Chimica per non-magistrati

Orbitali ibridi – sp3

Lo schema di legame descritto dalla teoria del legame di valenza deve rendere conto delle geometrie molecolari come previsto dalla teoria VSEPR. Per farlo, dobbiamo introdurre un concetto chiamato orbitali ibridi.

Ibridazione sp 3

Purtroppo, la sovrapposizione degli orbitali atomici esistenti (s, p, ecc.) non è sufficiente a spiegare alcune delle geometrie di legame e molecolari che si osservano. Consideriamo l’elemento carbonio e la molecola di metano (CH 4 ). Un atomo di carbonio ha la configurazione elettronica di 1s 2 2s 2 2p 2 , il che significa che ha due elettroni spaiati nei suoi orbitali 2p, come mostrato nella figura seguente.

Figura 1. Configurazione orbitale per l’atomo di carbonio.

Secondo la descrizione della teoria dei legami di valenza finora, ci si aspetta che il carbonio formi solo due legami, corrispondenti ai suoi due elettroni spaiati. Tuttavia, il metano è una molecola comune e stabile, con quattro legami C-H equivalenti. Per renderne conto, uno degli elettroni 2s viene promosso all’orbitale 2p vuoto (vedi figura 2 sotto).

Figura 2. Promozione dell’elettrone s del carbonio all’orbitale p vuoto.

Ora, quattro legami sono possibili. La promozione dell’elettrone “costa” una piccola quantità di energia, ma ricordiamo che il processo di formazione del legame è accompagnato da una diminuzione di energia. I due legami extra che possono ora essere formati si traducono in una minore energia complessiva e quindi in una maggiore stabilità della molecola CH 4. Il carbonio forma normalmente quattro legami nella maggior parte dei suoi composti.

Il numero di legami è ora corretto, ma la geometria è sbagliata. I tre orbitali p (px , py, pz) sono orientati a 90 o l’uno rispetto all’altro. Tuttavia, come si è visto dalla teoria VSEPR, l’angolo di legame H-C-H osservato nella molecola tetraedrica CH 4 è in realtà 109,5 o . Pertanto, la molecola di metano non può essere adeguatamente rappresentata dalla semplice sovrapposizione degli orbitali 2s e 2p del carbonio con gli orbitali 1s di ogni atomo di idrogeno.

Per spiegare il legame nel metano, è necessario introdurre il concetto di ibridazione e orbitali atomici ibridi. L’ibridazione è la mescolanza degli orbitali atomici in un atomo per produrre un insieme di orbitali ibridi. Quando si verifica l’ibridazione, deve farlo come risultato della mescolanza di orbitali non equivalenti. In altre parole, gli orbitali s e p possono ibridarsi ma gli orbitali p non possono ibridarsi con altri orbitali p. Gli orbitali ibridi sono gli orbitali atomici ottenuti quando due o più orbitali non equivalenti formano lo stesso atomo e si combinano in preparazione alla formazione del legame. Nel caso attuale del carbonio, il singolo orbitale 2s si ibrida con i tre orbitali 2p per formare un insieme di quattro orbitali ibridi, chiamati ibridi sp 3 (vedi Figura 3 sotto).

Figura 3. Orbitali ibridi sp 3 del carbonio.

Gli ibridi sp 3 sono tutti equivalenti tra loro. Spazialmente, gli orbitali ibridi puntano verso i quattro angoli di un tetraedro.

Figura 4.

Il processo di ibridazione sp3 è la mescolanza di un orbitale s con un insieme di tre orbitali p per formare un insieme di quattro orbitali ibridi sp 3. Ogni grande lobo degli orbitali ibridi punta ad un angolo di un tetraedro. I quattro lobi di ciascuno degli orbitali ibridi sp 3 si sovrappongono poi con i normali orbitali 1s non ibridizzati di ogni atomo di idrogeno per formare la molecola tetraedrica del metano.

Glossario

Orbitali ibridi – sp e sp 2

Ibridizzazione sp

Una molecola di idruro di berillio (BeH 2 ) è prevista essere lineare da VSEPR. L’atomo di berillio contiene tutti gli elettroni appaiati e quindi deve anche subire l’ibridazione. Uno degli elettroni 2s viene prima promosso all’orbitale 2p x vuoto (vedi figura sotto).

Figura 5. Promozione dell’elettrone Be 2s.

Ora l’ibridazione avviene solo con gli orbitali occupati e il risultato è una coppia di orbitali ibridi sp. I due orbitali p rimanenti ( p y e p z ) non si ibridano e rimangono non occupati (vedi figura 6 sotto).

Figura 6. La geometria degli orbitali ibridi sp è lineare, con i lobi degli orbitali che puntano in direzioni opposte lungo un asse, definito arbitrariamente come l’asse x (vedi figura 7). Ciascuno può legarsi con un orbitale 1s di un atomo di idrogeno per formare la molecola lineare BeH 2.

Figura 7. Il processo di ibridazione sp è la mescolanza di un orbitale s con un singolo orbitale p (il pxorbitale per convenzione), per formare un insieme di due ibridi sp. I due lobi degli ibridi sp puntano uno di fronte all’altro per produrre una molecola lineare.

Anche altre molecole la cui geometria del dominio elettronico è lineare e per le quali l’ibridazione è necessaria formano orbitali ibridi sp. Gli esempi includono CO2 e C2H2, che saranno discussi in dettaglio più avanti.

Ibridizzazione sp 2

Il trifluoruro di boro (BF 3 ) è previsto avere una geometria trigonale planare dalla VSEPR. Prima un elettrone 2s accoppiato è promosso all’orbitale 2p y vuoto (vedi Figura 8).

Figura 8. Promozione dell’elettrone 2s.

Questo è seguito dall’ibridazione dei tre orbitali occupati per formare un insieme di tre ibridi sp 2, lasciando l’orbitale 2p z non ibridato (vedi figura 9).

Figura 9. Formazione dell’orbitale sp2.

La geometria degli orbitali ibridi sp 2 è trigonale planare, con i lobi degli orbitali che puntano verso gli angoli di un triangolo (vedi figura 9). L’angolo tra due qualsiasi dei lobi degli orbitali ibridi è di 120°. Ciascuno può legarsi con un orbitale 2 p di un atomo di fluoro per formare la molecola trigonale planare BF 3.

Figura 9.

Il processo di ibridazione sp2 è la mescolanza di un orbitale s con un insieme di due orbitali p (p x e p y ) per formare un insieme di tre orbitali ibridi sp 2. Ogni grande lobo degli orbitali ibridi punta a un angolo di un triangolo planare.

Altre molecole con una geometria del dominio elettronico planare trigonale formano orbitali ibridi sp 2. L’ozono (O 3 ) è un esempio di una molecola la cui geometria del dominio elettronico è trigonale planare, anche se la presenza di una coppia solitaria sull’ossigeno centrale rende la geometria molecolare piegata. L’ibridazione dell’atomo di O centrale dell’ozono è sp 2.

Sommario

• Gli elettroni accoppiati possono essere ibridati e quindi partecipare al legame covalente.

Pratica

Utilizza il link sottostante per rispondere alle seguenti domande. Leggi solo la sezione sul boro.

http://www.adichemistry.com/general/chemicalbond/vbt/hybridization-illustrations.html

1. Quanti elettroni spaiati ci sono nello stato fondamentale del boro?
2. Dove prende il boro tre elettroni spaiati per legarsi e formare BCl3?
3. Qual è la geometria del BCl3?

Review

1. L’atomo di berillio allo stato fondamentale contiene degli elettroni spaiati?
2. Perché un elettrone 2s nel Be viene promosso a un orbitale 2p?
3. Qual è la geometria dei due orbitali sp?

Mostra riferimenti

1. Priit Kallas (Wikimedia: Pk2000).http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perspective_branches.jpg .
2. Fondazione CK-12 – Joy Sheng.
3. Fondazione CK-12 – Joy Sheng.
4. Fondazione CK-12 – Joy Sheng.
5. Fondazione CK-12 – Jodi So. Fondazione CK-12.
6. Frank Dicksee. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Romeo_and_Juliet_%28detail%29_by_Frank_Dicksee.png .
7. Fondazione CK-12 – Joy Sheng.
8. Fondazione CK-12 – Joy Sheng.
9. Fondazione CK-12 – Jodi So, utilizzando la molecola 3D di Ben Mills (Wikimedia: Benjah-bmm27). Molecola 3D: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beryllium-hydride-molecule-IR-3D-balls.png.
10. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
11. CK-12 Foundation – Joy Sheng.
12. CK-12 Foundation – Jodi So, utilizzando la struttura molecolare 3D di Ben Mills (Wikimedia: Benjah-bmm27). Molecola 3D: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boron-trifluoride-3D-balls.png.