1.10 : Teoria del legame di valenza e orbitali ibridi

Secondo la teoria del legame di valenza, un legame covalente risulta quando: (1) un orbitale su un atomo si sovrappone ad un orbitale su un secondo atomo e (2) i singoli elettroni in ciascun orbitale si combinano per formare una coppia di elettroni. La forza di un legame covalente dipende dal grado di sovrapposizione degli orbitali coinvolti. La massima sovrapposizione è possibile quando gli orbitali si sovrappongono su una linea diretta tra i due nuclei.

Un legame σ (legame singolo in una struttura di Lewis) è un legame covalente in cui la densità elettronica è concentrata nella regione lungo l'asse internucleare. Un legame π è un legame covalente che risulta dalla sovrapposizione affiancata di due orbitali p. In un legame π, le regioni di sovrapposizione orbitale si trovano sui lati opposti dell'asse internucleare, mentre lungo l'asse è presente un nodo (un piano senza probabilità di trovare un elettrone). Tutti i legami singoli sono legami σ, mentre i legami multipli sono costituiti sia da legami σ che da legami π.

Quando gli atomi sono legati insieme in una molecola, le funzioni d'onda degli orbitali atomici possono combinarsi tra loro per produrre nuove descrizioni matematiche che hanno forme diverse. Questo processo è chiamato ibridazione ed è matematicamente realizzato dalla combinazione lineare degli orbitali atomici. I nuovi orbitali risultanti sono chiamati orbitali ibridi.

Le forme e gli orientamenti degli orbitali ibridi, che si formano solo in atomi con legami covalenti, sono diversi da quelli degli orbitali atomici in atomi isolati. Il numero di orbitali ibridi è uguale al numero di orbitali atomici che sono stati combinati per generarli. Tutti gli orbitali in un insieme di orbitali ibridi sono equivalenti in forma ed energia e il loro orientamento è previsto dalla teoria VSEPR. Gli orbitali ibridi si sovrappongono per formare legami σ, mentre gli orbitali non ibridati si sovrappongono per formare legami π.

Ad esempio, nello stato eccitato del carbonio, l’orbitale 2s e i tre orbitali 2p subiscono ibridazione producendo quattro orbitali ibridi sp³ degeneri tetraedrici. In una molecola di metano, l'orbitale 1s di ciascuno dei quattro atomi di idrogeno si sovrappone ad uno dei quattro orbitali sp³ dell'atomo di carbonio per formare un legame sigma (σ).

Allo stesso modo, la sovrapposizione di un orbitale 2s e due orbitali 2p del carbonio genera tre orbitali ibridi sp² equivalenti con geometria planare trigonale, mentre l'ibridazione di un orbitale 2s e uno degli orbitali 2p crea due orbitali sp orientati a 180° l'uno rispetto all'altro.

Per gli atomi che hanno orbitali d nei loro sottolivelli di valenza, l'ibridazione di cinque orbitali atomici del guscio di valenza (uno s, tre p e uno degli orbitali d) genera cinque orbitali ibridi sp³d con geometria bipiramidale trigonale. Una disposizione ottaedrica di sei orbitali ibridi si ottiene sovrapponendo sei orbitali atomici del guscio di valenza (un s, tre p e due orbitali d), che produce sei orbitali ibridi sp³d².

Questo testo è stato adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory and Section 8.2 Hybrid Atomic Orbitals.