Struttura elettronica e legami covalenti

Configurazione elettronica e ibridazione dell'atomo di carbonio

L'atomo di carbonio, con numero atomico 6, presenta una configurazione elettronica di 1s2 2s2 2p2. Nello stato fondamentale, i due elettroni 2s e i due elettroni 2p consentono la formazione di due legami covalenti. Tuttavia, per raggiungere la configurazione dell'ottetto e formare quattro legami covalenti, il carbonio può promuovere un elettrone dal livello 2s al livello 2p, dando luogo a quattro elettroni spaiati pronti per la condivisione. Questo processo è noto come ibridazione, che può essere di tipo sp3 (quattro orbitali ibridi equivalenti), sp2 (tre orbitali ibridi e un orbitale p non ibridato) o sp (due orbitali ibridi e due orbitali p non ibridati), a seconda del tipo di legami che il carbonio deve formare. L'ibridazione determina la geometria molecolare: tetraedrica per sp3, planare triangolare per sp2 e lineare per sp. Gli orbitali ibridi sp3 sono coinvolti nella formazione di legami covalenti σ, mentre gli orbitali p non ibridati sono utilizzati per formare legami π.

Tipi di ibridazione e geometria molecolare

La geometria molecolare è strettamente correlata al tipo di ibridazione degli atomi coinvolti. Nel caso dell'ibridazione sp, risultante dalla combinazione di un orbitale s e un orbitale p, la molecola assume una geometria lineare, come nell'etino (C2H2). Con l'ibridazione sp2, che coinvolge un orbitale s e due orbitali p, la molecola acquisisce una geometria planare triangolare, tipica dell'etene (C2H4). L'ibridazione sp3, che implica la combinazione di un orbitale s e tre orbitali p, conferisce alla molecola una geometria tetraedrica, come nell'etano (C2H6). Queste strutture sono fondamentali per comprendere la reattività chimica e le proprietà fisiche dei composti organici.

Legami covalenti e differenza di elettronegatività

I legami covalenti si formano tramite la condivisione di coppie di elettroni tra atomi per raggiungere una configurazione elettronica ottimale. La differenza di elettronegatività tra carbonio (En = 2,55) e idrogeno (En = 2,20) è minima, il che indica che i legami C-H sono covalenti non polari. Questi legami sono caratteristici dei composti organici e sono determinanti per le loro proprietà chimico-fisiche. Quando la differenza di elettronegatività tra due atomi è maggiore, i legami covalenti possono diventare polari, con una distribuzione asimmetrica della densità elettronica.

Ibridazione sp3d e sp3d2 nei non metalli

Gli atomi di non metalli possono esibire ibridazioni sp3d e sp3d2 quando si verificano situazioni di coordinazione superiore a quattro. Queste ibridazioni coinvolgono gli orbitali d per ospitare più di quattro coppie di elettroni. Per esempio, l'ibridazione sp3d si riscontra nel pentacloruro di fosforo (PCl5), dove il fosforo forma cinque legami covalenti σ disposti ai vertici di una bipiramide trigonale. L'ibridazione sp3d2 è presente nell'esafloruro di zolfo (SF6), dove lo zolfo forma sei legami covalenti σ in una configurazione ottaedrica. Queste ibridazioni sono meno comuni rispetto a sp, sp2 e sp3 e sono tipiche di elementi del terzo periodo o superiori, che dispongono di orbitali d accessibili.

Rappresentazione delle strutture molecolari con la simbologia di Lewis

La simbologia di Lewis è un metodo grafico per rappresentare le strutture molecolari, evidenziando la disposizione degli elettroni di valenza e la formazione di legami covalenti. Le strutture di Lewis illustrano gli elettroni spaiati e le coppie di elettroni condivisi o non condivisi, facilitando la comprensione della struttura elettronica delle molecole. Questo approccio è particolarmente utile per visualizzare legami semplici, doppi e tripli, come nel monossido di carbonio (CO) e nello ione cianuro (CN-). Le strutture di Lewis sono impiegate anche per rappresentare molecole e ioni poliatomici, come il tricloruro di fosforo (PCl3) e l'acido borico (H3BO3), fornendo una rappresentazione visiva della loro struttura elettronica e della geometria molecolare.