L’ibridazione del carbonio è una teoria matematica che serve per l’interpretazione di dati sperimentali; non è un fenomeno fisico reale.
La teoria quantistica dell’atomo ci dice che si può avere un solo orbitale s, 3 orbitali p, 5 orbitali d e 7 orbitali f; tali numeri si trovano combinando i vari numeri quantici. Per esempio, ci sono 3 orbitali p perché l’orbitale p ha numero quantico secondario l=1 e quindi 3 possibili momenti magnetici: -1, 0 e +1.
Considerando lo strato di energia più esterno, quali elettroni possono essere condivisi con gli altri atomi? La regola è che si devono riempire gli orbitali semipieni, cioè con un solo elettrone, affiancandogliene uno con spin opposto. Per esempio, nel caso del carbonio la configurazione elettronica è 1s2 2s2 2p2.
Consideriamo lo strato più esterno, il 2. Abbiamo l’orbitale s che è pieno perché contiene 2 elettroni; i tre orbitali p contengono solo due elettroni; per la regola di Hund ne avremo 2 semipieni (e il terzo vuoto) pertanto dovrebbe dare origine solamente a 2 legami covalenti:
Regola di Hund
In realtà, il carbonio, come nel metano (CH4), è prevalentemente tetravalente, c ioè in grado di formare 4 legami con altri atomi. Si suppone la promozione di un elettrone dall’orbitale 2s sull’orbitale 2p vuoto. Tale atomo di carbonio eccitato ha ora 4 orbitali semipieni e potrebbe formare 4 legami.
Tuttavia, dal momento che l’orbitale atomico 2s sferico ha energia inferiore e forma diversa da quelle dei 3 orbitali 2px, 2py, 2pz, dovremmo aspettarci 3 legami uguali e uno diverso. Tutto ciò è in contrasto con i fatti sperimentali che accertano la presenza nel metano (CH4) di 4 legami covalenti identici.
Ibridazione sp3 (singolo legame)
La teoria suggerisce il “mescolamento” dell’orbitale 2s con i 3 orbitali 2p. Tale mescolamento è matematico, delle funzioni d’onda dell’orbitale e quindi non è un reale fenomeno fisico. Come risultato si ottengono 4 nuovi orbitali identici tra loro, di forma, energia e disposizione nello spazio del tutto diverse da quelle originarie. Questa operazione matematica prende il nome di ibridazione. I nuovi 4 orbitali ibridi, chiamati sp3, hanno per 1/4 le caratteristiche dell’orbitale s di partenza e per 3/4 le caratteristiche degli orbitali 2p. Il 3 esponente di p indica il numero di orbitali p che partecipano alla formazione dell’ibrido. I 4 orbitali ibridi sp3 sono tra loro identici e hanno la forma lobata.
Il lobo di dimensione maggiore è quello che viene utilizzato nei legami. Talvolta, per questioni di praticità, non si rappresenta il lobo di dimensione minore. I 4 orbitali ibridi sp3 puntano verso i vertici di un tetraedro.
Nella formazione della molecola del metano, si ha una sovrapposizione tra i 4 orbitali ibridi sp3 e 4 orbitali 1s appartenenti a 4 atomi di idrogeno diversi.
Ibridazione sp2 (legame doppio)
Oltre all’ibridazione sp3 esistono anche altre ibridazioni. Dal mescolamento di un orbitale s con 2 orbitali di tipo p si ottengono 3 orbitali ibridi detti orbitali sp2 che si dispongono su di un piano formando angoli di 120° l’uno dall’altro.
L’orbitale p non coinvolto nell’ibridazione si dispone perpendicolarmente al piano formato dai 3 orbitali ibridi sp2.
Presentano ibridazione sp2 gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente doppio (>C=C<), come per esempio nella molecola dell’etene (o etilene) H2C=CH2. Il doppio legame C=C si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra 2 orbitali ibridi sp2 e alla sovrapposizione laterale tra i 2 orbitali p non coinvolti nell’ibridazione.
Ibridazione sp (triplo legame)
La combinazione di un orbitale di tipo s e uno di tipo p dà origine a 2 orbitali ibridi sp. Ogni orbitale ibrido sp ha il 50% di carattere s e il 50% di carattere p.
I 2 orbitali ibridi sp (nei quali, per questioni di praticità, si omette di rappresentare il lobo di dimensione minore) si dispongono a 180° l’uno rispetto all’altro (geometria lineare).
Gli orbitali p non coinvolti nell’ibridazione sono disposti perpendicolarmente tra loro e sono perpendicolari ai 2 orbitali ibridi sp.
Presentano ibridazione sp gli atomi di carbonio uniti da un legame covalente triplo (-C≡C-), come per esempio nella molecola dell’etino HC≡CH. Il triplo legame -C≡C- si realizza in seguito alla sovrapposizione frontale tra 2 orbitali ibridi sp e alla sovrapposizione laterale tra le 2 coppie di orbitali p non coinvolti nell’ibridazione.
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