Investigar la variedad de compuestos orgánicos - Sesión 3

Como sabemos, una molécula de metano está formada por cuatro átomos de hidrógeno y un átomo de carbono. La forma de la molécula de metano es tetraédrica. De la misma manera, la molécula de agua tiene forma tetraédrica. La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. ¿Alguna vez te has preguntado cómo se unen los diferentes átomos para formar estos compuestos únicos? ¿O cómo se determina la forma de las moléculas? Bueno, la respuesta está en el concepto de hibridación.

Los átomos tienen diferentes tipos de orbitales, como los orbitales s y p, que difieren en sus formas y energías. Por ejemplo, el orbital s tiene forma esférica y menor energía. El orbital P tiene forma de mancuerna y mayor energía. Cuando observamos una molécula como el metano, vemos que las longitudes de enlace entre los átomos de carbono e hidrógeno son casi las mismas. Esta observación parece desconcertante porque los orbitales atómicos individuales del carbono y del hidrógeno tienen formas y energías diferentes. ¿Cómo es posible que formen enlaces con longitudes de enlace casi iguales? Esto se debe a la hibridación.

La hibridación implica la mezcla de diferentes tipos de orbitales atómicos que tienen diferentes formas y energías para crear nuevos orbitales híbridos. Estos orbitales híbridos tienen las mismas formas y energías. Discutiremos tres tipos de hibridaciones. Estos son sp³hibridación, sp2hibridación y sphibridación. En sp³hibridación, un orbital s y tres orbitales p se combinan para crear cuatro orbitales idénticos sp³orbitales híbridos. Estos orbitales híbridos tienen la misma forma y energía.

En el metano, el átomo de carbono sufre sp³hibridación. El átomo de carbono en el metano tiene una configuración electrónica de 1s² 2s² 2p². En su estado fundamental, tiene dos electrones en el orbital 1. Dos electrones están en los dos orbitales s. Dos electrones están en dos de los tres orbitales p. Para lograr una configuración estable, uno de los dos electrones s es promovido o excitado al orbital p vacío. Esta promoción da como resultado el átomo de carbono con una configuración electrónica de 1s² 2s¹ 2p³.

El átomo de carbono entonces experimenta sp³hibridación. Los dos orbitales s y los tres orbitales p se mezclan o hibridan para formar cuatro nuevos orbitales híbridos llamados sp³orbitales. Como resultado de sp³hibridación, el átomo de carbono ahora tiene cuatro átomos idénticos sp³orbitales híbridos.

Los cuatro sp³Los orbitales híbridos se organizan en una geometría tetraédrica alrededor del átomo de carbono. El ángulo es de aproximadamente uno cero nueve punto cinco grados entre cada orbital. Esta disposición asegura la máxima separación de pares de electrones y minimiza la repulsión entre ellos. Cada uno de los cuatro sp³Los orbitales híbridos se superponen con un orbital s de un átomo de hidrógeno, formando cuatro enlaces sigma. Estos enlaces sigma se forman por la superposición de orbitales atómicos a lo largo del eje internuclear. La densidad de electrones se concentra entre los átomos.

En sp²hibridación, un orbital s y dos orbitales p se combinan para crear tres orbitales idénticos sp²orbitales híbridos. El tercer orbital p permanece sin hibridar. En el eteno el átomo de carbono sufre sp²hibridación. Inicialmente, el átomo de carbono tiene una configuración electrónica de 1s²2s² 2p². Similar a sp³hibridación, uno de los dos electrones s es promovido o excitado al orbital p vacío. Esto da como resultado una configuración electrónica de 1s²2s¹2p³.

En sp2Hibridación en el eteno, los dos orbitales s y dos de los dos orbitales p del átomo de carbono se mezclan o hibridan para formar tres nuevos orbitales híbridos llamados sp2orbitales. El tercer orbital p restante 2pzpermanece sin hibridar. Es perpendicular al plano formado por la sp2orbitales.

Los tres sp²Los orbitales híbridos se organizan en una geometría trigonal plana alrededor del átomo de carbono. Están orientados en el mismo plano, con un ángulo de aproximadamente ciento veinte grados entre cada orbital. Esta disposición asegura la máxima separación de pares de electrones y minimiza la repulsión entre ellos.

En la molécula de eteno, uno sp²El orbital híbrido de un átomo de carbono se superpone con sp²orbital híbrido de otro átomo de carbono. Esta superposición se produce de manera frontal. Esto da como resultado la formación de un enlace sigma entre dos átomos de carbono. Los otros dos sp²El orbital híbrido se superpone con el orbital 1 de un átomo de hidrógeno.

Hablemos de los no hibridados 2pzorbital del átomo de carbono, que es perpendicular al plano de la sp²orbitales. Experimentan una superposición lateral con un orbital no hibridado correspondiente de otro átomo de carbono. Esta superposición lateral da como resultado la formación de un enlace pi. El enlace pi se forma por encima y por debajo del plano de la molécula, creando un enlace doble. En un enlace pi, la densidad electrónica se concentra por encima y por debajo del eje internuclear formado por el enlace sigma.

En la hibridación sp, nos centramos en el átomo de carbono como ejemplo. Inicialmente, el átomo de carbono tiene una configuración electrónica de 1s²2s²2p², con dos electrones en el orbital 1 y dos electrones en el orbital 2. Uno de los dos electrones s es promovido o excitado al orbital p vacío. Esto da como resultado una configuración electrónica de 1s²2s12p3.

Durante la hibridación sp, uno de los dos orbitales s y uno de los dos orbitales p se mezclan o hibridan para formar dos nuevos orbitales híbridos llamados orbitales sp. Como resultado de la hibridación sp, el átomo de carbono ahora posee dos orbitales híbridos sp idénticos. Los dos orbitales híbridos sp se organizan en una geometría lineal alrededor del átomo de carbono. El ángulo entre ellos es de 180 grados. Los dos orbitales p restantes no hibridados del átomo de carbono permanecen sin cambios. Son perpendiculares al plano formado por los orbitales híbridos sp. Estos orbitales p no hibridados conservan su forma y energía originales.

En el etino, un orbital híbrido sp de cada átomo de carbono se superpone con un orbital s del átomo de hidrógeno para formar un enlace sigma. El segundo orbital híbrido sp se superpone con el orbital híbrido sp del otro átomo de carbono del etino para formar un enlace sigma. Los dos orbitales p no hibridados del átomo de carbono experimentan una superposición lateral con los orbitales p no hibridados correspondientes del átomo de carbono adyacente. Esta superposición lateral da lugar a la formación de enlaces pi.

Para determinar rápidamente la hibridación de un átomo en una molécula, cuente el número de átomos unidos al átomo. Luego identifica cualquier par solitario que posea. Sume estos valores juntos. Si la suma es cuatro, la hibridación es sp³. Si la suma es tres, la hibridación es sp². Si la suma es dos, la hibridación es sp. Por ejemplo, en el amoniaco, tres átomos de hidrógeno están unidos al átomo de nitrógeno. El nitrógeno posee un par solitario de electrones. Esto suma un total de cuatro. Así que la hibridación del átomo de nitrógeno en el amoniaco es sp³.