Ibridazione degli orbitali dell’atomo di carbonio

16 02 2015

     L’atomo di carbonio è singolare: ha quattro elettroni di valenza e può impiegarli per formare altrettanti legami chimici covalenti, orientati nello spazio con una struttura tetraedrica. Può utilizzare i suoi elettroni per formare fino a quattro legami ibridi e dare origine a lunghe catene di atomi, più o meno ramificate, con legami molto stabili. Ma l’atomo di carbonio forma anche legami doppi e tripli con un altro atomo dello stesso tipo o doppi soprattutto con l’ossigeno. Sia i legami con l’idrogeno (negli idrocarburi e nelle biomolecole) sia quelli con l’ossigeno e l’azoto presentano una scarsa polarità, perché l’elettronegatività è molto simile.

     La struttura elettronica dell’atomo di carbonio è: 1s2 2s2 2p2 ; gli elettroni di valenza sono gli ultimi 4, di cui i primi due sono appaiati (spin opposto , 2s2) e gli ultimi spaiati: (stesso spin, 2p2 ), perché il terzo orbitale 2p è vuoto. Già nel 1931, l’anno precedente la scoperta del neutrone, Linus Pauling dimostrò che quando l’atomo di carbonio si combina con altri quattro atomi (4 legami singoli), ad esempio con l’idrogeno nella formazione del metano CH4 , uno degli elettroni dell’orbitale 2s passa ad uno stato “eccitato” andando ad occupare il terzo orbitale 2p. In questa nuova condizione, la nuova configurazione elettronica dell’atomo è: 1s2 2s1 2p3 , cioè IIII , con quattro elettroni spaiati, equivalenti, ibridi, orientati verso i vertici di un tetraedro al cui centro si trova il nucleo dell’atomo. Un’ibridazione di questo tipo è definita sp3 e gli angoli di legame (legami definiti sigma) sono di 109,5° con un’elevata stabilità energetica.

     Se un atomo di carbonio ibridato sp3 si lega ad un altro atomo di carbonio con la stessa ibridazione, la sovrapposizione di due orbitali ibridi forma un legame covalente omopolare chiamato anch’esso legame sigma. Questo caso si presenta nell’etano, la seconda molecola della serie degli alcani con formula C2H6. Questo sistema favorisce la formazione di lunghe catene di atomi di carbonio. Tipiche degli idrocarburi e di molte molecole biologiche.

     Non necessariamente l’atomo di carbonio deve legarsi a quattro altri atomi, può capitare che si leghi a tre atomi soltanto. In questo caso gli orbitali ibridi saranno solo tre, il quarto orbitale (il terzo degli orbitali p) non avrà alcuna ibridazione. In simboli: IIII (non ibridato). Un’ibridazione di questo tipo si dice sp2 e i corrispondenti legami giacciono sullo stesso piano (geometria planare). Se le condizioni lo permettono, nella formazione dei legami chimici ci può essere la sovrapposizione di due orbitali. Il primo formerà un legame sigma, il secondo un legame chiamato “pi greco”. Questa struttura si presenta nella molecola dell’etene o etilene, CH2=CH2 , il più semplice composto col doppio legame C=C, in cui la presenza del doppio legame fornisce rigidità all’asse C=C, impedendone la rotazione che invece è possibile con un legame singolo C – C.

     Può anche capitare che l’atomo di carbonio si leghi soltanto ad un altro atomo. Così gli orbitali ibridi saranno solo 2: sp, mentre gli altri due orbitali p non saranno ibridati. Questa situazione si presenta nella struttura dell’etino o acetilene, HCCH, il composto organico più semplice con un triplo legame tra atomi di carbonio. In questo caso, oltre alla sovrapposizione dell’orbitale centrale, c’è anche quella dei due orbitali “laterali” che conduce alla formazione di due legami pi greco che si aggiungono al legame sigma formando il triplo legame CC. La geometria di questa molecola è lineare, con i due orbitali ibridi sp di ciascun atomo di carbonio orientati a 180° l’uno rispetto all’altro.

 

Video: Ibridazione del carbonio, di Agorà Scienze Biomediche.   Hybridisation / Hybridization (sp, sp2, sp3) .   Credit immagini: www.homeworkassignmenthelp.com , chemistry-desk.blogspot.com ,


 




La costante di equilibrio

3 02 2015

     In qualche altra occasione mi sono già occupato di equilibrio chimico, uno stato di un sistema in cui si possono osservare e misurare le sue proprietà che rimangono costanti. Generalmente le reazioni raggiungono lo stato di equilibrio quando la velocità della reazione diretta è uguale a quella della reazione inversa.

     L’equilibrio chimico riguarda solo le reazioni reversibili, quelle in cui avviene contemporaneamente la reazione diretta e, dopo che si sono formati i prodotti, anche quella inversa da destra verso sinistra. Le reazioni chimiche reversibili sono la maggioranza, le altre reazioni invece sono irreversibili, come le combustioni o le ossidazioni.

     Le reazioni reversibili non si completano ma, in opportune condizioni, dopo un certo tempo arrivano ad una condizione di equilibrio. Per queste reazioni è possibile calcolare la costante di equilibrio. Considero una generica reazione reversibile:

mA + nB <===> qC + rD in cui le lettere maiuscole rappresentano le formule chimiche di reagenti e prodotti e quelle minuscole i rispettivi coefficienti stechiometrici.

Il valore della costante di equilibrio è dato dal rapporto

Keq = [C]q * [D]r / [A]m * [B]n Le parentesi quadre indicano la concentrazione molare delle sostanze in esse contenute, elevate ai corrispondenti coefficienti. Poiché la costante di equilibrio è data dal rapporto tra grandezze dello stesso tipo, per convenzione non viene indicata l’unità di misura, anche se le somme degli esponenti al numeratore e al denominatore sono differenti.

Al numeratore è indicato il prodotto delle concentrazioni dei prodotti della reazione, mentre al denominatore c’è il prodotto delle concentrazioni dei reagenti.

Il valore della costante di equilibrio fornisce indicazioni molto utili sulla tendenza di una determinata reazione ad avvenire: quanto maggiore è il valore di Keq, tanto maggiore sarà la quantità di prodotti che si ottengono quando si raggiunge l’equilibrio. La costante di equilibrio permette di sapere se una reazione avviene effettivamente e in che grado. Se il valore della costante è molto alto, la reazione avviene in modo completo. Viceversa, se il valore di Keq è molto basso, la reazione nella realtà non avviene affatto oppure avviene in minima parte. Nessuna informazione invece si può ricavare dalla costante di equilibrio sulla velocità della reazione e sul tempo che il sistema impiega a raggiungere l’equilibrio.

Considero qualche esempio, con la costante di equilibrio calcolata alla pressione di un bar e alla temperatura di 25 °C:

2H2 + O2 <===> 2H2O Keq = 3,5*1041 ;

H2 + I2 <===> 2HI Keq = 0,5 ;

2N2 + O2 <===> 2N2O Keq = 5,5*10-19 .

Si può osservare che i valori della costante di equilibrio variano notevolmente da una reazione all’altra. In generale, quando la costante è circa 1, l’equilibrio tra reagenti e prodotti si raggiunge quando la metà circa dei reagenti si è trasformata in prodotti. Se il valore di Keq è molto maggiore di 1, ad esempio maggiore di 103 , l’equilibrio è decisamente spostato a destra verso i prodotti (è il caso della formazione dell’acqua, in cui la reazione avviene al 100%). Se invece Keq è molto minore di 1, ad esempio minore di 10-3 , l’equilibrio è tutto spostato verso i reagenti (è il caso della formazione dell’ossido di diazoto, in cui la reazione praticamente non avviene affatto).

 

Prova con un esercizio: scrivi l’equazione tra il diossido di zolfo e l’ossigeno che porta alla formazione del triossido di zolfo. Bilanciala e calcola il valore della costante di equilibrio, sapendo le concentrazioni molari: [SO2]=1,50 M; [O2]=1,25 M; [SO3]=3,50 M. La reazione avviene? Se sì, l’equilibrio è spostato verso i prodotti o verso i reagenti?

Credit immagine 2: www.sapere.it