L’ibridazione del carbonio descrive la geometria dei legami attorno a un atomo di carbonio. In organica si usano soprattutto sp^3, sp^2 e sp.
| Ibridazione | Geometria | Angolo | Legami tipici |
|---|---|---|---|
| sp^3 | tetraedrica | 109{,}5^\circ | alcani |
| sp^2 | trigonale planare | 120^\circ | alcheni, carbonili, aromatici |
| sp | lineare | 180^\circ | alchini, nitrili |
L’ibridazione è un modello di valenza: non va intesa come una fotografia letterale dell’atomo, ma come uno strumento per collegare numero di domini elettronici, geometria molecolare, tipo di legame e reattività.
Carbonio sp^3
Nel carbonio sp^3 un orbitale s e tre orbitali p si combinano in quattro orbitali ibridi equivalenti orientati verso i vertici di un tetraedro. È la situazione tipica degli alcani, dove il carbonio forma quattro legami \sigma.
L’angolo ideale è:
Questa geometria permette rotazione relativamente libera attorno ai legami semplici carbonio-carbonio, salvo barriere conformazionali dovute a eclissi, ingombro sterico o vincoli ciclici. La reattività degli alcani è quindi dominata da processi come combustione e sostituzione radicalica, non da addizioni a legami multipli.
Carbonio sp^2
Nel carbonio sp^2 un orbitale p resta non ibridato e può sovrapporsi lateralmente con un altro orbitale p per formare un legame \pi. I tre orbitali sp^2 giacciono su un piano con angoli prossimi a:
È la geometria di alcheni, carbonili, carbocationi planari e sistemi aromatici. Un doppio legame contiene un legame \sigma e uno \pi; la componente \pi impedisce la rotazione libera perché ruotare romperebbe la sovrapposizione laterale. Da qui derivano isomeria geometrica, planarità locale e reattività di addizione.
Nei carbonili, la polarizzazione del legame C=O rende il carbonio elettrofilo. Negli aromatici, gli orbitali p non ibridati partecipano a un sistema delocalizzato che stabilizza l’anello e cambia radicalmente la reattività rispetto a un alchene isolato.
Carbonio sp
Nel carbonio sp si formano due orbitali ibridi lineari e restano due orbitali p non ibridati, perpendicolari tra loro. Un triplo legame contiene un legame \sigma e due legami \pi:
L’angolo ideale è:
Questa geometria compare negli alchini e nei nitrili. La maggiore percentuale di carattere s rende il carbonio sp più elettronegativo, stabilizza meglio cariche negative vicine al nucleo e spiega l’acidità relativamente maggiore degli alchini terminali rispetto ad alcani e alcheni.
Percentuale di carattere s
La percentuale di carattere s cresce passando da sp^3 a sp^2 a sp:
| Ibridazione | Carattere s | Conseguenza qualitativa |
|---|---|---|
| sp^3 | 25\% | legami più lunghi e meno direzionali |
| sp^2 | 33\% | planarità e maggiore attrazione elettronica |
| sp | 50\% | linearità e legami più corti |
Più carattere s significa maggiore densità elettronica vicino al nucleo. Per questo, a parità di altri fattori, i legami con carbonio sp sono più corti e forti di quelli con carbonio sp^2, che a loro volta sono più corti di quelli con carbonio sp^3.
Come riconoscerla in pratica
Per assegnare l’ibridazione si contano i domini elettronici attorno al carbonio, considerando legami multipli come un solo dominio geometrico:
- quattro domini: sp^3;
- tre domini: sp^2;
- due domini: sp.
La regola funziona bene per la chimica organica introduttiva, ma va usata con attenzione in sistemi delocalizzati, intermedi reattivi, complessi organometallici o molecole con forte contributo di risonanza.
Vedi anche: Legame Chimico, Stereochimica.