evidencia 3

EVIDENCIA No.  03

HIBRIDACIÓN sp³ DEL ÁTOMO DE CARBONO

OBJETIVOS:

·         Identificar la hibridación de orbitales en el átomo de carbono, como justificación teórica de lo que se observa en la realidad.

·         Construir una pirámide triangular o tetraedro  que represente la orientación de los cuatro enlaces con orbitales híbridos sp³ para el átomo de carbono.

INTRODUCCIÓN:

La promoción de un electrón desde el orbital 2s hasta el 2p vacío, experimenta la hibridación sp³ o tetragonal, consistente en la mezcla o hibridación del orbital 2s con los tres orbitales 2p para originar cuatro orbitales híbridos idénticos, llamados orbitales híbridos sp³:

Cada orbital híbrido es 25 por 100 s y 75 por 100 p y tienen forma bilobulada. Uno de los dos lóbulos de un orbital sp³es mucho mayor que el otro y puede por lo tanto superponerse mejor con otro orbital cuando forma un enlace. Como resultado, los orbitales híbridos sp³ forman enlaces más fuertes que los orbitales no híbridos s o p. El concepto de hibridación explica cómo forma el carbono cuatro enlaces tetraédricos equivalentes, pero no por qué lo hace. La sección transversal de un orbital híbrido sp³ sugiere la respuesta:

Según pone de manifiesto el estudio matemático del proceso, los ejes de sus cuatro lóbulos mayores se dirigen hacia los vértices de un tetraedro regular:

Esta hibridación, típica de todos los átomos de carbono unidos a otros cuatro átomos cualesquiera, supone la situación más perfecta para que el traslapamiento de cada uno de los cuatro orbitales híbridos con el correspondiente orbital de los átomos unidos al átomo de carbono tetraédrico sea máximo. Ello es debido a que la forma tetraédrica supone la mayor distancia posible entre los cuatro orbitales híbridos y, por tanto, entre los cuatro enlaces covalentes resultantes, con lo que sus repulsiones mutuas serán mínimas y el solapamiento o interpenetración mayor. Con ello, de acuerdo con el principio de Pauling de que a mayor solapamiento corresponde mayor fuerza del enlace, los enlaces s resultantes son muy fuertes y estables.

Metano

El metano, el hidrocarburo saturado más sencillo, de fórmula molecular CH₄, consiste en un átomo de carbono con hibridación sp³ que solapa sus cuatro orbitales híbridos con los orbitales s de cuatro átomos de hidrógeno para formar cuatro enlaces s fuertes carbono-hidrógeno. Dado que los cuatro enlaces tienen configuración geométrica específica, puede definirse una tercera propiedad importante denominada ángulo de enlace. El ángulo formado por cada H-C-H es exactamente de 109.5º, el llamado ángulo tetraédrico. En las siguientes figuras se muestran los orbitales implicados solapándose y la molécula de metano en proyección de cuña:

El metano tiene, por consiguiente, forma tetraédrica con el átomo de carbono en el centro del tetraedro y los átomos de hidrógeno en sus vértices. Esta situación se da en todos los demás compuestos orgánicos con átomos de carbono unidos a otros cuatro átomos porque siempre que un átomo de carbono esté enlazado a otros cuatro átomos con únicamente enlaces simples, tendrá hibridación sp³.

MATERIAL:

1 Esfera de unicel del No.       ; 2 hojas blancas; 1 regla de 30 cm; 4 palillos; 1 marcador tinta permanente; tijeras.

INSTRUCCIONES:

1.    En la esfera de unicel marcar tentativamente cuatro puntos equidistantes entre ellos.

2.    Marcar en los palillos una distancia que permita sea del mismo tamaño.

3.    Numerar cada palillo.

4.    Clavar los palillos en la esfera de unicel hasta la marca seleccionada para que la parte emergente del palillo sea igual en todos los casos.

5.    Ahora coloque una hoja de papel debajo del armado y marque los tres puntos donde se asientan los palillos, escriba el número de palillo en cada punto marcado. Repita la operación para las otras tres posiciones.

6.    Dibuje los triángulos formados en las hojas y recórtelos.

7.    Coloque uno de los triángulos sobre la mesa (considere que los números del triángulo recortado y de los palillos debe coincidir), con los otros triángulos recortados e identificados forme su pirámide triangular. Haga un registro gráfico con fotografías del proceso.

CUESTIONARIO:

a)     ¿Cuáles son los orbitales del átomo de carbono que se combinan para formar los orbitales híbridos sp³?

b)    ¿Qué explica la hibridación en el átomo de Carbono?

c)     ¿Cómo son los enlaces sigma (σ) resultantes en traslapamientos con los orbitales sp³ del carbono?

d)    ¿Cuál es el valor del ángulo formado en el caso del metano entre dos enlaces H – C – H?

e)      ¿Qué se asume cuando el átomo de Carbono se encuentra unido a otros átomos por enlaces sencillos?