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L’ibridazione degli orbitali sferici (s) e ad elica (p) darebbe nuovi orbitali uguali.

Solo ipotizzando l’ibridazione si riesce a spiegare forma simmetrica delle molecole partendo da orbitali diversi: s e p.

L’ibridazione soppianta la teoria della valenza, quest’ultima è più adatta per prevedere la forma delle molecole biatomiche.

Legami Pigreco

Il legame pigreco nasce fra 2 atomi che offrono entrambi un orbitale p: non è ibrido.

Legami Sigma

Il legame sigma nasce fra 2 atomi dove uno offre un orbitale s e l’altro atomo offre un orbitale p: è ibrido

Il legame sigma avviene tra atomi che condividono una sola coppia di elettroni, cioè legame semplice.

Il legame sigma è più forte del legame pigreco.

Sigma e Pigreco

Convivenza sigma-ibrido e pigreco-non-libero:

I legami doppi hanno un solo legame sigma e 1 pigreco.

I legami tripli hanno un solo legame sigma e 2 pigreco.

Orbitale ibrido

L’ibrido è qualcosa di nuovo, che prima non c’era e ora c’è, come l’incrocio tra un asino e una cavalla genera un mulo che prima non c’era ed ora c’è.

L’ibrido nasce dalla fusione di un orbitale s con uno o due o tre orbitali p.

Tre tipi di ibridazione: sp, sp2, sp3.

Gli orbitali sp sono due, gli orbitali sp2 sono tre, gli orbitali sp3 sono quattro.

L’ibrido non è caratteristica dei legami doppi e tripli ma anche dei tetraedri come il metano CH4.

Gli orbitali ibridi sono energeticamente uguali, e si dispongono nello spazio alla massima distanza possibile l’uno dall’altro: tetraedro metano.

L’ibridazione sp

L’ibridazione sp si ottiene dal mescolamento di un orbitale s e p, si formano due orbitali ibridi che giacciono sulla stessa retta, ma si dispongono in modo opposto, specularmente formando un angolo di 180°.

processo di Ibridazione degli orbitali

Proviamo a isolare un singolo orbitale sp

Ibridazione degli orbitali sp
il singolo orbitale sp non è nè sferico come l’orbitale s, nè bilobato come il p, ma ha due lobi diversi: un lobo maggiore e un lobo minore.

La parolina sp è composta da s iniziale di orbitale sferico e p iniziale di orbitale pi.

Esempio ibridazione sp dell’idruro di berillio

L’idruro di berillio  BeH2 : H-Be-H

Gli idrogeni sul primo livello hanno un orbitale s con un elettrone, l’elettrone è spaiato perché solo, per cui l’idrogeno è disponibile all’accoppiamento.

Il berilio sul secondo livello ha un orbitale s con due elettroni, quindi l’orbitale 2s ha i due elettroni che gli servono, quindi come fa a legarsi ?

Il berillio si lega ipotizzando che i due elettroni (del 2° livello) del berillio vadano in due diversi orbitali.

Si verifica cioè un disaccoppiamento dei due elettroni dell’orbitale 2s, per cui deve entrare in gioco anche un orbitale p: si formano 2 legami ibridi sp.

Esempio ibridazione sp dell’acetilene

L’acetilene C2H2 è un alchino: H-C-triplolegame-C-H, la molecola è disposta linearmente.

Tra il carbonio e l’idrogeno si forma un legame sigma dato dall’ibridazione sp di 180°.

Ad ogni carbonio restano 3 elettroni (dai 4 disponibili in partenza), con cui formare un legame sigma (orbitale sp) e due legami pigreco non ibridati.

L’ibridazione sp2

L’ibridazione sp2 si ottiene dal mescolamento di un orbitale s e 2 p, formando 3 orbitali ibridi che giacciono sullo stesso piano, disponendosi nelle tre direzioni corrispondenti ai vertici di un ipotetico triangolo equilatero, formando fra essi angoli di 120°.

Gli angoli di 120° garantiscono la massima distanza fra gli elettroni dei diversi orbitali ibridi.

Esempio ibridazione sp2 del trifloruro di boro

Il trifloruro di boro BF3

boro e fluoro
Ibridazione degli orbitali

Gli atomi mettono a disposizione un orbitale s e due orbitali p.

Si formano 3 ibridi sp2, sono 3 orbitali uguali, altrimenti non si spiega la forma tetraedrica.

Il boro al centro si lega con tre atomi di fluoro periferici.

Esempio ibridazione sp2 dell’etene

L’etene C2H4= H2C=CH2

Ibridazione degli orbitali

L’etene C2H4 è un poco più complicato: tre orbitali sp2 detto sigma.

Ogni carbonio con tre orbitali sigma si lega a due idrogeni e all’altro carbonio.

Ma tra i due carboni c’è un altro legame dato dall’orbitale p non ibridizzato, con cui forma un orbitale pigreco.

Nel doppio legame tra i due carboni abbiamo allora un orbitale sigma (più forte) e un orbitale pigreco (più debole). Quindi i due legami fra i carboni non sono uguali, uno é più forte e l’altro è più debole.

L’ibridazione sp3

L’ibridazione sp3 si ottiene dal mescolamento di un orbitale s e tre p. Si formano 4 orbitali ibridi uguali che occupano uno spazio tridimensionale. Gli orbitali si dispongono nelle quattro direzioni corrispondenti ai vertici di una ipotetica piramide a base triangolare, formando fra essi angoli di 109,5°.

Esempio ibridazione sp3 del metano

Ibridazione degli orbitali

Il carbonio mette a disposizione un orbitale s e tre p che si fondono con gli idrogeni a formare 4 legami ibridi uguali.

Il metano CH4 è il tipico esempio di tetraedro con 4 ibridi sp3.

Il carbonio si trova al centro del tetraedro.

Esempio ibridazione sp3 dell’acqua

Ibridazione degli orbitali

I 4 orbitali sp3 dell’acqua due si legano agli elettroni dell’idrogeni e due sono occupati ciascuno da due elettroni.

L’angolo dell’acqua è di 105°, è inferiore ai 109,5 tipici del tetraedro completamente legato, come nel metano.

Infatti i quattro elettroni sui due orbitali non utilizzati respingono maggiormente gli elettroni dell’idrogeno.

Sintesi delle forme generate dagli orbitali ibridi

Due orbitali sp generano una molecola lineare con angolo di 180°.

Tre orbitali sp2 generano una molecola planare con angolo di 120°.

Quattro orbitali sp2 generano una molecola tetraedrica, piramidale e angolare.

Il tetraedro è una piramide base triangolare, al centro c’è l’atomo che lega 4 atomi: esempio il metano.

Invece l’ammoniaca NH3 è sempre una piramide base triangolare, ma nel mezzo della piramide non c’è nulla, e l’azoto che lega a sè 3 atomi di idrogeno si pone su uno dei vertici e della piramide.

Molecola angolare, cioè piegata: l’atomo che lega a sè 2 atomi, sta nel mezzo, come l’ossigeno nell’acqua H2O.

I legami ibridi del benzene

Il benzene C6H6 è formato da un anello esagonale di 6 carboni, e su ognuno di questi c’è un idrogeno.

I carboni sono legati fra loro da un legame sigma, mentre i 6 idrogeni sono posti esternamente all’esagono chiuso, ogni idrogeno è legato al suo carbonio.

legami ibridi del benzene sigma

6 carboni hanno ciascuno 3 orbitali ibridi sp2 con cui si legano ai 2 carboni adiacenti e all’idrogeno.

legami sigma e legami p

Esiste poi un orbitale p in cui gira un solo elettrone, ma quest’ultimo orbitale è perpendicolare agli altri 3 precedenti.

Quest’ultimo orbitale p conferisce al benzene una isomeria risonante, cioè due possibili forme di benzene che differiscono solo per la disposizione dei 6 elettroni al loro interno: le due forme del benzene sono due isomeri di risonanza. Anzi non esistono questi due isomeri, ma esiste una forma intermedia ai due isomeri risonanti.

benzene

Succede così che i 6 orbitali p, perpendicolari al piano dei 6 carboni, si uniscono.

Si uniscono i 6 orbitali p, formando un super-orbitale a doppia ciambella entro cui viaggiano i 6 elettroni.

Questa seconda struttura a ciambella, dà molta stabilità al benzene: idrocarburi aromatici.