1.9: Esempi di ibridazione

Collegamento nell’acetilene

Infine, il concetto di orbitale ibrido si applica bene ai gruppi con triplo legame, come gli alchini e i nitrili. Consideriamo, per esempio, la struttura dell’etilene (nome comune acetilene), il più semplice degli alcheni.

Questa molecola è lineare: tutti e quattro gli atomi sono in linea retta. Il triplo legame carbonio-carbonio è lungo solo 1,20Å. Nell’immagine degli orbitali ibridi dell’acetilene, entrambi i carboni sono sp-ibridati. In un carbonio sp-ibrido, l’orbitale 2s si combina con l’orbitale 2px per formare due orbitali ibridi sp che sono orientati ad un angolo di 180° rispetto all’altro (per esempio lungo l’asse x). Gli orbitali 2py e 2pz rimangono non ibridati, e sono orientati perpendicolarmente lungo gli assi y e z, rispettivamente.

Il legame sigma C-C, quindi, è formato dalla sovrapposizione di un orbitale sp da ciascuno dei carboni, mentre i due legami sigma C-H sono formati dalla sovrapposizione del secondo orbitale sp su ciascun carbonio con un orbitale 1s su un idrogeno. Ogni atomo di carbonio ha ancora due orbitali 2py e 2pz riempiti a metà, che sono perpendicolari sia tra loro che alla linea formata dai legami sigma. Queste due coppie perpendicolari di orbitali p formano due legami pi tra i carboni, dando luogo a un triplo legame complessivo (un legame sigma più due legami pi).

Il concetto di orbitale ibrido spiega bene un’altra osservazione sperimentale: i legami singoli adiacenti ai legami doppi e tripli sono progressivamente più corti e forti dei legami singoli “normali”, come quello in un semplice alcano. Il legame carbonio-carbonio nell’etano (struttura A sotto) risulta dalla sovrapposizione di due orbitali sp3.

Nell’alchene B, invece, il legame singolo carbonio-carbonio è il risultato della sovrapposizione tra un orbitale sp2 e uno sp3, mentre nell’alchene C il legame singolo carbonio-carbonio è il risultato della sovrapposizione tra un orbitale sp e uno sp3. Questi sono tutti legami singoli, ma il legame nella molecola C è più corto e più forte di quello in B, che a sua volta è più corto e più forte di quello in A.

La spiegazione qui è relativamente semplice. Un orbitale sp è composto da un orbitale s e un orbitale p, e quindi ha il 50% di carattere s e il 50% di carattere p. Gli orbitali sp2, in confronto, hanno il 33% di carattere s e il 67% di carattere p, mentre gli orbitali sp3 hanno il 25% di carattere s e il 75% di carattere p. A causa della loro forma sferica, gli orbitali 2s sono più piccoli, e tengono gli elettroni più vicini e “stretti” al nucleo, rispetto agli orbitali 2p. Di conseguenza, i legami che coinvolgono la sovrapposizione sp + sp3 (come nell’alchene C) sono più corti e più forti dei legami che coinvolgono la sovrapposizione sp2 + sp3 (come nell’alchene B). I legami che coinvolgono sp3-sp3overlap (come nell’alcano A) sono i più lunghi e deboli del gruppo, a causa del 75% di carattere ‘p’ degli ibridi.