Teoría enlace valencia. Teoría de los enlaces "sigma - pi"

De Wikillerato

Teoría enlace valencia

La teoría de enlace valencia trata de modelizar lo que ocurre cuando dos átomos se aproximan entre sí para formar el enlace covalente proporcionando una imagen de los orbitales fácilmente visualizable. En esencia la teoría propone que un enlace covalente resulta cuando dos átomos se aproximan el uno al otro lo bastante cerca de tal manera que un orbital de valencia ocupando por un electrón en un átomo solapa con el orbital de valencia también ocupado por u electrón. Los electrones ahora apareados en el orbital solapado son atraídos hacia el núcleo de ambos átomos y así enlaza los dos átomos juntos.

La teoría propone que el enlace se forma por superposición o solapamiento (overlapping en inglés) de orbitales atómicos de los átomos enlazados y apareamiento de espines de electrones situados en orbitales atómicos semiocupados (con un solo electrón).

La superposición de orbitales atómicos de los átomos enlazados genera una alta densidad de carga negativa en la región internuclear que determina una disminución de la energía potencial del sistema, suficiente para estabilizar la unión entre los átomos. Cuanto mayor sea la extensión del solapamiento, mayor será el descenso de la energía potencial y más fuerte el enlace.

De acuerdo con la teoría, cada orbital atómico semiocupado significa una posibilidad de formar un enlace covalente.

Las ideas clave de la teoría enlace de valencia se pueden resumir en lo siguiente:

.- Los enlaces covalentes están formados por el solapamiento de orbitales atómicos, cada uno de los cuales contienen un electrón con diferente (opuesta) orientación del espín electrónico.

.- Cada uno de los átomos enlazados mantiene sus propios orbitales atómicos, pero el par de electrones en los orbitales enlazados es compartido por ambos átomos.

.- Cuanto mayor sea la cantidad de solapamiento, más fuerte es el enlace. Esto conduce a carácter direccional de este cunado orbitales diferentes al s están involucrados.

Por ejemplo en la molécula de el enlace resulta del solapamiento de dos orbitales s ocupados con un único electrón.

Los orbitales atómicos que más corriente participan en los enlaces son los s y los p. el solapamiento puede ser:

A.- Frontal, cuando la región de solapamiento es atravesada por el segmento internuclear, que se da en uniones s-s, s-p y en algunos casos p-p, y recibe el nombre de enlace sigma (σ).

B.- Lateral, cuando la región de solapamiento queda fuera del segmento internuclear, que se da en la mayor parte de las unioes p-p y se denomina enlace pi (π).

En general, los enlace sigma son como el esqueleto de las moléculas, su sostén estructural, mientras que los enlaces pi son más reactivos y más susceptibles a perturbaciones electomagnéticas exteriores.

Hibridación y orbitales híbridos

La valencia y la esteroquímica del carbono parace contradecir la teoría de valencia. El carbono tiene en su configuración electrónica fundamental . Según esta configuración el carbono tiene cuatro electrones de valencia, dos de los cuales están apareados en el orbital 2s y otros dos ocupan de manera desapareada dos orbitales 2p semiocupados, por lo que el carbono debería ser divalente. Pero por ejemplo en una molécula como el metano , el carbono muestra la típica tetravalencia de este elemento. Pero como el carbono puede formar cuatro enlaces si dos electrones de valencia están ya apareados y solo dos electrones no apareados están disponibles para compartir?.

La respuesta es que un electrón debe ser promovido desde el nivel más bajo de energía del orbital 2s al orbital vacante 2p de mayor energía dando una configuración de estado excitada con cuatro electrones desaparerados. Este fenómeno de promoción electrónica (excitación) por el que un electrón del subnivel s pasa al subnivel p para semiocupar un orbital, con lo que resultan cuatro espines sin aparear que explicarían las cuatro valencias del carbono.

Orbitales híbridos

Hay no obstante una segunda dificultad importante que viene del hecho de que la molécula de metano es tetraédrica, según ponen de manifiesto los datos experimentales, y eso es incompatible con la geometría de los orbitales implicados en el enlace, en el estado excitado el carbono utiliza uno s de simetría esférica y tres de simetría p cilíndrica alrededor de los tres ejes x, y, y z como podrían formarse cuatro enlaces equivalente? Además si los orbitales 2p en el carbono están en ángulos de 90º entre ellos, y si el orbital 2s no tiene direccionalidad, como el carbono forma enlaces con ángulos de 109.5 º dirigidos hacia las esquinas de un tetraedro regular? Las respuestas a estas cuestiones fueron proporcionadas por el químico americano Linus C. Pauling (1901-1994) en 1931 al introducir la idea de los orbitales híbridos. Pauling mostró que la función de onda mecano cuántica para los orbitales s y p derivadas de la ecuación de onda de Schrödinger puede ser matemáticamente combinada para formar un nuevo conjunto de funciones de onda equivalentes llamadas orbitales atómicos híbridos. Cuando un orbital s se combina con tres orbitales p, como ocurre en un átomo de carbono en estado excitado, cuatro orbitales híbrido llamados resultan (el superíndice 3 en el nombre no indica cuantos orbitales atómicos p están combinados para construir los orbitales híbridos, y no cuantos electrones ocupan cada orbital.

Cada uno de los cuatro orbitales equivalente tiene dos lóbulos de diferentes fase igual que un orbital p pero uno de los lóbulos es mayor que el otro. Los cuatro lóbulos mayores están orientados hacia los cuatro vértices de un tetraedro. Los orbitales híbridos tiene así configuraciones acentuadamente direccionales, de modo que cada uno sobre sale mucho más a lo largo del eje que el orbital p del que procede.

Los electrones compartidos en un enlace covalente formado con orbitales híbridos direccionales pasan la mayor parte de su tiempo en la región internuclear, como resultado los enlaces covalentes hechos de orbitales son frecuentemente muy fuertes. De hecho la energía liberada en formar los cuatro enlaces en el metano compensa la energía requerida para producir el estado excitado del carbono.

En el caso del metano, el carbono adoptaría una hibridación , resultante de la combinación de un orbital s y tres p, con lo lóbulos principales dirigidos según los vértices de un tetraedro. Los cuatro enlaces sigma del metano se formarían por solapamiento de orbitales híbridos con orbitales 1s del hidrógeno.

La misma clase de hibridación que describe los enlaces del carbono en la molécula metano tetraédrico describe los enlaces del nitrógeno en la molécula piramidal del amonio, el oxígeno en la molécula de agua, y en todos aquellos átomos que la teoría VSEPR predice por tener una ordenación tetraédrico.