Ahora que tenemos 4 electrones no apareados listos para el enlace, surge otro problema. En el metano todos los enlaces carbono-hidrógeno son idénticos, pero nuestros electrones están en dos tipos diferentes de orbitales. No vas a conseguir cuatro enlaces idénticos a menos que partas de cuatro orbitales idénticos.
Hibridación
Los electrones se reorganizan de nuevo en un proceso llamado hibridación. Esto reorganiza los electrones en cuatro orbitales híbridos idénticos llamados híbridos sp3 (porque están hechos de un orbital s y tres orbitales p). Debes leer «sp3» como «s p tres» – no como «s p al cubo».
Los orbitales híbridos sp3 se parecen un poco a la mitad de un orbital p, y se organizan en el espacio de manera que estén lo más separados posible. Puedes imaginarte el núcleo como si estuviera en el centro de un tetraedro (una pirámide de base triangular) con los orbitales apuntando a las esquinas. Para mayor claridad, el núcleo se ha dibujado mucho más grande de lo que realmente es.
¿Qué ocurre cuando se forman los enlaces?
Recuerda que el electrón del hidrógeno se encuentra en un orbital 1s – una región del espacio con simetría esférica que rodea al núcleo donde hay una probabilidad fija (digamos el 95%) de encontrar el electrón. Cuando se forma un enlace covalente, los orbitales atómicos (los orbitales en los átomos individuales) se fusionan para producir un nuevo orbital molecular que contiene el par de electrones que crea el enlace.
Se forman cuatro orbitales moleculares, con un aspecto bastante parecido a los híbridos sp3 originales, pero con un núcleo de hidrógeno incrustado en cada lóbulo. Cada orbital contiene los 2 electrones que hemos dibujado anteriormente como un punto y una cruz.
Los principios implicados -promoción de electrones si es necesario, luego hibridación, seguida de la formación de orbitales moleculares- pueden aplicarse a cualquier molécula unida covalentemente.
La forma del metano
Cuando se forman los orbitales sp3, se disponen de manera que estén lo más separados posible. Esa es una disposición tetraédrica, con un ángulo de 109,5°.
Nada cambia en cuanto a la forma cuando los átomos de hidrógeno se combinan con el carbono, y así la molécula de metano es también tetraédrica con ángulos de enlace de 109,5°.
El etano, C2H6
La formación de orbitales moleculares en el etano
El etano no es especialmente importante por sí mismo, pero se incluye porque es un ejemplo sencillo de cómo se forma un enlace simple carbono-carbono.
Cada átomo de carbono en el etano promueve un electrón y luego forma híbridos sp3 exactamente como hemos descrito en el metano. Así que justo antes de unirse, los átomos se ven así:
Los hidrógenos se unen a los dos carbonos para producir orbitales moleculares tal como lo hicieron con el metano. Los dos átomos de carbono se unen fusionando sus orbitales híbridos sp3 restantes de extremo a extremo para formar un nuevo orbital molecular. El enlace formado por este solapamiento de extremo a extremo se denomina enlace sigma. Los enlaces entre los carbonos y los hidrógenos también son enlaces sigma.
En cualquier enlace sigma, el lugar más probable para encontrar el par de electrones es en una línea entre los dos núcleos.
La forma del etano alrededor de cada átomo de carbono
La forma se determina de nuevo por la forma en que los orbitales sp3 están dispuestos alrededor de cada átomo de carbono. Esa es una disposición tetraédrica, con un ángulo de 109,5°.
Cuando la molécula de etano se junta, la disposición alrededor de cada átomo de carbono es de nuevo tetraédrica con ángulos de enlace de aproximadamente 109,5°. ¿Por qué sólo «aproximadamente»? Esta vez, cada átomo de carbono no tiene cuatro cosas idénticas unidas. Habrá una pequeña cantidad de distorsión debido a la unión de 3 hidrógenos y 1 carbono, en lugar de 4 hidrógenos.
Giro libre sobre el enlace simple carbono-carbono
Los dos extremos de esta molécula pueden girar con bastante libertad sobre el enlace sigma por lo que hay, en cierto sentido, un número infinito de posibilidades para la forma de una molécula de etano. Algunas formas posibles son:
En cada caso, el grupo CH3 de la izquierda se ha mantenido en una posición constante para que puedas ver el efecto de girar el de la derecha.
Otros alcanos
Todos los demás alcanos se unirán de la misma manera:
-
Los átomos de carbono promoverán cada uno un electrón y luego se hibridarán para dar orbitales híbridos sp3.
- Los átomos de carbono se unirán entre sí formando enlaces sigma por el solapamiento de extremo a extremo de sus orbitales híbridos sp3.
- Los átomos de hidrógeno se unirán donde se necesiten solapando sus orbitales 1s1 con los orbitales híbridos sp3 de los átomos de carbono.
Preguntas para comprobar tu comprensión
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Preguntas sobre el enlace en el metano y el etano
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