Comprendere la configurazione elettronica e i legami chimici

Parliamo di elementi chimici e della loro configurazione elettronica e delle teorie che interpretano i legami degli elementi chimici.

Configurazione elettronica del carbonio

Eravamo partiti come esempio dal carbonio che ha una configurazione elettronica base che è questa: 2s2 2p2 cioè 2px1 2py1 il carbonio fa solo due legami perché ha solo due elettroni spaiati. In realtà già la teoria di iuris aveva detto distribuiamo gli elettroni tutto intorno all’elemento chimico e la teoria della repulsione dei doppietti elettronici dice “certo gli elettroni devono stare più lontano possibile gli uni da gli altri perché sono tutte cariche negative e si respingono” e quindi disegniamo il carbonio con 4 elettroni tutti singoli intorno al simbolo dell’elemento e con la teoria VSEPR diciamo che gli elettroni si respingono in modo che vengono a acquisire una geometria tetraedrica, cioè al centro il nucleo del carbonio e egli elettroni ai 4 vertici del tetraedro. Lo stesso fa il silicio nei silicati.

Teoria del legame di valenza

Però c’è una teoria successiva che è la teoria del legame di valenza che si chiama in italiano VL e in inglese VB. Questa teoria è più recente rispetto alle altre due (anni 50), riprende le geometrie molecolari già individuate con la teoria VSEPR e le giustifica come con eventuali ibridizzazioni degli orbitali atomici. Non sempre ma in molti casi gli atomi per creare legami più stabili, più uniformi per energia o per lunghezza del legame, tendono a creare degli orbitali ibridi tra quelli previsti dall’equazione di shrdimberg.

Promozione elettronica e ibridizzazione

Per esempio il carbonio ha questa configurazione elettronica di base in cui avremmo solo due elettroni spaiati, per cui diventa già difficile capire perche il carbonio arrivi a avere una configurazione tetraedrica con 4 elettroni spaiati. La teoria VB o VL ci aiuta meglio a capire questo , perche dice “il carbonio assorbe un piccolo quid di energia dall’ambiente, con questo piccolo quantitativo di energia effettua da prima una promozione elettronica, cioè un elettrone dell’orbitale s salta nell’orbitale 2pz che era vuoto.” Avevamo configurazione di partenza questa (quella su) e come configurazione di arrivo: 1s2 2s1 2p3 cioè px1 py1 pz1.

Questo passaggio si chiama promozione elettronica, perche? Perche fa saltare un elettrone da un orbitale sferico, che corrisponde a un sotto livello di energia un pochino più basso, a un orbitale p che pur appartenendo allo stesso livello di energia quantizzata corrisponde a un sottolivello lievemente superiore quindi l’elettrone s è promosso in orbitale p.

Non basta, a questo punto, promosso l’elettrone, interviene una ibridizzazione degli orbitali, cioè invece di mantenere l’orbitale sferico tondo e i 3 orbitali p a clessidra (verticale x, orizzontale y e verticale z) l’atomo ibridizza questi orbitali e li trasforma tutti 4 in ibridi. Cosa vuol dire ibrido? Una via di mezzo tra la sfera e i due lobi, cioè invece di avere un orbitale sferico e 3 a clessidra ne facciamo 4 identici e fatti cosi (un grosso lobo quasi sferico, un piccolo codino rimasuglio dell’altro lobo). Come si dispongono questi 4 orbitali? Come 4 palloncini gonfi. Sp3, perché derivano da un s sferico e da 3 p, hanno tutti e 4 il suo elettrone spaiato e disposti come già diceva la teoria Vsepr dal centro verso i vertici di un tetraedro regolare.

Qual è la geometria tetraedrica del carbonio?

Questa configurazione del carbono è quella base delle molecole organiche, vale a dire, quasi sempre il carbonio nelle molecole organiche ha questa ibridizzazione e questa configurazione tetraedrica. In particolare è tipica degli alcani. Il primo è il metano CH4, si legano 4 idrogeni ai 4 vertici del tetraedro regolare, cosi si formano i doppietti comuni.

Come giustificare la geometria tetraedrica che non può venir fuori dalla descrizione degli orbitali attuale? Bisogna costruire una definizione nuova, partendo si da 4 orbitali uno sferico e 3 a due lobi, ma ibridiamoli, cioè creiamo degli ibridi nuovi. Praticamente per capirlo dal punto di vista della fisica vuol dire fare interferenza costruttiva e distruttiva tra le onde elettroniche dell’orbitale sferico e quelle degli orbitali p, che interferendo tra loro in certi punti in modo costruttivo in certi altri distruttivo, danno origine agli orbitali ibridi. Per far questo comunque ci vuole energia quindi il carbonio di base ha meno energia che deve assorbire un primo quanto di energia per fare la promozione elettronica e un secondo quanto maggiore per far l’ibridazione, c’è un ∆E.

Però la cosa è conveniente perché alla fine, quando gli orbitali sono ibridi sono tutti e 4 uguali tra di loro e formano legami tutti di uguale lunghezza, forma e energia e quindi il quanto di energia che era stato assorbito per fare l’ibridizzazione viene poi restituito all’ambiente nel momento in cui si formano legami tutti identici, quindi viene fuori il metano dove il carbonio è al centro e i 4 idrogeni ai vertici.

Legami sigma e struttura degli alcani

La teoria VB o VL ci dice che i legami che il carbonio forma con gli idrogeni nel metano sono tutti legami frontali in cui gli orbitali del carbonio si sovrappongono frontalmente con gli orbitali degli idrogeni e quindi sono legami singoli molto stabili che chiamiamo legami sigma, ovvero i legami di sovrapposizione frontale di orbitali che si legano.

Ma ci sono gli alcani di cui il metano è il capostipite, poi vi ricordate che ci sono il metano il propano il butano il pentano ecc noi li disegnavamo così in linea retta, 5 atomi di carbonio in realtà tutti carbonio tetraedrico quindi la molecola in realtà fa zig zag. Come nei silicati inosilicati.

Però i legami sono comunque legami covalenti semplici singoli frontali sigma, in tutti gli alcani. Ma esistono anche gli alcheni.

Struttura e legami degli alcheni

Gli alcheni (CnH2N) noi li disegnavamo così con un doppio legame, l’etene è il capostipite degli alcheni. C’è il doppio legame, cosa succede? Come facciamo con la teoria VL a giustificare la struttura degli alcheni? Facciamo anche qui la promozione elettronica, arriviamo a questo punto in cui c’è un orbitale sferico e 3 orbitali p e poi facciamo ibridazione sp2 cioè che interferiscono tra loro solo l’onda dell’orbitale sferico e quelle di due orbitali p, mentre il terzo orbitale p resta invariato. Quindi la cosa va così, 3 orbitali ibridi sp2 che derivano da un s e 2p, come si mettono nello spazio? A 120 gradi uno dall’altro, quindi l’angolo che divide l’angolo giro in 3 parti, quindi questi orbitali stanno in un piano disposti dal centro verso i vertici di un triangolo regolare. Ha una geometria triangolare planare, sta sul piano. (disegnino)

I 3 ibridi stanno sul piano x y il pz è perpendicolare, tutti con elettrone spaiato, se si avvicina un secondo atomo identico cosa succede? Succede che gli orbitali ibridi sp2 del primo atomo creano legami sigma frontali di cui uno è il legame tra i due atomi carbonio, gli altri con idrogeni. Gli orbitali ibridi sono 3 sp2, uno ibrido di un atomo si scontra con altro atomo, gli altri legano idrogeni. Gli orbitali Pz non si scontrano frontalmente e possono solo unirsi lateralmente creando una doppia nuvola elettronica pigreca, legame pigreca perchè ha una simmetria bilaterale rispetto all’asse che unisce i nuclei. e ha un difetto, il legame sigma consente le rotazioni, il legame pigreca no perché come cerco di torcerlo si spezza e non sopporta le torsioni.