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IBRIDAZIONE E LEGAMI DEL CARBONIO

IBRIDAZIONE E LEGAMI DEL CARBONIO
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Ibridazione e legami del carbonio


Come elemento del IV gruppo il C ha scarsa tendenza a formare ioni, sia positivi che negativi e per tanto i suoi legami saranno di tipo covalente. Nei composti organici il C è tetravalente, salvo eccezioni rarissime.

Il capostipite degli idrocarburi è il metano CH4 nel quale è dimostrato che il C si trova al centro di un tetraedro regolare ai cui vertici sono sistemati gli atomi d’H [1] Sul foglio si può rappresentare con le forme [2] [3] in cui si conviene che i legami a tratto continuo giacciano sul piano del foglio, quelli tratteggiati entrino nel foglio allontanandosi dall’osservatore, quelli a cuneo siano diretti verso l’osservatore. Rappresentazione [4] è una formula di struttura semplificata che non si pone problemi sul reale assetto spaziale della molecola. (Piramide a tre facce, nel punto centrale è posto un C)




H



C


H H



H





H




si allontana


H C H

in rilievo





H

[2]


H





H C H





H








H




H C H





H





Perché i legami C – H sono tra loro indistinguibili e diretti secondo i vertici di un tetraedro? La conurazione elettronica del C nello stato fondamentale (1 s2 ,2 s2 , 2 p1x ,2 p1y ) presenta un C bivalente , disposto a mettere in tecipazione gli elettroni che da soli occupano un orbitale

(2p1x ,p 1y).

Si potrebbe pensare che il C assuma una conurazione di valenza (1 s2 ,2 s1 , 2 p1x ,2 p1y p1z ) in cui un elettrone passa da 2s a 2pz, venendo così ad avere la possibilità di formare due legami in più, ma tali legami sarebbero distinguibili (un orbitale s e tre orbitali p).










TABELLA (1)




Coke

distillazione Gas

Catrame


Carboni Gas d’aria

gassificazione Gas d’acqua

Gas misto




idrogenazione Idrocarburi

Naturali Gas naturali Metano

in via di Alcani C2 – C3

esaurimento

Gas

Benzine

Cherosene

Petrolio distillazione Gasolio

Oli lubrificanti

Olio combustibile

Residuo

Fonti di

materie

prime

Glicerina

Grassi e oli Sapori

Fibre sintetiche



Cellulosa

Carbone di legna

Tannini

Agricole Legno Oli essenziali

(rinnovabili) Trementina

Caucciù



Zuccheri Alcool



Alcool

Acido citrico

Amido Acido lattico

Acido glutamminico














Interviene a questo punto un’operazione matematica di ricalcolo di questi orbitali, chiamato IBRIDIZZAZIONE, con la quale partendo da un orbitale s e tre p si ottengono 1+3=4 orbitali ibridi di tipo sp3 ,indistinguibili tra loro e disposti ad un angolo di 109 ¢(ibridizzazione tetraedrica). Queste nuvole di densità elettronica sono disposte in questo modo:





C C





[5] [6]


E vengono utilizzate nelle formazione di legami C – H per sovrapposizione con gli orbitali 1s di quattro atomi di H. Ciascuno dei quattro indistinguibili legami presenta simmetria cilindrica intorno all’asse che congiunge i nuclei dei due atomi e viene chiamato legame sigma (s). Tanti orbitali sp3 appartenenti ad atomi di C diversi possono sovrapporsi e formare lunghe catene

[C – C – C – C] – ; a legame covalente semplice C – C e la cosa lascia intravedere che i composti organici siano tanto numerosi. Che cosa succede a livello dei legami C – C ? Si consideri ora come modello l’etano[7], domandandosi se sia più verosimile rappresentarlo con la formula [8], nella quale gli H stanno alla massima reciproca distanza, o con la formula [9] derivante da una rotazione che fa perno sul legame sigma C – C , nella quale gli H sono alla minima distanza possibile.


H H

| | H            

H – C C – H |

| | C

H H

H H



H H


C

|

H



[8]















H


C

H H



H


C



H H


[9]


A¢



H

H H

.

H H


H



B¢


H

H



H H

H H





La risposta è che di etano ce n’è uno solo, in quanto non ha senso vincolare una conformazione o l’altra , o altre ancora intermedie tra le due, essendo pressoché del tutto libera la rotazione intorno al legame sigma. Le proiezioni [10]e[11] ,rappresentano in modo convenzionale ma altrettanto efficace le conformazioni [8]e[9].

Oltre all’ibridizzazione sp3 il carbonio può presentare anche quella sp2 . In tale caso si ottengono 1+2=3 orbitali ibridi di tipo sp2 che risulteranno indistinguibili e sullo stesso piano ad angolo di 120 (IBRIDIZZAZIONE TRIGONALE) mentre l’orbitale 2pz non coinvolto nell’ibridizzazione rimane inalterato e disposto normalmente al piano dei tre orbitali sp2 [12].

Un carbonio di questo tipo richiede, per la sovrapposizione degli orbitali, almeno un secondo carbonio con il quale forma un legame sigma.

Un’ulteriore sovrapposizione fra i due orbitali 2pz forma un legame p. In [13] è schematizzata la molecola dell’etilene, in cui e il doppio legame C = C ( s p) oltre a quattro legami s

C – H.






H π H

σ

C    C

σ σ


H H




[12] [13]


A A

A H



  C = C               C = C




H                                                   H H A






[15]


CIS TRANS


A differenza dell’etano il legame p porta un irrigidimento della struttura in quanto una rotazione intorno al legame C = C comporta la desovrapposizione degli orbitali 2pz, cioè la rottura del legame p. Il legame p si trova sul piano ortogonale rispetto al piano (AA CC HH), per cui la struttura[14] che ha i 2 gruppi A dalla stessa parte rispetto al piano diventa distinguibile da quella [15] in cui i sostituenti A si trovano opposti (isomeri geometrici CIS – TRANS).

La serie continua con l’ibridizzazione sp : in tale caso si formano 1+1=2 orbitali ibridi sp(ibridizzazione digonale), opposti a 180 (condizione di minima repulsione), mentre gli orbitali 2py e 2pz rimangono inalterati e disposti ortogonalmente fra loro come indicato in ura [16]. Due atomi di questo tipo formeranno un legame s C – C (sp+sp)    e due legami p (2pz+2pz, 2py+2py ), portando a una molecola tipo ACETILENE

I due legami p formano una nuvola che ha simmetria cilindrica rispetto all’asse C – C [17]. Questa volta, con tutti gli atomi allineati, non ha più senso andare a vedere che cosa succeda in caso di rotazione.

z





pY


Sp sp



x





y

PZ





[16]









H H









[17]


H – C ≡ C – H



Nella tabella (2) che segue vengono riportate alcune caratteristiche dell’etano, dell’etilene,

dell’ acetilene che mostrano che al crescere del grado di insaturazione, cioè del numero di legami

C – C, cresce l’energia di tali legami e diminuisce, oltre alla loro lunghezza, anche quella dei legami C – H .



TABELLA





FORMULE


IBRIDAZIONE


ANGOLI

LEGAMI

C – C

(Kcal )

LEGAMI

C – C

LEGAMI

C – H


ETANO



C2H6


Sp3


¢



(semplice)


1.54Å


1.10Å


ETILENE



C2H4


Sp2





(doppio)


1.34Å


1.09Å


ACETILENE



C2H2


Sp





(triplo)


1.21Å


1.06Å










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