Ora che abbiamo 4 elettroni spaiati pronti per il legame, sorge un altro problema. Nel metano tutti i legami carbonio-idrogeno sono identici, ma i nostri elettroni sono in due diversi tipi di orbitali. Non otterrai quattro legami identici a meno che tu non parta da quattro orbitali identici.

Ibridizzazione

Gli elettroni si riorganizzano nuovamente in un processo chiamato ibridazione. Questo riorganizza gli elettroni in quattro orbitali ibridi identici chiamati ibridi sp3 (perché sono fatti da un orbitale s e tre orbitali p). Dovresti leggere “sp3” come “s p tre” – non come “s p al cubo”.

Gli orbitali ibridi sp3 assomigliano un po’ a metà di un orbitale p, e si dispongono nello spazio in modo che siano il più lontano possibile. Puoi immaginare il nucleo come se fosse al centro di un tetraedro (una piramide a base triangolare) con gli orbitali che puntano agli angoli. Per chiarezza, il nucleo è disegnato molto più grande di quanto sia in realtà.

Cosa succede quando si formano i legami?

Ricorda che l’elettrone dell’idrogeno è in un orbitale 1s – una regione di spazio sfericamente simmetrica che circonda il nucleo dove c’è una probabilità fissa (diciamo 95%) di trovare l’elettrone. Quando si forma un legame covalente, gli orbitali atomici (gli orbitali nei singoli atomi) si fondono per produrre un nuovo orbitale molecolare che contiene la coppia di elettroni che crea il legame.

Si formano quattro orbitali molecolari, simili agli ibridi sp3 originali, ma con un nucleo di idrogeno incorporato in ogni lobo. Ogni orbitale contiene i 2 elettroni che abbiamo precedentemente disegnato come un punto e una croce.

I principi coinvolti – promozione di elettroni se necessario, poi ibridazione, seguita dalla formazione di orbitali molecolari – possono essere applicati a qualsiasi molecola legata in modo covalente.

La forma del metano

Quando gli orbitali sp3 sono formati, si dispongono in modo da essere il più distanti possibile. Questa è una disposizione tetraedrica, con un angolo di 109,5°.

Non cambia nulla in termini di forma quando gli atomi di idrogeno si combinano con il carbonio, e così la molecola di metano è anche tetraedrica con angoli di legame di 109,5&deg.

Etano, C2H6

La formazione degli orbitali molecolari nell’etano

L’etano non è particolarmente importante in sé, ma è incluso perché è un semplice esempio di come si forma un legame singolo carbonio-carbonio.

Ogni atomo di carbonio nell’etano promuove un elettrone e poi forma ibridi sp3 esattamente come abbiamo descritto nel metano. Quindi, appena prima di legarsi, gli atomi hanno questo aspetto:

Gli idrogeni si legano con i due carboni per produrre orbitali molecolari proprio come hanno fatto con il metano. I due atomi di carbonio si legano fondendo i loro rimanenti orbitali ibridi sp3 da un capo all’altro per creare un nuovo orbitale molecolare. Il legame formato da questa sovrapposizione end-to-end è chiamato un legame sigma. Anche i legami tra i carboni e gli idrogeni sono legami sigma.

In ogni legame sigma, il posto più probabile per trovare la coppia di elettroni è su una linea tra i due nuclei.

La forma dell’etano intorno ad ogni atomo di carbonio

La forma è ancora determinata dal modo in cui gli orbitali sp3 sono disposti intorno ad ogni atomo di carbonio. Questa è una disposizione tetraedrica, con un angolo di 109,5°.

Quando la molecola di etano è messa insieme, la disposizione intorno ad ogni atomo di carbonio è di nuovo tetraedrica con angoli di legame di circa 109,5&deg. Perché solo “approssimativamente”? Questa volta, ogni atomo di carbonio non ha quattro cose identiche attaccate. Ci sarà una piccola quantità di distorsione a causa dell’attaccamento di 3 idrogeni e 1 carbonio, piuttosto che 4 idrogeni.

Rotazione libera intorno al singolo legame carbonio-carbonio

Le due estremità di questa molecola possono girare abbastanza liberamente intorno al legame sigma così che ci sono, in un certo senso, un numero infinito di possibilità per la forma di una molecola di etano. Alcune forme possibili sono:

In ogni caso, il gruppo CH3 di sinistra è stato tenuto in una posizione costante in modo da poter vedere l’effetto della rotazione di quello di destra.

Altri alcani

Tutti gli altri alcani saranno legati nello stesso modo:

• Gli atomi di carbonio promuoveranno ciascuno un elettrone e poi si ibrideranno per dare orbitali ibridi sp3.

• Gli atomi di carbonio si uniranno l’uno all’altro formando legami sigma grazie alla sovrapposizione end-to-end dei loro orbitali ibridi sp3.
• Gli atomi di idrogeno si uniranno ovunque sia necessario sovrapponendo i loro orbitali 1s1 agli orbitali ibridi sp3 sugli atomi di carbonio.

Domande per verificare la tua comprensione

Se questa è la prima serie di domande che fai, per favore leggi la pagina introduttiva prima di iniziare. Dovrai usare il PULSANTE INDIETRO del tuo browser per tornare qui dopo.

domande sul legame nel metano e nell’etano

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