-H são idênticas, como era de se esperar.

Logo, para isso acontecer e se conciliar com a teoria quântica das distribuições dos elétrons, algo precisa ser feito:

Carbono, Z = 6

1 s²

2 s² 2p²

Como a eltronegatividade do C é próxima a do H, haverá ligação covalente. O Carbono precisa de 4 e cada H de uma. Espacialmente teremos, para haver simetria:

[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem] ou [Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]



Como as ligaçõe têm que ter as mesmas energias, inventa-se os 4 orbitais híbridos na camada 2:

2 s² 2p² --> (↑↓) (↑_) (↑_) (_ _)

Vira:

Quatro "orbitais híbridos" do tipo sp³, resultado da "fusão" de 1 orbital do tip "s" e 3 do tipo "p":

(↑_) (↑_) (↑_) (↑_)

Todos com a mesma energia.

Com cada orbital incompleto haverá uma covalência com os 4 Hs, consertando a coisa toda.

Belo remendo.


Última edição por rihan em Qui 02 Ago 2012, 12:51, editado 1 vez(es)

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Distribuição eletrônica Empty Re: Distribuição eletrônica

Mensagem por Diegomedbh Qui 02 Ago 2012, 10:34

Olá rihan,

Por que os orbitais híbridos terão a mesma energia? Como posso explicar isso?

Muito obrigado ótima resposta!
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Distribuição eletrônica Empty Re: Distribuição eletrônica

Mensagem por rihan Qui 02 Ago 2012, 12:54

São iguais entre si.

Havia 1 orbital 2s com menor energia e 3 orbitais 2p com energia maior.

O "híbrido" é isso: 4 orbitais com a mesma energia.

Você está me perguntando algo assim:

Por que 4 orbitais iguais são iguais ? ...

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Distribuição eletrônica Empty Re: Distribuição eletrônica

Mensagem por Diegomedbh Qui 02 Ago 2012, 17:48

O carbono no seu estado fundamental (estado isolado) de menor energia apresenta configuração eletrônica que permite duas ligações, através dos seus orbitais p semipreenchidos.

O carbono no seu estado ativado de maior energia apresenta quatro ligações, pois temos quatro orbitais semipreenchidos (2s, px,py e pz). Mais o problema é que este estado ainda não explica o fato de as quatro ligações serem iguais.

Diante disso, surge a ideia de orbitais híbridos e eles:

Possuem a mesma energia porque são iguais! Muito bom compreendi!

rihan escreveu:Por que 4 orbitais iguais são iguais ? ...

Não sabia que isso equivalia a : Por que eles possuem a mesma energia?

Obrigado rihan.
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Distribuição eletrônica Empty Re: Distribuição eletrônica

Mensagem por rihan Qui 02 Ago 2012, 21:04

[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar este link],

Pelo jeito, você não compreendeu bem...

Vou mudar a explicação.

1) " (...) Um aluno ouviu de um professor, que explicava a estrutura do metano, que (...)"

O professor está mostrando aos alunos a estrutura conhecida, a observada por técnicas espectroscópicas, a estrutura real do metano conhecida experimentalmente.

Nessa estrutura, que é real e não teórica, o carbono espacialmente ocupa o centro de um tetraedro regular e os hidrogênios os vértices.

Os ângulos e distâncias das 4 ligações são os mesmos, evidenciando 4 orbitais moleculares iguais em energia, ou seja, "iguais".

Um orbital atômico é uma função espaçotempo (x,y,z,t) que descreve matematicamente o comportamento ondulatório de um ou dois elétrons.

Através dessa função de onda podemos calcular, para cada valor do domínio (x,y,z,t), a probabilidade de se encontrar o elétron ou o par.

A Teoria Quântica foi inventada a partir do axioma ou princípio que nos diz que a energia vem em pacotes, cada pacote equivalente a uma certa quantidade (quantum), e que temos números inteiros desses pacotes (quanta).

O modelo da estrutura atômica foi então melhorado para se adequar às experiências e à nova Teoria.

Para se caracterizar cada estado usou-se um modelo construtivo (em alemão: Aufbau) onde a energia e o momento angular era quantizado (quantificado).

Para simplificar usa-se os "números quânticos" — n , , m , ms — em vez de se falar no que representam:

(i)n := principal

Ao principal n associamos a idéia de órbitas ou camadas, os números 1,2,3... ou as letral K, L, M... . Ele nos informa a energia daquela camada, como se fosse a altura nos informando a energia potencial. No modelo construtivo, sendo o átomo como um prédio, ele nos informa o andar onde há grande probabilidade de se encontrar um elétron.


(ii) := azimutal ou angular ou orbital ou secundário

O secundário ou azimutal nos informa sobre o vetor momento angular do elétron, isto é, sobre o seu "movimento" naquela camada, sua "translação" em torno da camada. O associamos às subcamadas e lhe damos números de 0 a n-1. Também os físico-químicos os chamam pelas iniciais dos termos que descrevem suas raias espectrais:

0 → sharp

1 → principal

2 → diffuse

3 → fundamental

No modelo construtivo, o associamos ao tipo de apartamento: 1, 3, 5 ... quartos...


(iii) m := magnético

Nos informa a projeção ou componente do vetor momento angular. A ele damos os números de -ℓ a ℓ. No modelo Aufbau nos indica em qual quarto há grande probabilidade de se encontrar um elétron ou um casal.


(iv) ms:= spin

Nos fala sobre o "giro", a "rotação em torno do próprio eixo", o momento angular intrínsico. Pode assumir dois valores: ±1/2

Foram criadas, também para adequar o modelo à realidade experimental, as conhecidas Regra da Exclusão de Pauli e a Regra de Hund.

Finalmente, em 1930, Dirac, partindo somente das hipóteses relativísticas de Einstein, obteve como soluções de suas equações todos os números quânticos e as "Regras" deixaram de ser regras.

Então, em cada orbital (quarto) podemos ter 2 elétrons de momentos angulares e lineares próximos, mas distintos, sendo diferenciados pelo número magnético de spin.

Com todos esses conceitos e princípios você estabelece um esquema de distribuir elétrons, o Princípio Aufbau, o conhecido "spdf", que, ainda, erroneamente e infelizmente e incrivelmente é chamado no Brasil de "Diagrama de Pauling"...

2) Sabe-se, experimentalmente, que o metano é um composto apolar, o que também ratifica a sua geometria espacial (ou vice-versa...).

Para explicar isso e outras coias mais criou-se duas coisas a Teoria dos Orbitais Moleculares e a Teoria de Valência.

Cada uma com seus méritos e defeitos, ambas explicavam e explicam da mesma forma o que acontecia com o Carbono do metano: a hibridização (hibridação).

O gigante Linus Pauling (aí sim foi ele !) foi o primeiro a definir o conceito de hibridização, justamente para explicar a estrutura do metano.

Para que houvesse a simetria era necessário que os 4 orbitais moleculares fossem iguais, tivessem a mesma energia.

Ora, sabemos que os orbitais atômicos do Carbono são quatro e diferentes.

Como não era possível serem diferentes diante dos fatos experientais da realidade, mudou-se o modelo e inventou-se os orbitais híbridos "iguais", i.e., com a mesma energia.

3) (...) o que explica a tetracovalência do átomo de carbono na estrutura do metano é o estado (...) híbrido, pois de acordo com ele (o estado híbrido) os orbitais apresentam a mesma energia.

[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]

Vira:


[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]

Onde você pode colocar ou não o "2" na frente dos "sp³", para ressaltar que ambos os quatro têm a mesma energia, o mesmo número quântico principal.

4) Moral da História

Está funcionando até hoje, e muito bem. Deixa quieto.

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Distribuição eletrônica Empty Re: Distribuição eletrônica

Mensagem por Diegomedbh Qui 02 Ago 2012, 22:02

Pelo que li,

É exatamente o que havia pensado.

O estado fundamental não explica a tetravalência do carbono, pelo motivo já descrito no tópico anterior.

O estado excitado apesar de explicar as quatro ligações no metano, não explica o fato dessas quatro ligações no metano serem iguais, pois os orbitais s e p dariam ligações diferentes com o hidrogênio.

Surge, então, a ideia da hibridização de orbitais, ou seja, uma mistura de orbitais, originando quatro orbitais híbridos exatamente iguais o que confirmar a alternativa e como resposta!

Resumindo, este foi meu entendimento sobre o assunto.

Valeu mesmo rihan. Sempre muito esclarecedor e preocupado em ajudar.
Muito obrigado mesmo!

Abração.
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Mensagem por rihan Qui 02 Ago 2012, 23:13

cheers

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