Orbitales y Estructura

ANALISIS ESTRUCTURAL EN MOLECULAS ORGANICAS

La completa estructura de los compuestos orgánicos implica conocer su geometría molécular y sus diferentes tipos de enlaces covalentes. Estos dos aspectos se conocen, a su vez, por medio de los conceptos de orbitales: atómicos, híbridos y moleculares. Esta información permite explicar tanto la forma de las moléculas como sus propiedades.

ENLACE COVALENTE.

El enlace típico de los compuestos orgánicos es el enlace covalente. El enlace covalente es el resultado del compartimiento de uno o más pares electrónicos por parte de los átomos involucrados en la formación del enlace.

¿CUANTOS TIPOS DE ENLACES COVALENTES HAY?

Hay tres tipos de enlaces covalentes:

-enlace sencillo: se comparte sólo un par electrónico

-enlace doble: se comparten dos pares electrónicos

-enlace triple: se comparten tres pares electrónicos

En la formación de estos enlaces, los átomos tienden a obedecer la ley del octeto.

La explicación teórica de la formación de un enlace covalente puede hacerse tanto desde el punto de vista de la teoría de enlace-valencia como por la de los orbitales moleculares.

¿COMO DESCRIBE LA TEORiA DE ENLACE-VALENCIA EL ENLACE COVALENTE?

Esta teoría considera el enlace entre átomos adyacentes como aquél formado por el solapamiento (sobreposición) de los distintos orbitales atómicos de valencia, uno en cada átomo, y ambos conteniendo un electrón con giros opuestos. Cada átomo enlazado mantiene sus propios orbitales atómicos pero el par electrónico en los orbitales solapados son compartidos por ambos átomos. A mayor solapamiento, mayor la fortaleza del enlace.

¿COMO EXPLICA LA TEORIA DE ENLACE VALENCIA LOS ENLACES SENCILLOS, DOBLES Y TRIPLES?

Un enlace sencillo es el resultado del solapamiento de orbitales a lo largo del eje internuclear (línea imaginaria que une los dos núcleos). Este enlace se conoce como enlace sigma, y se obtiene del pareamiento de electrones debido al solapamiento de dos orbitales "s", o de un orbital "s" con un orbital Px, o de dos orbitales Px, o de cualesquiera dos orbitales atómicos que se solapen a lo largo del eje internuclear (eje de X). El enlace sigma es cilindricamente simétrico:

En un enlace pi se requiere del solapamiento de orbitales que interaccionen fuera del eje internuclear, específicamente orbitales 'Py' y/o 'Pz' , que quedan perpendiculares al eje internuclear (eje de X).

En un doble y triple enlace, además del enlace sigma, se requiere de uno o dos enlaces pi, respectivamente:

¿COMO DESCRIBE LA TEORIA DE ORBITALES MOLECULARES EL ENLACE COVALENTE?

En el caso de los orbitales moleculares, el enlace covalente se visualiza como uno entre átomos enlazados a una distancia de equilibrio, con los electrones colocados uno a uno en orbitales que abarcan toda la molécula. Se producen tantos orbitales moléculares como el número de orbitales atómicos combinados. La combinación de cualesquiera dos orbitales atómicos genera siempre dos orbitales moleculares: uno de enlace y otro de antienlace.

¿COMO EXPLICA LA TEORIA DE ORBITALES MOLECULARES LOS ENLACES SENCILLOS, DOBLES Y TRIPLES?

Por la teoría de orbitales moleculares se entiende que el solapamiento de los orbitales a lo largo del eje internuclear genera un orbital de enlace llamado sigma . Por lo tanto, todo enlace sigma implica un enlace sencillo y viceversa. En cada enlace sigma hay dos electrones pareados. Su densidad electrónica es cilindricamente simétrica alrededor del eje internuclear.

Para el caso de enlaces dobles o triples, la teoría de orbitales moleculares especifíca la formación de un orbital sigma y un orbital "pi" para un doble enlace y de un orbital sigma y dos orbitales "pi" para el triple enlace.

Un orbital "pi" se genera por el solapamiento de los orbitales que interaccionan fuera del eje internuclear: por lo general, orbitales atómicos ''p''. Su densidad electrónica se ubica sobre y debajo de este eje. Cada orbital posee un par de electrones pareados: en este caso se produce un enlace pi.

(Sólo se indican los orbitales de enlace; por conveniencia los orbitales de antienlace no se ilustran. Los dos lóbulos que constituyen el orbital molecular pi de enlace forman un sólo enlace).

La teoría de orbitales moléculares es muy conveniente para explicar el fenómeno de la deslocalización de electrones: electrones que pueden enlazar más de dos átomos a la vez debido a que se encuentran en orbitales moleculares deslocalizados, es decir, solapados y abarcando varios átomos.

¿EXISTE ALGUNA RELACION ENTRE LOS ORBITALES HIBRIDOS Y EL ENLACE COVALENTE?

El concepto de orbital híbrido sirve para explicar la estructura geometrica de una molecula. El acercamiento de dos orbitales híbridos de diferentes átomos para producir un enlace covalente localizado puede describirse, tambien, con la teoría de enlace-valencia o de los orbitales moleculares.

ORBITALES HIBRIDOS

¿QUE SON LOS ORBITALES HIBRIDOS?

Cuando los orbitales de un mismo átomo interaccionan entre sí, producen lo que se conoce como Orbitales Atómicos Híbridos, que definen la estructura geométrica de un compuesto. Los orbitales híbridos son combinaciones matemáticas de orbitales atómicos que, por poseer las propiedades direccionales necesarias sirven para explicar la estructura geométrica de una molécula poliatómica. La hibridación de orbitales atómicos es la mezcla teorica, en un mismo átomo, de dos o más orbitales atómicos de energía similar, para producir un mismo número de nuevos orbitales.

Cada orbital híbrido posee algo de las características de los orbitales de quienes se originan. Los orbitales híbridos resultantes tienen carácter direccional, por lo que se espera un enlace más favorable con otros átomos.

¿CUALES SON LOS ORBITALES HIBRIDOS MAS COMUNES EN LOS COMPUESTOS ORGANICOS?

Los orbitales más comunes en los compuestos orgánicos son : sp, sp2 y sp3. Su origen y el total de orbitales que se generan por la combinación de los diferentes orbitales atómicos se reseña a continuación:

¿QUÉ ESTRUCTURA GEOMÉTRICA DESCRIBE CADA ORBITAL HIBRIDO?

Los orbitales híbridos tienen carácter direccional por lo que cada uno describe una estructura geométrica definida una vez ocupados por electrones. Esta geometría es la siguiente:

¿COMO SE GENERAN ESTOS ORBITALES HIBRIDOS?

El número atómico de Carbono es 6. Por lo tanto, contiene un total de 6 electrones, cuya configuración es la siguiente: 1s2 2s2 2p2

Aplicando la regla de Hund la distribución será:

Para el proceso de hibridación se requiere que el electrón del orbital 2s se desplace hacia al orbital vacante p de ese mismo nivel energético. Al culminar la excitación electrónica todos los orbitales del nivel 2 poseen un electrón.

Esto permite la combinación lineal de los orbitales atómicos s y p del nivel 2, o sea, su hibridación.

Para predecir la hibridación de orbitales y los ángulos de enlace se usa el siguiente método:

1- Dibuje la estructura de Lewis.

2- Cuente los enlaces sigma alrededor de cada átomo central. El total de enlaces sigma será igual al número de orbitales híbridos en ese átomo. (Enlaces múltiples (dobles; triples) se consideran como sencillos.)

3- Determine la geometría, hibridación, angulo de enlace usando la siguiente tabla.

4-Si el átomo central tiene pares solitarios el total de orbitales hibridos será la suma de enlaces sigma + total de pares solitarios. La presencia de pares solitarios afecta la geometria y el ángulo de enlace:

¿CUANDO Y COMO SE FORMAN LOS TIPOS DE ENLACES COVALENTES EN LOS COMPUESTOS ORGANICOS?

El átomo principal en los compuestos orgánicos es el Carbono. Los ángulos de enlace en estos compuestos están generalmente cercanos a 109.5°, 120° ó 180°, que corresponden al ángulo formado por los orbitales híbridos sp3 , sp2 y sp, respectivamente.

Cuando un átomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes sencillos es que hibridiza produciendo cuatro orbitales híbridos sp3 , orientados hacia los ápices (puntas) de un tetrahedro regular, con ángulos cercanos a 109.5°.

Los enlaces sencillos se producen por el solapamiento de cada orbital sp3 con el orbital correspondiente del otro átomo. Por ejemplo, Metano, CH4 :

Si se produce un doble enlace, entonces el carbono hibridiza produciendo tres orbitales híbridos sp2 (ángulos cercanos a los 120°, geometría trigonal planar) manteniendo sin hibridizar un orbital atómico ''p'' con un electrón.

El solapamiento de los orbitales sp y los orbitales ''p'' puros de los dos átomos a enlazarse, produce el doble enlace.

Para el compuesto Eteno, C2H4 , la estructura geométrica sería la siguiente:

El enlace H-C-H es de aproximadamente 120° y describe un triángulo plano. El solapamiento de los orbitales sp2 a lo largo del eje que une los dos carbonos genera un enlace sigma ; el solapamiento de los orbitales ''p'' puros generan, a su vez, un enlace pi. Entre los dos se obtiene el doble enlace carbono-carbono. Tambien se generan enlaces sigma entre los hidrógenos y el carbono.

En el caso de un triple enlace, el carbono hibridiza generando dos orbitales sp, separados a 180° uno del otro, dejando en estado puro dos orbitales atómicos ''p''.

El solapamiento de los orbitales sp y los dos orbitales ''p'' puros de los dos átomos a enlazarse son los que producen el triple enlace:

Este es el caso, por ejemplo, de Acetileno, C2H2 , que se ilustra en la siguiente figura:

El triple enlace consta, pués, de un enlace sigma y dos enlaces pi entre los carbonos. El ángulo de enlace H-C-H es de 180°y la molécula posee una geometría lineal. El enlace C-H es sigma.

Ejemplo:

Agua - H20 - Estructura de Lewis:

Dos enlaces Sigma y dos pares solitarios = 4 orbitales híbridos sp3 en el oxígeno. La geometría es angular; cada enlace OH es un enlace sigma y los dos pares solitarios están, cada uno, en orbitales sp3. No hay enlaces pi. El ángulo de enlace es menor a 109.5°

-Estructura geométrica:



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