Química: el misterio y la maravilla de los orbitales híbridos

El misterio y la maravilla de los orbitales híbridos

Química

  • Enlace y estructura en compuestos covalentes
  • Los compuestos covalentes se vuelven misteriosos
  • El misterio y la maravilla de los orbitales híbridos
  • Dibujando estructuras de Lewis
  • Estructuras de resonancia
  • Teoría de la repulsión del par de electrones de la capa de valencia (RPECV)

Para que los electrones se extiendan más de 90 entre sí, tenemos que idear un nuevo modelo que lo permita.



Hasta ahora, hemos aprendido las formas y energías relativas de los orbitales s, p, d y f. Sin embargo, cuando los átomos forman compuestos covalentes, los orbitales atómicos son insuficientes porque obligan a los átomos enlazados a estar demasiado cerca unos de otros. Como era de esperar, los electrones en enlaces covalentes, como es el caso de los electrones en todas partes, prefieren estar lo más separados posible unos de otros porque se repelen entre sí. Posteriormente, todos los orbitales dentro de un átomo que contienen electrones de valencia se combinan entre sí para formar 'orbitales híbridos'.

Probablemente sea más fácil entender cómo funcionan los orbitales híbridos mostrándote un ejemplo. Echemos un vistazo al diagrama de llenado orbital de los electrones de valencia en el carbono (consulte El átomo moderno para obtener más información sobre los diagramas de llenado orbital).

Figura 10.3 El diagrama de llenado orbital para los electrones de valencia en el carbono.

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Como puede ver, de los cuatro orbitales de valencia en el carbono, uno está lleno (2s), dos están medio llenos (2p) y uno está completamente vacío. Esta puede ser la configuración electrónica de un átomo de carbono no enlazado, pero no explica cómo el carbono puede enlazarse cuatro veces para formar metano. Después de todo, cada enlace covalente requiere la superposición de un orbital que contiene un electrón de cada átomo. Si este modelo fuera válido, no tendríamos ningún vínculo con el orbital s porque ya está lleno, dos enlaces (uno de dos orbitales p) y un orbital p que está completamente vacío. Como resultado, el carbono solo pudo unirse dos veces, una conclusión que no coincide con la realidad.

Significados moleculares

Orbitales híbridos se forman mezclando dos o más de los orbitales más externos en un átomo. El único elemento que no forma orbitales híbridos es el hidrógeno, ya que solo tiene un orbital 1s.

Lo que realmente sucede cuando el carbono se une covalentemente con otros elementos es que estos cuatro orbitales s y p diferentes se mezclan entre sí para formar cuatro orbitales híbridos idénticos. Los nombres de estos nuevos orbitales hibridados son una combinación de los nombres de los cuatro orbitales atómicos originales. En nuestro ejemplo, un orbital s se combina con tres orbitales p para formar cuatro sp3orbitales:

Figura 10.4 Cuando los orbitales se combinan para formar orbitales híbridos, se promedian sus formas y energías.

Como puede ver en este diagrama, la configuración orbital hibridada del carbono deja espacio para cuatro enlaces covalentes, que encaja bien con los cuatro átomos de hidrógeno unidos covalentemente en el metano.

Como mencionamos en The Modern Atom, los orbitales s son esféricos y los orbitales p están en ángulos de 90 grados entre sí. Como resultado, los orbitales sp3 que se forman cuando se combinan un orbital s y tres orbitales p estarán dispuestos en un ángulo que refleja una mezcla entre estos dos tipos de orbitales (en este caso, 109.5):

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El número de orbitales híbridos que se forman cuando una molécula covalente se enlaza depende del número de enlaces simples y pares de electrones no enlazados (pares solitarios o pares de electrones no compartidos) que están presentes en la molécula. Los electrones tanto en enlaces simples como en pares no enlazados existen dentro de orbitales híbridos.

Los electrones en múltiples enlaces existen dentro de algo llamado 'orbital?' Que se forma cuando un orbital p no hibridado de un átomo se superpone con un orbital p no hibridado de otro átomo. Veamos cómo funciona esto en oxígeno, O2.

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Los electrones de los átomos no enlazados se encuentran en los orbitales s, p, d y f. Los electrones de los átomos que han formado compuestos covalentes existen dentro de orbitales híbridos.

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Cada átomo de oxígeno en O2tiene dos pares de electrones solitarios y un doble enlace con el otro átomo de oxígeno. El primero de los dos enlaces entre los dos átomos de oxígeno requiere orbitales híbridos (porque todos los enlaces simples requieren orbitales híbridos), pero el segundo utiliza el orbital p de reserva en ambos átomos. Como resultado, un orbital s se mezcla con dos orbitales p para formar tres sp2orbitales.

Echemos un vistazo a cómo se ven los orbitales de cada átomo de oxígeno.

Figura 10.7 Los tres sp2Los orbitales, que mantienen el par solitario de electrones y los electrones compartidos en enlaces simples, se alejan lo más posible entre sí, en 120 ángulos. Los orbitales p de cada átomo de oxígeno (no mostrados) se superponen para formar el doble enlace.

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Los tres sp2los orbitales se extienden lo más lejos posible unos de otros debido a la repulsión de electrones. Los orbitales p, que son responsables del doble enlace, se superponen tanto por encima como por debajo del enlace.

La siguiente tabla ilustra cada tipo de orbital híbrido que existe comúnmente en compuestos covalentes, así como el nombre y los ángulos de enlace de cada orbital y los nombres de cada forma molecular.

Orbitales superpuestos no híbridos Nombre del orbital híbrido Ángulo de enlace Forma molecular
1 s, 1 p NS 180 lineal
1 s, 2 p NS2 120 trigonal plana
1 s, 3 p NS3 109.5 tetraédrico
1d, 1s, 3p dsp3 90, 120 triangular bipiramidal
2d, 1s, 3p D2NS3 90 octaédrico

En términos comunes, los enlaces covalentes simples entre dos átomos se denominan 'enlaces sigma' o? cautiverio. Estos enlaces sigma se crean mediante la superposición de dos orbitales híbridos. Cada enlace múltiple se denomina 'enlace pi' o enlace? Los enlaces Pi se crean mediante la superposición de orbitales p no hibridados. Usando la tabla anterior, cada átomo en el átomo hibridado sp arriba tiene dos? enlaces y dos? enlaces.

Extraído de The Complete Idiot's Guide to Chemistry 2003 por Ian Guch. Todos los derechos reservados, incluido el derecho de reproducción total o parcial en cualquier forma. Usado por acuerdo con Libros Alfa , miembro de Penguin Group (USA) Inc.

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