Estaba mirando la estructura química de $\ce{H2SO4}$.
Intuitivamente, hubiera esperado que esta molécula fuera planar cuadrada de acuerdo con la hibridación $p^2d^2$ o $sp^2d$, pero en cambio se muestra en una geometría tetraédrica consistente con la hibridación $sp^3$. ¿Por qué es esto?
Supongo que una forma alternativa de hacer esta pregunta es: ¿Cuál es la hibridación del átomo de azufre en $\ce{H2SO4}$?
Es mucho más fácil de explicar en un ejemplo más sencillo - la molécula $\ce{O3}$. Tiene la estructura de híbrido de resonancia de $\ce{O=O+-O-}$ y su espejo. Y por supuesto, el átomo central tiene un estado de hibridación de $sp^2$. Un enlace aquí es un enlace covalente normal, y otro enlace es dativo: un par de electrones es donado a un orbital vacante de un átomo de $\ce{O}$ con todos los electrones emparejados. En la molécula de $\ce{H2SO4}$, dos enlaces son simples covalentes (los de $\ce{S-OH}$), y dos son dativos (los de $\ce{S-O}$). Un concepto común de desaparición de electrones, que yo conozco, se demuestra como incorrecto por cálculos de química cuántica y experimentos espectrales para compuestos hipervalentes de $\ce{P}$ y $\ce{S}$.
Un ejemplo un poco más interesante es la molécula de $\ce{XeF2}$, donde se forman enlaces de tres átomos y cuatro electrones $\ce{F-Xe-F}$; que puede ser pensado como un híbrido de resonancia de la estructura $\ce{F-Xe+\ F-}$ y su espejo $\ce{F- \ Xe+-F}$
Por supuesto, este esquema aún está lejos de ser perfecto, ya que la realidad es mucho más complicada, pero si no deseas tomar un curso de química cuántica, debería ser suficiente. Sin embargo, recomendaré buscar "modelo MO LCAO": es bastante simple y muy útil. También se usa frecuentemente en libros y artículos de química avanzada.
La explicación de Permeakra es precisa, pero realmente no entendí bien el resultado hasta que visité la página de Wikipedia sobre Sulfato.
El aspecto central de la pregunta y la confusión fue por qué una configuración de diez electrones adoptaría una configuración sp3 más reflejante de un octeto. Esta fue una fuente de confusión que se remonta a Gilbert Lewis, quien originalmente propuso la siguiente estructura compatible con una hibridación sp3 (modelo 2):
Linus Pauling interviene para proponer que dos de los orbitales d juegan un papel, sugiriendo que debería haber una hibridación sp3d2. El problema surge entonces con el papel de los enlaces Pi y cómo encajan en la estructura con la propuesta de que los orbitales p ocupados se superponen con los orbitales d vacíos.
Finalmente, a partir de cálculos computacionales, resulta que el azufre está efectivamente cargado y hay muy poco carácter pi. Como se concluye en ¿Qué tan relevantes son los dobles enlaces S=O y P=O para la descripción de las moléculas ácidas H2SO3, H2SO4 y H3PO4, respectivamente?, el modelo 1 con enlaces S=O es incorrecto, aunque así es como enseñamos química en la secundaria y la universidad.
Supongo que una forma alternativa de hacer esta pregunta es cuál es la hibridación de H2SO4?
Una mejor manera de hacer esta pregunta podría ser: "¿Cuál es la hibridación del átomo de azufre en Sulfato de Hidrógeno?"
El átomo de azufre tiene un enlace con cuatro átomos más en esta molécula. Debido a que los electrones tratan de mantenerse lo más alejados posible según la Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia (VSEPR), los otros átomos se separarán lo más posible, lo que resulta en enlaces que están a 109.5 grados de distancia uno del otro. Si esto fuera una disposición plana cuadrada, los enlaces estarían solo a 90 grados de distancia, lo cual no sería tan satisfactorio como la disposición tetraédrica proporcionaría.
Según mi libro, si el número de pares efectivos es 4, la disposición es tetraédrica, y por lo tanto la hibridación requerida es $sp^3$
Fuente: Zumdahl, Zumdahl, Chemistry: An Atoms First Approach
ISBN-13: 978-0840065322
Esto ciertamente responde la pregunta, ¿pero por qué?
Tiene que ver con los orbitales moleculares, y cómo solo contienen cierta cantidad de electrones, y prefieren distribuirse uniformemente porque en el mundo cuántico, los electrones tienden a preferir el estado de energía más bajo posible. Una vez que el enlace sigma está ocupado, que es el primer orbital referido como el orbital s, los electrones terminan ocupando los orbitales p, y cuando los electrones se comparten a través de estos orbitales se llaman enlaces pi, en realidad forman un nuevo orbital completo, un orbital molecular, que permite el intercambio de electrones entre dos átomos. Permítame referirle a este sitio web para ayudarlo visualmente a mostrarle qué está sucediendo.
Al final, no hay forma de predecir la estructura de una molécula dada. Sí, con experiencia se puede adivinar correctamente en muchos casos, pero no en todos.
La forma en que todo esto funciona es primero encontrar la estructura y luego segundo trabajar en el esquema de enlace que da esta estructura. En principio, se puede hacer un cálculo cuántico ab initio, pero eso no es realmente práctico para moléculas con un número considerable de electrones como $\ce{(NH3)2SO4}$. Por lo tanto, la mayoría de las veces se utiliza un procedimiento de aproximación.
Hay dos aproximaciones simples. Una son los orbitales moleculares, la otra es la aproximación LCAO (combinación lineal de orbitales atómicos). Describen lo mismo pero usan un lenguaje diferente. La elección de cuál usar depende de la persona que busca la respuesta.
Como ejemplo de todo esto, intenta predecir el enlace y la estructura de $\ce{H3PO4}$ sin saber la respuesta.
El azufre tiene cuatro orbitales $sp^3$ (cuatro enlaces $\sigma$) con oxígeno y dos enlaces $\pi$ (orbitales $d$). En el caso del ion $\ce{SO4^{2-}}$, también el azufre tiene cuatro orbitales $sp^3$ y cuatro enlaces $\pi$ con orbitales $d$. El electrón del hidrógeno se mueve a los orbitales d del azufre 
I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.
