Metano, CH4
La visión simple de la unión en metano
- ¿Por qué He2 no está en forma molecular?
- ¿Cuál es la diferencia entre una molécula de sal y una molécula de agua?
- ¿Cuáles son los elementos químicos que forman las moléculas de proteínas?
- ¿El volumen de las moléculas permanece igual cuando cambian los estados?
- Si la luz no puede pasar a través de un átomo, ¿cómo llega la luz solar a nuestro planeta, aunque hay muchas moléculas en la atmósfera?
Estará familiarizado con el dibujo de metano utilizando diagramas de puntos y cruces, pero vale la pena observar su estructura un poco más de cerca.
Existe una seria falta de correspondencia entre esta estructura y la moderna estructura electrónica de carbono, 1s
2
2s
2
2p
X
1
2p
y
1
. La estructura moderna muestra que solo hay 2 electrones desapareados para compartir con los hidrógenos, en lugar de los 4 que requiere la vista simple.
Puede ver esto más fácilmente utilizando la notación de electrones en cajas. Solo se muestran los electrones de 2 niveles. Los 1s
2
los electrones son demasiado profundos dentro del átomo para participar en la unión. Los únicos electrones directamente disponibles para compartir son los electrones 2p. ¿Por qué entonces no es metano CH
2
?
Promoción de un electrón
Cuando se forman enlaces, se libera energía y el sistema se vuelve más estable. Si el carbono forma 4 enlaces en lugar de 2, se libera el doble de energía y la molécula resultante se vuelve aún más estable.
Solo hay una pequeña brecha de energía entre los orbitales 2s y 2p, por lo que paga el carbono para proporcionar una pequeña cantidad de energía para promover un electrón desde el 2s al 2p vacío para dar 4 electrones no apareados. La energía extra liberada cuando los enlaces se forman más que compensa la entrada inicial.
Ahora se dice que el átomo de carbono está en un estado excitado .
Nota: La gente a veces se preocupa de que el electrón promocionado se dibuje como una flecha hacia arriba, mientras que comenzó como una flecha hacia abajo. La razón de esto es bastante complicada, mucho más allá del nivel en el que estamos trabajando. ¡Acostúmbrate a escribirlo así porque hace que los diagramas se vean ordenados!
Ahora que tenemos 4 electrones no apareados listos para la unión, surge otro problema. En metano, todos los enlaces carbono-hidrógeno son idénticos, pero nuestros electrones están en dos tipos diferentes de orbitales. No obtendrá cuatro enlaces idénticos a menos que comience a partir de cuatro orbitales idénticos.
Hibridación
Los electrones se reorganizan nuevamente en un proceso llamado hibridación. Esto reorganiza los electrones en cuatro orbitales híbridos idénticos llamados sp
3
híbridos (porque están hechos de un orbital s y tres orbitales p). Deberías leer “sp
3
“como” sp tres “- no como” sp cubed “.
sp
3
Los orbitales híbridos se parecen un poco a la mitad de un orbital ap, y se organizan en el espacio de modo que estén lo más separados posible. Puedes imaginar el núcleo como el centro de un tetraedro (una pirámide de base triangular) con los orbitales apuntando a las esquinas. Para mayor claridad, el núcleo se dibuja mucho más grande de lo que realmente es.
¿Qué sucede cuando se forman los enlaces?
Recuerde que el electrón de hidrógeno está en un orbital de 1s, una región de espacio esféricamente simétrica que rodea el núcleo donde hay una probabilidad fija (digamos 95%) de encontrar el electrón. Cuando se forma un enlace covalente, los orbitales atómicos (los orbitales en los átomos individuales) se fusionan para producir un nuevo orbital molecular que contiene el par de electrones que crea el enlace.
Se forman cuatro orbitales moleculares, que se parecen bastante al sp original
3
híbridos, pero con un núcleo de hidrógeno incrustado en cada lóbulo. Cada orbital contiene los 2 electrones que hemos dibujado previamente como un punto y una cruz.
Los principios involucrados – promoción de electrones si es necesario, luego hibridación, seguido de la formación de orbitales moleculares – pueden aplicarse a cualquier molécula unida covalentemente.
La forma de metano
Cuando sp
3
Los orbitales se forman, se organizan de manera que estén lo más separados posible. Esa es una disposición tetraédrica, con un ángulo de 109.5 °.
Nada cambia en términos de la forma cuando los átomos de hidrógeno se combinan con el carbono, por lo que la molécula de metano también es tetraédrica con ángulos de enlace de 109.5 °.
