Ibridazione

Metano: ibridazione sp ³

Il composto organico più semplice è la molecola di metano, che contiene un atomo di carbonio. Il suo guscio di valenza ha quattro elettroni, quindi è in grado di produrre quattro legami, e in una molecola di metano – con quattro atomi di idrogeno. Inizialmente si presumeva che a causa dell’uso di due tipi di orbitali (2s e 2p) durante la formazione dei legami, il metano avesse due diversi tipi di legami CH. Tuttavia, ulteriori ricerche hanno rivelato un’altissima probabilità che, nonostante questi presupposti, ogni legame CH esistente nel metano sia identico e spazialmente diretto verso gli angoli di un tetraedro regolare. È stato Linus Pauling a rispondere alla domanda perché è così. Ha dimostrato matematicamente come sia possibile l’ibridazione, cioè la miscelazione di un orbitale s con tre orbitali p. Ciò provoca la formazione di quattro orbitali atomici equivalenti la cui geometria spaziale ha la forma del tetraedro. Questo tipo di ibridazione è chiamato sp ³ . Il semplice termine "ibridazione" spiega logicamente come orbitali esattamente diversi si mescolino l’uno con l’altro, ma non risponde alla domanda sul perché tali trasformazioni avvengano effettivamente. Tuttavia, questo può anche essere spiegato. Quando un orbitale s si ibrida, si mescola con tre orbitali p e gli orbitali ibridati risultanti non sono disposti simmetricamente rispetto al nucleo. Questo perché l’orbitale sp ³ creato risulta avere un anello più piccolo e uno più grande. Quest’ultimo, essendo molto più grande, si sovrappone notevolmente meglio con l’orbitale di un altro atomo durante la formazione del legame. Di conseguenza, gli orbitali o un tale ibrido sp ³ creano legami che sono molto più forti rispetto agli orbitali s e p non ibridati.

Il meccanismo di ibridazione sp ³

Gli orbitali sp ³ presentano un’asimmetria che si riferisce all’equazione delle onde che definisce gli orbitali p; di conseguenza le due spire hanno segno opposto: più e meno. A causa di quella caratteristica e della sovrapposizione degli orbitali p e s, uno degli anelli dell’orbitale p è additivo, mentre l’altro è sottrattivo con l’orbitale s. Di conseguenza, questi anelli vengono aggiunti o sottratti dall’orbitale s, che forma un orbitale ibrido fortemente orientato in una direzione. Quando orbitali identici di un atomo di carbonio, con ibridazione sp ³ , si sovrappongono con orbitali 1s di quattro atomi di idrogeno, i legami CH risultanti sono identici. Nel metano, la loro energia di legame è di 438 kJ/mol e la loro lunghezza arriva fino a 1,10 Å. Questi sono valori caratteristici fissati per un particolare legame in quella molecola. Un’altra caratteristica della geometria di quella molecola è l’angolo di legame. Determina l’angolo formato tra due legami HCH consecutivi ed è uguale esattamente a 109,5 ^° . Lo chiamiamo angolo tetraedrico.

Etano: ibridazione sp ³

Un altro composto che può essere considerato allo stesso modo è l’etano, che contiene un legame tra atomi di carbonio (CC). Gli atomi di carbonio esistenti nella sua struttura si collegano tra loro come risultato della sovrapposizione di orbitali σ nell’ibrido sp ³ di ciascuno di essi. Gli altri tre orbitali ibridati di ciascun atomo di carbonio si sovrappongono agli orbitali 1s degli atomi di idrogeno. Questo crea sei legami CH identici. Tali legami sono caratterizzati da un’energia di 420 kJ/mol. I legami CC hanno un’energia di 276 kJ/mol e una lunghezza di 1,54 Å. Gli angoli formati in tale configurazione sono tetraedrici (109,5 ^° ).

Etilene: ibridazione sp ²

Lo stato elettronico più comune per il carbonio è l’ibridazione sp ³ , ma esistono anche altre varianti. La ricerca ha rivelato che nell’etilene, ad esempio, gli atomi di carbonio mostrano una quantità adeguata di legami solo se si legano tra loro per condividere quattro elettroni. Quindi formano un doppio legame tra loro. Un altro fatto è che l’etilene ha una struttura piatta e gli angoli tra i suoi legami sono di 120 ^° . Questo perché in questo caso l’orbitale 2s si mescola con solo due dei tre orbitali 2p esistenti. Il risultato è la presenza di tre orbitali ibridati chiamati sp ² . Esiste anche un orbitale 2p, che non è ibridato. Allora la struttura geometrica è la seguente: tre orbitali ibridati si trovano sullo stesso piano, a 120 ^° l’uno dall’altro, mentre l’orbitale p non ibridato è perpendicolare al piano ^sp2 .

Il meccanismo di ibridazione ^sp2

Come risultato della sovrapposizione degli orbitali sp ² -sp ² , due atomi di carbonio con ibridazione sp ² formano un legame σ. Gli orbitali p non ibridati degli atomi si sovrappongono lateralmente l’uno all’altro, il che provoca la formazione di un legame π. In un tale legame, le aree di densità elettronica sono presenti su entrambi i lati della linea tra i nuclei, anche se non direttamente tra di loro. Tale configurazione, che contiene un legame σ dell’ibrido sp ² e un legame π di atomi non ibridati, porta a condividere quattro elettroni tra due atomi di carbonio, formando così un doppio legame C=C. Pertanto, la struttura dell’etilene contiene quattro atomi di idrogeno, che formano un legame σ con quattro orbitali sp ² che rimangono una volta formato il doppio legame. La molecola ha una geometria piatta e gli angoli di legame sono di circa 120 ^° . I valori specifici del legame CH sono la lunghezza di 1.076Å e l’energia di 444 kJ/mol. Poiché sono condivisi solo due elettroni, non quattro (a differenza, ad esempio, della struttura dell’etano), il doppio legame C=C è più corto e più forte di un singolo legame CC. Nell’etilene ha una lunghezza di 1,33 Å e un’energia di 611 kJ/mol. Con la teoria degli orbitali molecolari, possiamo anche osservare che la combinazione di due orbitali p atomici forma orbitali π molecolari di legame e antilegame. Un orbitale di legame non ha un nodo tra i nuclei a causa della combinazione additiva del p-loop con lo stesso segno algebrico. Al contrario, un orbitale antibonding ha un nodo tra i nuclei dovuto all’effetto sottrattivo del loop con diversi segni algebrici. Di conseguenza, viene riempito solo l’orbitale molecolare di legame meno energetico.

Acetilene: ibridazione sp

Un’altra possibilità di collegamento tra gli atomi di carbonio è la formazione di un triplo legame con sei elettroni condivisi. A questo scopo, dobbiamo introdurre un’altra ibridazione orbitale, chiamata ibridazione sp. In questa configurazione, l’orbitale 2s dell’atomo di carbonio si mescola solo con un singolo orbitale p. Ciò porta alla formazione di due orbitali con ibridazione sp e due orbitali p. Gli orbitali sp formano una struttura lineare e l’angolo tra loro è di 180 ^° lungo l’asse x. Gli altri orbitali p sono perpendicolari agli altri assi (y e z). Quando due atomi di carbonio con ibridazione sp si sovrappongono, ciò provoca una sovrapposizione frontale che porta alla formazione di un forte legame σ (tipo sp-sp). Inoltre, si verifica la sovrapposizione laterale di entrambi gli orbitali p _y – e p _z , che forma legami π (tipo p _y -p _y ) e legami π (tipo p _z -p _z ) in quel particolare ordine. Di conseguenza, vengono condivisi sei elettroni, che formano un triplo legame C≡C. Gli altri orbitali degli ibridi sp formano legami σ con gli atomi di idrogeno. A causa della sua ibridazione sp, l’etina è una molecola lineare con angoli di legame HCC di 180 ^° . Il legame CH nell’acetilene ha la lunghezza di 1.06Å e l’energia di 552 kJ/mol. La lunghezza di quel legame è minore e la sua energia è maggiore rispetto ai legami singoli e doppi. Questi valori sono rispettivamente 1,20Å e 835 kJ/mol. È il legame più breve e più forte che può esistere tra gli atomi di carbonio.

Ibridazione di altri atomi

I concetti di tre tipi di ibridazione (sp, sp ² e sp ³ ) sono applicabili non solo in strutture che contengono atomi di carbonio. Altri elementi possono anche essere descritti nelle molecole con l’uso di orbitali ibridi.

1. La molecola di ammoniaca (NH ₃ ) – l’atomo di azoto ha cinque elettroni di valenza e produce tre legami atomici, che si avvicinano a un ottetto. L’angolo di legame HNH è stato misurato sperimentalmente; è uguale a 107,3 ^° , quindi è vicino all’angolo tetraedrico. Ciò suggerisce che l’ammoniaca dovrebbe essere considerata nel contesto di sp ³ L’atomo di azoto si ibrida con la formazione di quattro orbitali sp ³ ; uno di essi ha due elettroni di non legame, mentre ogni altro orbitale contiene un elettrone di legame. La sovrapposizione di orbitali ibridi con orbitali 1s produce un legame σ con 1.008Å di lunghezza e 449 kJ/mol di energia.
2. La molecola dell’acqua (H ₂ O) – l’atomo di ossigeno mostra anche sp ³ Tuttavia, contiene sei elettroni di valenza, quindi forma due legami atomici, lasciando due coppie di elettroni libere. L’angolo di legame HOH nella molecola è 104,5 ^° , quindi è anche simile all’angolo tetraedrico, il che suggerisce l’ibridazione. Qualsiasi valore di quell’angolo inferiore è probabilmente il risultato di ben due coppie di elettroni liberi, che si allontanano a vicenda. Il legame OH ha una lunghezza di 0,958 Å e un’energia di 498 kJ/mol.
3. La molecola del fluoruro di boro (BF ₃ ) – l’atomo di boro include tre elettroni di valenza, quindi può produrre solo tre legami senza raggiungere un ottetto. Tuttavia, gli atomi esistenti di fluoro formano legami BF con esso, disposti spazialmente il più lontano possibile l’uno dall’altro. Il risultato è una struttura trigonale della molecola, e sp ² Ciascuno dei tre atomi di fluoro si lega a un orbitale ibridato di boro, lasciando il suo orbitale p non riempito.