La teoria della ibridazione degli orbitali è stata introdotta perché la precedente teoria della valenza era insufficiente a spiegare la forma delle molecole.
L’ibridazione degli orbitali riesce a prevedere quale sarà la forma delle molecole poliatomiche. Soppianta la teoria della valenza, più adatta per prevedere la forma delle molecole biatomiche.
Ogni atomo cerca di avere attorno a sé 8 coppie di elettroni, formando una nuvola negativa.
Gli elettroni cercheranno di allontanarsi l’un l’altro, di respingersi l’un l’altro.
Per ridurre tali repulsioni, gli orbitali si modificherebbero.
Orbitale ibrido
Perchè l’orbitale è detto ibrido ?
Nel secondo livello di un atomo singolo c’è un orbitale sferico e tre orbitali ad elica, con due lobi a formare un otto. L’ibrido nasce dalla fusione di un orbitale s con 3 orbitali p.
L’ibrido è qualcosa di nuovo, che prima non c’era e ora c’è, come l’incrocio tra un cavallo e un’asina genera un bardotto, o l’incrocio tra un asino e una cavalla genera un mulo.
Gli orbitali ibridi sono energeticamente uguali, ma si dispongono nello spazio differentemente, alla massima distanza possibile l’uno dall’altro.
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°: es. l’acetilene C2H2.
Proviamo a isolare un singolo orbitale sp
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 è una molecola molto semplice, perciò adatta allo scopo.
Gli idrogeni sul primo livello hanno un orbitale s con un elettrone, manca un elettrone in ogni orbitale 1s, cioè l’elettrone è spaiato, 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.
Si formano due orbitali sp, ciascuno con un elettrone, ora disponibili alla condivisione dell’elettrone con l’idrogeno.
Esempio ibridazione sp dell’acetilene
L’acetilene C2H2 è un alchino, una molecola un po’ più complessa della precedente, perché c’è anche il legame tra i due carboni.
L’acetilene è disposta linearmente: H-C-triplolegame-C-H.
Tra il carbonio e l’idrogeno si forma un legame sigma dato dall’ibridazione sp di 180°.
Ora ogni carbonio ha 3 elettroni, con cui formare un legame sigma (orbitale sp) e due legami pigreco.
I due legami pigreco sono più deboli del legame sigma.
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
Si lega il boro con tre atomi di fluoro.
Il secondo livello del boro: s2p1, si formano 3 ibridi sp2, sono disponibili a prendere ciascuno l’elettrone del fluoro.
Esempio ibridazione sp2 dell’etene
L’esempio è l’etene C2H4 è un poco più complicato: H2-C-doppiolegame-C-H2.
Con tre orbitali sp2, tra ogni carbonio e i due idrogeni, si formano 2 legami sigma, e tra i due carboni il terzo legame sigma.
Al carbonio è rimasto il 3° orbitale p non ibridizzato, con questo forma un legame pigreco con l’altro carbonio.
L’ibridazione sp3
L’ibridazione sp3 si ottiene dal mescolamento di un orbitale s e 3 p, formando 4 orbitali ibridi che occupano uno spazio tridimensionale, disponendosi 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
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
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.
Molecola tetraedrica, cioè piramide base triangolare ma l’atomo che lega 4 atomi a sè è al centro del tetraedro, come il carbonio dentro il metano.
Molecola piramidale, cioè piramide base triangolare. L’atomo lega a sè 3 atomi ponendosi in un vertice della piramide, come l’azoto nell’ammoniaca NH3.
Molecola angolare, cioè piegata: l’atomo che lega a sè 2 atomi, sta nel mezzo, come l’ossigeno nell’acqua H2O.
Legami sigma e pigreco
Abbiamo accennato ai legami sigma e ai legami pigreco.
Il legame tra due atomi uno di fronte all’altro, dove i due orbitali di ciascun atomo si allungano lungo l’asse che unisce i due atomi si chiama sigma. Il legame sigma avviene tra atomi che condividono una sola coppia di elettroni, cioè legame semplice. Gli orbitali ibridi sono quasi sempre legami sigma.
Nei legami doppi e tripli c’è un solo legame sigma, l’altro o gli altri 2 sono pigreco. I legami sigma sono più forti dei legami pigreco.
Ripetendo:
Sul secondo livello c’è un orbitale s e 3 orbitali p,
gli orbitali p cedono parte della loro energia all’orbitale s, così diventano ibridi.
Quando il carbonio incontra 4 atomi, si formano 4 orbitali ibridi con lo stesso livello energetico che chiameremo sp3. Esempio C2H6: HHHC-CHHH, l’etano, un alcano con legami semplici, tutti legami sigma.
Se il carbonio incontra 3 atomi, si formano 3 orbitali ibridi con lo stesso livello energetico che chiameremo sp2 e un orbitale p con un elettrone libero. I 3 orbitali sp2 formeranno 3 legami sigma, l’orbitale p libero formerà con un atomo dei tre un legame pigreco, si forma cosi un doppio legame. Es C2H4: HHC=CHH, l’etene o etilene un alchene con un doppio legame pigreco e 3 legami sp2.
Se il carbonio incontra 2 atomi, si formano 2 orbitali ibridi con lo stesso livello energetico che chiameremo sp1 e un orbitale p con un elettrone libero. I 2 orbitali sp2 formeranno 2 legami sigma, i 2 orbitali p liberi formeranno con un atomo dei due un doppio legame pigreco, si forma cosi un triplo legame. Es C2H2: HCCH, l’etino o acetilene un alchino con un doppio legame pigreco e 1 legami sp.
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.
I 6 carboni hanno ciascuno 3 orbitali ibridi sp3 con cui si legano ai 2 carboni adiacenti e all’idrogeno, e hanno 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.
Succede così che i 6 orbitali p, perpendicolari al piano dei 6 carboni, si uniscono.
Si uniscono i 6 orbitali p, formando un superorbitale a doppia ciambella entro cui viaggiano i 6 elettroni.
Questa seconda struttura a ciambella, dà molta stabilità al benzene: idrocarburi aromatici.