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