Teoria del legame di Valenza

Teorie dei legami chimici

Dalla meccanica quantistica si sono sviluppate due teorie per descrivere i legami chimici:

• La teoria dell'orbitale molecolare (MO) assume che gli elettroni di una molecola siano associati a tutti i nuclei che essa contiene, indipendentemente dall'atomo di provenienza. Essi devono pertanto essere descritti da apposite funzioni, detti orbitali molecolari, ciascuna delle quali caratterizzata da determinati numeri quantici.
• La teoria del legame di valenza (VB), secondo la quale un legame si forma quando vi è una parziale sovrapposizione di due orbitali atomici, e quindi si legano per riempire gli orbitali esterni, e non, come secondo Lewis, per raggiungere l'ottetto.

3. Le molecole biatomiche secondo la teoria del legame di valenza

La rappresentazione della molecola di idrogeno H2 può essere ottenuta, in base alla teoria del legame di valenza, per sovrapposizione delle rappresentazioni dei due orbitali 1s degli atomi di idrogeno.

Atomo H isolato: ↑ con configurazione elettronica 1s1.

Atomo di H in H2: ↑↓ con configurazione elettronica 1s2.

Le molecole biatomiche più grandi, come quella del fluoro F2, o dell'acido fluoridrico HF, possono essere descritte in modo simile a quanto fatto per l'idrogeno: appaiamento degli elettroni dello strato di valenza dei singoli atomi e sovrapposizione degli orbitali atomici. Osserviamo la configurazione elettronica del fluoro, ovvero 1s2, 2s2, 2p2x, 2p2y, 2p1z. Notiamo che nell'orbitale 2pz vi è solo un elettrone, quindi c'è spazio per un altro elettrone.

Nella molecola di HF, invece, il legame si forma per sovrapposizione dell'orbitale atomico 1s dell'idrogeno all'orbitale 2pz del fluoro.

Se osserviamo questi legami possiamo notare che il massimo addensamento elettronico avviene lungo l'asse di legame e in modo simmetrico rispetto ad esso. A questo legame si dà il nome di legame sigma, così come a tutti i legami covalenti semplici.

→ In un legame sigma la distribuzione elettronica è concentrata lungo l'asse di legame ed è disposta in modo simmetrico attorno ad esso.

In un legame di sovrapposizione di orbitali p in cui manca un elettrone anche nell'orbitale, ad esempio 2py, si forma anche un legame verticale detto legame pigreco.

→ In un legame pigreco la distribuzione elettronica è concentrata in due zone situate da parti opposte rispetto all'asse di legame.

4. Ibridazione degli orbitali atomici

→ Gli orbitali atomici ibridi sono funzioni matematiche che derivano dalla somma algebrica di un certo numero di orbitali atomici aventi energia simile.

Praticamente gli elettroni possono passare da un orbitale di più bassa energia ad un orbitale con energia maggiore, ma sempre dello stesso livello n, in un orbitale che non sia occupato per poter creare così più legami.

Si producono quindi nuovi orbitali che l'atomo può utilizzare per fare legami.

Vediamo ora le ibridizzazioni più importanti a partire dall'atomo del carbonio, la cui struttura elettronica è:

C = 1s2, 2s2, 2p1x, 2p1y, 2p0z. (essendo 2p2)

Possiamo immaginare di offrire l'energia necessaria ad uno degli e- presenti in 2s e promuoverlo all'orbitale 2p vuoto. L'atomo di carbonio ora ha 4 orbitali semipieni, che possono originare altrettanti orbitali covalenti.

Avendo 3 orbitali p e 1 orbitale s si formano 4 nuovi orbitali chiamati sp3, che hanno per 1/4 le caratteristiche dell'orbitale s e per 3/4 quelle dell'orbitale 2p.

Esempio nella molecola di metano CH4, che ha ibridazione sp3 in modo di legarsi a 4 atomi di idrogeno, che avranno un legame sigma fra H - C.

Ecco a confronto gli orbitali ibridi formati da s e p.

L'atomo del carbonio presenta diversi stadi di ibridazione in base alla molecola che va a formare.