Descrizione delle geometrie molecolari attraverso gli orbitali ibridi

Gli orbitali atomici di uno stesso atomo possono essere sommati algebricamente, ottenendo dei nuovi orbitali ibridi orientati nello spazio nel modo desiderato. Gli orbitali atomici da ibridare:

- Devono avere lo stesso numero quantico principale;

- Devono essere usati per formare legami covalenti o per ospitare coppie elettroniche libere;

- Sono diretti dall’atomo centrale verso gli atomi esterni, garantendo così una sovrapposizione migliore con i loro orbitali e la formazione di legami più forti.

Geometrie molecolari del carbonio

In base al numero e al tipo di orbitali che si mescolano, possiamo ricavare diverse geometrie molecolari. Per osservare le più importanti partiamo dall’atomo di carbonio, che è un componente fondamentale in un gran numero di molecole organiche. Il carbonio può formare 4 legami covalenti. Se fornissimo energia necessaria a eccitare uno dei suoi elettroni 2s, questo potrebbe passare nell’orbitale 2p vuoto. Questo atomo ha 4 orbitali semipieni, che possono creare 4 legami covalenti.

Formazione di orbitali sp3

La disposizione tetraedrica dei legami nei composti del carbonio si ricava combinando tra loro i tre orbitali 2p con il 2s: si hanno 4 nuovi orbitali sp3. Il 3 indica il numero di orbitali p che contribuiscono alla formazione dell’ibrido. Questi differiscono dagli orbitali iniziali, sia per la loro energia, che per la forma e per la disposizione nello spazio. Questi orbitali hanno per ¼ le caratteristiche dell’orbitale 2p, e per ¾ quelle dei 2p. Si estendono in direzione dei vertici di un tetraedro, e la loro energia è intermedia fra quella dell’orbitale s e quella degli orbitali p. La quantità di energia che bisogna fornire per far passare uno dei due elettroni dell’orbitale s nell’orbitale 2p viene recuperata quando si formano i 4 legami covalenti con altri atomi, con uguale lunghezza di legame e uguale energia di legame.

Geometrie sp2 e sp

La geometria triangolare piana, la otteniamo con la combinazione dell’orbitale 2s con due orbitali 2p. Hanno origine 3 nuovi orbitali, gli orbitali ibridi sp2, anch’essi con energia, forma e disposizione dello spazio diverse da quelle degli orbitali iniziali. Questi giacciono su uno stesso piano, con angoli di legame di 120°.

Infine, abbiamo la geometria lineare, che si ottiene combinando 1 orbitale 1s e 1p, da cui si hanno origine 2 orbitali ibridi sp, disposti da parti opposte rispetto al nucleo, con angoli di legame di 180°.