Benzene

Benzene, capostipite dei composti aromatici, tutte molecole cicliche quelle degli aromatici e sono stabilizzate dalla presenza di questi doppi legami. Formula: C6H6 con ibridazione sp2, infatti gli angoli sono tutti di 120°. Poi ci sono degli orbitali p non ibridati. I doppi legami si possono mettere in due modi (vedere disegno). Il problema del benzene e di tutti gli aromatici è questo: qual è la formula giusta dei doppi legami? Nessuna delle due.

Sono due strutture limite teoriche, nessuna delle due corrisponde alla realtà. Se andiamo a misurare l’energia di legami, la distanza dei legami dagli atomi di carbonio, scopriamo che non ci sono 3 legami semplici più deboli e 3 legami doppi più forti, ma che tutti e 6 valgono un legame e mezzo, cioè sono una via di mezzo tra legame semplice e legame doppio. Bisogna perciò trovare il modo di spiegarla questa cosa. La teoria del legami di valenza (VL o VB) dice che nessuna di queste due formule è quella reale, sono due strutture limite teoriche, in risonanza tra loro. Risonanza fa pensare che le due molecole oscillino, ma non è così. Le due strutture sono in risonanza nel senso che sono due strutture teoriche che non corrispondono alla realtà. La realtà è una via di mezzo, un ibrido di risonanza. Dunque la formula reale è una formula ibrida, a metà strada, intermedia tra queste due, si può chiamare anche formula mesomera. Ma negli anni 60 subentra un ultima teoria dei legami, che si chiama teoria degli orbitali molecolari e interpreta tutto in modo diverso. Questa teoria è vincente proprio perché riesce a spiegare senza forzature casi come quello del benzene. Anche perché andare a pensare che ci sono due strutture limite e che nessuna delle due sia reale, che c’è una risonanza tra le due e che viene fuori una via di mezzo è un po’ una forzatura. Invece la teoria degli orbitali molecolari dice che bisogna cambiare orbita. Abbiamo 6 orbitali p non ibridati e bisogna pensare che questi 6 orbitali p non ibridati possano fondersi tutti tra loro e mettere in comune tutti i loro elettroni spaiati. quindi noi abbiamo 6 elettroni spaiati, invece di fare 3 legami doppi o in un modo o nell’altro, questi 6 elettroni spaiati li mettiamo in comune, cosa viene fuori? Una nuvola p greca de localizzata  esagono con un cerchio in mezzo, il quale indica che il mezzo legame è l’elettrone di ogni singolo legame compartecipato, condiviso, de localizzato su tutti e sei gli atomi di carbonio.
le teorie dei legami chimici sono la teoria di Lewis, la quale punta al completamento dell’ottetto del livello energetico più esterno degli atomi. Spiega molte cose ed è la teoria base, però ha dei difetti. Il primo difetto è che non spiega i casi in cui non si raggiunge l’ottetto, inoltre non spiega la geometria tridimensionale delle molecole.
La teoria VSEPR parte dalla teoria di Lewis, ma cerca di spiegare la geometria delle molecole. E non si preoccupa di raggiungere l’ottetto completo. Quindi per esempio la molecole BeF2 come la spieghiamo? Il berillio ha numero atomico 4, quindi 1s2, 2s2. Lewis cosa direbbe? Metto un elettrone da una parte e uno dall’altra (x) e lego un fluoro di qua e uno di la (F), con numero atomico 9. F raggiunge l’ottetto, Be no. La VSEPR dice che va bene così, non importa se non raggiungiamo l’ottetto; viene fuori una molecola che ha una geometria lineare. Un altro caso è BF3, boro numero atomico 5, quindi 1s2, 2s2, 2p1. Con B metto tre elettroni, ma non può raggiungere l’ottetto. Metto tre Fluoro. F raggiunge l’ottetto, B no. La VSEPR dice che bisogna prevedere che la molecola abbia una geometria triangolare planare, con angoli di 120°, con Boro al centro e il Fluoro ai tre vertici del triangolo equilatero. Poi c’è il carbonio, che viene tetraedrico.
La molecola d’acqua (?) è una molecola ad angolo, teoricamente si parte dal tetraedro, ma non lo è perché i due doppietti non condivisi si respingono maggiormente e costringono i due doppietti legati tra loro ad avvicinarsi. Per cui avere angoli di 109°, tetraedrici, e invece l’angolo viene più piccolo, di 105°. Questa geometria molecolare si chiama ad angolo.
L’ammoniaca è NH3. L’azoto ha numero atomico 7, quindi 5 elettroni esterni, e lega 3 idrogeni. Ma non è una molecola forte, è una molecola che assomiglia ad uno sgabello a tre gambe, perché la VSEPR dice che il doppietto non legame che non ha l’idrogeno respinge di più gli altri, quindi dovrebbe essere tetraedrico, ma non lo è. Quel doppietto lì occupa quello spazio e gli altri 3 doppietti legame sono come le gambe di uno sgabello, cioè questa molecola qui seconda la VSEPR è una molecola fatta come una piramide trigonale (triangolo equilatero di base con vertice e poi ci sono i triangoli più lunghi, quindi non è un tetraedro). Sempre la VSEPR spiega altre cose che non si potevano spiegare, per esempio esiste una molecola PCl5 . come è fatta questa molecola? Qui la teoria di Lewis non sa proprio dove sbattere la testa per spiegarla, perché P è fatto come N cioè con 5 elettroni esterni e dunque può legare solo 3 Cloro e non 5. La VSEPR dice che bisogna mettere P con 5 elettroni intorno lontani. Viene fuori una figura che è una bipiramide trigonale, dove i Cl stanno ai vertici di questa bipiramide. Qui siamo fuori dall’ottetto, la VSEPR dice che la teoria di Lewis è difettosa e qua non abbiamo più 8 elettroni, ma 10, si parla infatti di ottetto espanso. Ultimo caso è la molecola SF6 (esafloruro di sodio). Il sodio ha 6 elettroni esterni, quindi secondo Lewis può unire solo 2 F, niente di più. Anche qui la teoria di Lewis crolla. La VSEPR dice spaiamo gli elettroni, allontaniamoli. Viene fuori una doppia piramide quadrata, cioè un ottaedro.
La teoria VB o VL, parte dalla VSEPR con un ulteriore passo avanti. Dice che va bene aver capito la geometria tridimensionale delle molecola, ma va giustificata meglio. Come? la teoria VB annulla l’idea dell’ottetto, si preoccupa di completare gli orbitali semivacanti. Il difetto è la forzatura di quelle strutture cicliche, di risonanza.
La molecola BeF2 con la teoria VB non si giustificherebbe perché bisogna usare l’ibridazione e spaiare gli elettroni. Quindi promozione dell’elettrone e ibridazione degli orbitali atomici. Avrò l’ibrido sp (come alchino), ciascuno forma un elettrone, quindi metterò qui un fluoro e qui un altro fluoro. Quindi BeF2, lineare con ibridazione sp.
La molecola BF3 si spiegherà con ibridazione sp2
Il carbonio avrà ibridazione sp3
L’acqua sempre sp3, ma con angoli più aperti
L’ammoniaca sempre sp3, ma con angoli ancora più deformati
PCl5 con ibridazione sp3d, s per l’orbitale sferico, p3 per i 3 orbitali p che partecipano, d perché partecipa anche d, quindi mettendo insieme 1 s, 3 p e 1 d facciamo 5 orbitali ibridi tutti uguali che vanno dal centro verso i vertici di questa bipiramide trigonale
SF6 con ibridazione sp3d2