Hibridación del carbono y enlaces sigma y pi

¿Qué híbrido usa el carbono y cuántos enlaces pi le quedan?

Si cuentas mal los orbitales p que sobran, el examen te pone un triple enlace donde solo hay uno doble. La hibridación es la combinación de las funciones de onda de los orbitales atómicos. En el agua, por ejemplo, el oxígeno acaba con cuatro híbridos que apuntan hacia un tetraedro, y el ángulo tetraédrico ideal es 109,5 grados. ¹

Un átomo rodeado por una disposición tetraédrica de pares de enlace y pares solitarios usa cuatro híbridos sp3, mezcla de un orbital s y tres orbitales p. Cada híbrido apunta a una esquina distinta del tetraedro. En el metano, CH4, el carbono está rodeado por cuatro hidrógenos en las esquinas de un tetraedro y presenta hibridación sp3. Sus cuatro electrones de valencia se reparten en esos híbridos y cada uno se empareja con un electrón del hidrógeno. El orbital 1s de cada hidrógeno se solapa con un sp3 y forma un enlace sigma. Salen cuatro enlaces covalentes equivalentes. No hay orbital p libre, así que no hay enlace pi. ¹

En el etano, C2H6, cada carbono tiene cuatro vecinos en las esquinas de un tetraedro: tres hidrógenos y un carbono. Un sp3 de un carbono se solapa extremo con extremo con un sp3 del otro y forma el enlace sigma entre carbonos. El resto forma enlaces sigma carbono-hidrógeno. Esos solapes suman siete enlaces sigma. La orientación de los dos grupos CH3 no queda fija: la rotación alrededor de los enlaces sigma ocurre con facilidad. ¹

Cuando hay tres regiones de densidad electrónica, la hibridación es sp2. Eso incluye un doble enlace y dos enlaces simples, como en el eteno, H2CCH2, y en el formaldehído. En el eteno cada carbono está rodeado por otro carbono y dos hidrógenos. Las tres regiones forman una geometría trigonal plana. Los enlaces sigma salen de híbridos sp2, mezcla de dos orbitales 2p y el orbital 2s. El enlace pi del doble enlace sale del tercer orbital 2p, el que no entró en la hibridación, perpendicular al plano de los sp2. Esos p se solapan de lado, por encima y por debajo del eje entre los núcleos. ²

En el eteno hay cinco enlaces sigma: uno carbono-carbono, por solape de dos sp2, y cuatro carbono-hidrógeno, por solape de un sp2 con un orbital s. El enlace pi es uno solo, por el solape lateral de los dos p. Los cuatro hidrógenos y los dos carbonos están en el mismo plano. Si esos planos se torcieran, los p no solaparían bien y no habría enlace pi. Por eso el eteno es plano. Girar un enlace sigma no cambia el solape, porque la densidad es simétrica respecto al eje. Girar alrededor de un enlace múltiple rompe el solape del pi. ²

Con híbridos sp quedan dos orbitales p sin hibridar. Es el caso del acetileno, H-C≡C-H, una molécula lineal. Los sp de los dos carbonos se solapan extremo con extremo y forman un enlace sigma entre carbonos. Los otros sp forman los enlaces sigma con el hidrógeno. Los dos p de cada carbono se solapan de lado y forman dos enlaces pi. Los dos carbonos del acetileno quedan unidos por un enlace sigma y dos enlaces pi: un triple enlace. En la molécula hay dos enlaces sigma carbono-hidrógeno y ese triple enlace. ²

En la hibridación entran los enlaces sigma, los pares solitarios y los electrones desapareados. Los enlaces pi no cambian la cuenta, porque usan los orbitales que no se hibridaron. Por eso la resonancia, que es otra forma de colocar los pi, no cambia la hibridación. En el benceno, C6H6, cualquiera de las dos formas de resonancia muestra cada carbono unido a otros tres átomos y sin pares solitarios, así que es sp2. Los electrones pi no se quedan en un solo par de orbitales p: están deslocalizados por todo el anillo. ²

El carbono del segundo periodo no tiene orbitales d de valencia. Las hibridaciones sp3d y sp3d2 solo caben en átomos que sí tienen orbitales d en la capa de valencia, no en los del primero o segundo periodo. Un carbono no arma cinco enlaces con híbridos que pidan un orbital d. ¹

Ideas clave

• sp3 mezcla un s y tres p. Da cuatro híbridos hacia las esquinas de un tetraedro, con ángulo ideal de 109,5 grados. ¹
• El metano es sp3: cuatro enlaces sigma carbono-hidrógeno y ningún enlace pi. ¹
• El etano también es sp3 en cada carbono. Suma siete enlaces sigma y se puede girar alrededor del sigma. ¹
• El eteno es sp2 y plano: cinco enlaces sigma y un enlace pi. Girar el doble enlace rompe ese pi. ²
• El acetileno es sp y lineal: un enlace sigma y dos enlaces pi entre los carbonos, más dos enlaces sigma con el hidrógeno. ²
• La resonancia no cambia la hibridación. En el benceno cada carbono sigue siendo sp2. ²

Ejemplos resueltos

Sigma y pi en tres moléculas chicas

Te dan metano, eteno y acetileno, y piden cuántos enlaces sigma y pi hay en cada una.

1. Metano: cuatro sigma carbono-hidrógeno. Cero pi, porque los cuatro orbitales de valencia entraron al sp3. ¹
2. Eteno: cinco sigma y un pi. El pi es el solape lateral de los p que no se hibridaron. ²
3. Acetileno: dos sigma carbono-hidrógeno, un sigma entre carbonos y dos pi. El triple enlace es ese sigma más los dos pi. Comprueba: no marques dos pi en el eteno ni uno solo en el acetileno. ²

¿Gira o no gira?

Una ficha dice que el etano y el eteno giran igual alrededor del enlace entre carbonos.

1. En el etano el enlace entre carbonos es sigma y la rotación ocurre con facilidad. ¹
2. En el eteno el doble enlace incluye un pi. Girar alrededor de ese eje rompe el solape lateral. ²
3. Comprueba: plano y sin giro libre apunta a sp2. Lineal, como el acetileno, apunta a sp. Tetraedro apunta a sp3. ^{2 1}

Errores comunes

• Si pones un enlace pi en el metano, contaste un orbital p que en el sp3 ya se usó. ¹
• Si dices que el eteno tiene dos enlaces pi, le diste al doble enlace la cuenta del triple. El eteno tiene un pi. El acetileno tiene dos. ²
• Si crees que la resonancia del benceno pasa algún carbono a sp3, la sección dice lo contrario: las dos formas dejan cada carbono en sp2. ²
• Si asignas sp3d a un carbono, le diste orbitales d que el segundo periodo no tiene en la capa de valencia. ¹

Cómo lo pregunta el examen

La pregunta por sigma y pi en el acetileno se responde con lo de esta página: dos enlaces sigma con hidrógeno, un sigma entre carbonos y dos pi. En el eteno la cuenta es cinco sigma y un pi. ²

La de ordenar enlaces por longitud no está en estas dos secciones. Quédate con el tipo de híbrido y con si el enlace es simple, doble o triple, que es lo que sí se describe. La de carbonos sp2 en una figura se decide contando carbonos con tres regiones de densidad, como el eteno, no los tetraédricos del metano. ^{1 2}

Resumen

• sp3: tetraedro, 109,5 grados, solo enlaces sigma. El metano tiene cuatro. ¹
• El etano gira alrededor del enlace sigma entre los dos carbonos sp3. ¹
• sp2: trigonal plana. El eteno tiene cinco sigma y un pi, y no gira libre. ²
• sp: lineal. El acetileno tiene un sigma y dos pi entre los carbonos. ²
• Resonancia no cambia el híbrido. El benceno es sp2 en cada carbono. ²