Ibridazione degli orbitali: sp, sp² e sp³

Il carbonio ha quattro legami identici nel metano, disposti ai vertici di un tetraedro: ma i suoi orbitali atomici di partenza (uno s e tre p) non sono affatto uguali tra loro. Come si concilia? La risposta è l’ibridazione: gli orbitali atomici si «mescolano» formando orbitali ibridi equivalenti, orientati nello spazio in modo da spiegare esattamente le geometrie che osserviamo nelle molecole.

Vediamo che cos’è l’ibridazione, le tre forme principali sp, sp² e sp³ con le rispettive geometrie, e come questo concetto spiega la forma reale delle molecole.

Perché serve l’ibridazione

Gli orbitali atomici puri hanno forme ed energie diverse: un orbitale s è sferico, i tre orbitali p sono allungati lungo gli assi. Eppure in molte molecole tutti i legami dell’atomo centrale sono identici e formano angoli precisi. L’ibridazione risolve l’apparente contraddizione: gli orbitali atomici di un atomo si combinano matematicamente per dare un nuovo insieme di orbitali, gli orbitali ibridi, tutti uguali tra loro e orientati in modo da allontanarsi il più possibile l’uno dall’altro. Il numero di orbitali ibridi è sempre uguale al numero di orbitali atomici mescolati.

sp³: geometria tetraedrica

Quando un orbitale s si mescola con tre orbitali p si formano quattro orbitali ibridi sp³, identici e diretti verso i vertici di un tetraedro, con angoli di 109,5°:

1 orbitale s + 3 orbitali p → 4 orbitali sp³ (tetraedrici, 109,5°)

È il caso del carbonio nel metano e negli alcani, dell’azoto nell’ammoniaca e dell’ossigeno nell’acqua. In questi ultimi due, alcuni orbitali sp³ ospitano coppie solitarie invece di legami, il che comprime un po’ gli angoli (107° nell’ammoniaca, 104,5° nell’acqua), ma l’impalcatura resta tetraedrica.

sp²: geometria trigonale planare

Mescolando un orbitale s con due orbitali p si ottengono tre orbitali ibridi sp², complanari e diretti verso i vertici di un triangolo equilatero, con angoli di 120°. Resta un orbitale p non ibridato, perpendicolare al piano, disponibile per formare un legame pi greco. È l’ibridazione tipica degli atomi con un doppio legame: il carbonio negli alcheni, nel gruppo carbonilico, negli anelli aromatici. Il legame doppio è così un sigma (tra ibridi sp²) più un pi greco (tra i p non ibridati).

sp: geometria lineare

Mescolando un orbitale s con un solo orbitale p si ottengono due orbitali ibridi sp, allineati in direzioni opposte con un angolo di 180°: geometria lineare. Restano due orbitali p non ibridati, perpendicolari tra loro, capaci di formare due legami pi greco. È l’ibridazione del carbonio negli alchini (triplo legame) e nell’anidride carbonica. Il triplo legame è allora un sigma (tra ibridi sp) più due pi greco (tra i quattro p non ibridati dei due atomi).

sp → lineare (180°) · sp² → trigonale planare (120°) · sp³ → tetraedrica (109,5°)

Il filo conduttore è sempre lo stesso: più orbitali p restano non ibridati, più legami pi greco l’atomo può formare, e più la geometria si «appiattisce» passando da tetraedrica a planare a lineare.

Le tre ibridazioni in tabella

Uno schema riassuntivo collega ogni ibridazione agli orbitali mescolati, alla geometria, all’angolo e a un esempio tipico:

Conoscere l’ibridazione dell’atomo centrale permette di prevedere subito la forma della molecola e gli angoli di legame, e di sapere quanti legami pi greco si possono formare.

Domande frequenti

Che cos’è l’ibridazione degli orbitali?

È la combinazione matematica di orbitali atomici di uno stesso atomo (un orbitale s con uno o più orbitali p) per formare un ugual numero di orbitali ibridi tutti equivalenti tra loro. Questi orbitali ibridi si orientano nello spazio in modo da allontanarsi il più possibile, spiegando le geometrie reali delle molecole e l’uguaglianza dei legami.

Qual è la differenza tra sp, sp² e sp³?

Dipende da quanti orbitali p vengono mescolati con l’orbitale s. sp usa un solo p e dà due ibridi lineari (180°); sp² usa due p e dà tre ibridi planari (120°); sp³ usa tre p e dà quattro ibridi tetraedrici (109,5°). Più orbitali p restano non ibridati, più legami pi greco l’atomo può formare.

Come faccio a sapere l’ibridazione di un atomo?

Si contano i domini elettronici attorno all’atomo, cioè i legami (un legame doppio o triplo conta come uno solo) più le coppie solitarie. Due domini corrispondono a sp, tre a sp², quattro a sp³. È una regola rapida che collega direttamente il numero di gruppi attorno all’atomo alla sua geometria.

Perché l’acqua ha un angolo di 104,5° e non 109,5°?

Perché l’ossigeno dell’acqua è ibridato sp³, ma due dei quattro orbitali ibridi ospitano coppie solitarie invece di legami. Le coppie solitarie occupano più spazio e respingono di più, comprimendo l’angolo tra i due legami O–H da 109,5° a circa 104,5°. L’impalcatura resta comunque tetraedrica.

L’ibridazione spiega anche i legami doppi e tripli?

Sì. Negli atomi sp² resta un orbitale p non ibridato che forma un legame pi greco: un doppio legame è quindi un sigma tra ibridi più un pi greco. Negli atomi sp restano due p non ibridati che formano due legami pi greco: un triplo legame è un sigma più due pi greco. L’ibridazione spiega così sia la geometria sia la molteplicità del legame.