1.10 : Teoría del enlace de valencia y orbitales híbridos

Según la teoría del enlace de valencia, un enlace covalente se produce cuando: (1) un orbital de un átomo se superpone a un orbital de un segundo átomo, y (2) los electrones individuales de cada orbital se combinan para formar un par de electrones. La fuerza de un enlace covalente depende del grado de superposición de los orbitales involucrados. La superposición máxima es posible cuando los orbitales se superponen en una línea directa entre los dos núcleos.

Un enlace σ (enlace simple en una estructura de Lewis) es un enlace covalente en el que la densidad electrónica se concentra en la región a lo largo del eje internuclear. Un enlace π es un enlace covalente que resulta de la superposición de dos orbitales p, uno al lado del otro. En un enlace π, las regiones de superposición orbital se encuentran en lados opuestos del eje internuclear, mientras que hay un nodo (un plano sin probabilidad de encontrar un electrón) a lo largo del eje. Todos los enlaces simples son enlaces σ, mientras que los enlaces múltiples constan de enlaces σ y π.

Cuando los átomos están unidos en una molécula, las funciones de onda de los orbitales atómicos pueden combinarse para producir nuevas descripciones matemáticas que tienen diferentes formas. Este proceso se llama hibridación y se logra matemáticamente mediante la combinación lineal de orbitales atómicos. Los nuevos orbitales resultantes se denominan orbitales híbridos.

Las formas y orientaciones de los orbitales híbridos, que se forman sólo en átomos unidos covalentemente, son diferentes de las de los orbitales atómicos en átomos aislados. El número de orbitales híbridos es igual al número de orbitales atómicos que se combinaron para generarlos. Todos los orbitales de un conjunto de orbitales híbridos son equivalentes en forma y energía, y su orientación la predice la teoría VSEPR. Los orbitales híbridos se superponen para formar enlaces σ, mientras que los orbitales no hibridados se superponen para formar enlaces π.

Por ejemplo, en el estado excitado del carbono, los orbitales uno 2s y tres 2p se hibridan dando lugar a cuatro orbitales sp³ híbridos degenerados orientados tetraédricamente. En una molécula de metano, el orbital 1s de cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno se superpone con uno de los cuatro orbitales sp³ del átomo de carbono para formar un enlace sigma (σ).

De manera similar, la mezcla de un orbital 2s y dos de los orbitales 2p del carbono genera tres orbitales híbridos sp² equivalentes con geometría plana trigonal, mientras que la hibridación de un orbital 2s y uno de los 2p crea dos orbitales sp orientados a 180° entre sí.

Para los átomos que tienen orbitales d en sus subcapas de valencia, la hibridación de cinco orbitales atómicos de la capa de valencia (uno s, tres p y uno de los orbitales d) da cinco orbitales híbridos sp³d con geometría bipiramidal trigonal. Se obtiene una disposición octaédrica de seis orbitales híbridos mezclando seis orbitales atómicos de la capa de valencia (uno s, tres p y dos de los orbitales d), lo que produce seis orbitales híbridos sp³d².