Hibridación y geometría molecular

Tipos de enlaces químicos: σ y π

La estructura espacial de una molécula depende en gran medida de cómo se solapan las nubes electrónicas de los átomos durante la formación de los enlaces químicos.

• Enlace $\_sigma$ (enlace sigma): surge del solapamiento de orbitales a lo largo del eje que une los núcleos atómicos. Puede formarse por la interacción de dos orbitales $s$ ($H_2$), un orbital $s$ y uno $p$ ($HCl$), o dos orbitales $p$ ($Cl_2$).
• Enlace $\_pi$ (enlace pi): se forma debido al solapamiento lateral de orbitales $p$ no hibridados ($p_y$ o $p_z$) por encima y por debajo del plano del enlace. Esto ocurre cuando el espacio en el eje entre los núcleos ya está ocupado por un enlace $\_sigma$.

El número de enlaces $\_pi$ determina el orden de enlace: un enlace doble consta de un enlace $\_sigma$ y uno $\_pi$, mientras que uno triple consta de un enlace $\_sigma$ y dos $\_pi$. La presencia de enlaces $\_pi$ aumenta significativamente la estabilidad de la molécula (por ejemplo, en el nitrógeno $N_2$ con enlace triple, la energía alcanza los 946 kJ/mol).

Tipos principales de hibridación

Dependiendo del número de orbitales participantes, existen tres tipos principales de hibridación, característicos, por ejemplo, del átomo de carbono:

1. Hibridación $sp$. Se mezclan un orbital $s$ y un orbital $p$. Se forman dos orbitales híbridos idénticos orientados en direcciones opuestas. El ángulo entre ellos es de 180°, lo que determina una geometría lineal (ejemplos: acetileno $C_2H_2$ y dióxido de carbono $CO_2$). Los dos orbitales $p$ no híbridos restantes pueden formar dos enlaces $\_pi$.
2. Hibridación $sp^2$. Participan un orbital $s$ y dos orbitales $p$. Surgen tres orbitales híbridos que se encuentran en el mismo plano formando un ángulo de 120° entre sí. La estructura de la molécula es plana (ejemplo: etileno $C_2H_4$). El orbital $p$ perpendicular restante forma un enlace $\_pi$.
3. Hibridación $sp^3$. Incluye un orbital $s$ y los tres orbitales $p$ del mismo nivel. El resultado son cuatro orbitales híbridos dirigidos hacia los vértices de un tetraedro en ángulos iguales de 109,5°. La molécula tiene una estructura tetraédrica (ejemplos: metano $CH_4$ o un cristal de diamante).

Casos especiales: enlaces sin hibridación y elementos d

No todas las moléculas se forman mediante hibridación. En algunos átomos (por ejemplo, azufre y fósforo), en el estado fundamental hay electrones $p$ desapareados en el nivel externo, ubicados en orbitales $p$ mutuamente perpendiculares.

Durante la formación de compuestos de hidrógeno con fósforo (fosfina $PH_3$) y azufre (ácido sulfhídrico $H_2S$), los enlaces químicos se forman mediante orbitales $p$ puros y no hibridados. Dado que los orbitales $p$ iniciales forman un ángulo de 90° entre sí, los ángulos de valencia en estas moléculas son cercanos a 90° (alrededor de 93°).

En los metales del bloque $d$, los orbitales $d$ también son de valencia. Si participan en la hibridación dos orbitales $d$, uno $s$ y tres $p$ (tipo de hibridación $d^2sp^3$), se forman 6 orbitales híbridos dirigidos hacia los vértices de un octaedro. Esto es típico de los compuestos de coordinación octaédricos.

Preguntas de clases y exámenes

Qué más repasar sobre el tema

• Estructura electrónica de los átomos de fósforo y azufre en su estado fundamental
• Esquema de formación de enlaces en la molécula de acetileno (C2H2)
• Influencia de los enlaces múltiples en la energía de la molécula (usando como ejemplo nitrógeno, oxígeno y flúor)
• Solapamiento de orbitales en la formación de compuestos de coordinación de metales del bloque d

Otros temas de la sección «Capítulo 5. Estructura de la materia»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.