Hibridación de orbitales
Por qué el carbono se une siempre en cuatro direcciones. Unos orbitales s puros y unos orbitales p solos no explican el ángulo tetraédrico limpio del metano. La hibridación es la idea de mezclar los orbitales s y p de un átomo para hacer orbitales nuevos de igual energía que apuntan en direcciones concretas. La mezcla fija cuántas direcciones apuntan los orbitales y con qué ángulo. sp² es un triángulo plano, y sp³ es un tetraedro. La mezcla hace las direcciones.
Un orbital s es una bola sin dirección, y un orbital p son dos lóbulos estirados adelante y atrás. Mezcla un poco de carácter s. Se suma al lóbulo de delante y se cancela en el de atrás, y aparece un orbital híbrido con un lado crecido y el otro encogido. Solo un orbital que se ha vuelto claramente direccional puede alargarse y enlazar bien. Un lado tiene que crecer para que el enlace se sostenga.
El número de orbitales que mezclas fija el número de direcciones. Mezcla un s con un p y dos direcciones sp quedan opuestas a 180 grados. Dos orbitales p dan tres direcciones en un plano a 120 grados. Tres orbitales p dan cuatro direcciones en un tetraedro a 109.5 grados. sp² y sp³ son el medio y el final de esa serie. Pulsa el botón y los orbitales de un átomo se empujan todo lo que pueden, y el ángulo en que se asientan se muestra. La cuenta fija el ángulo.
Construye el metano directamente. El carbono saca cuatro orbitales sp³ híbridos en direcciones tetraédricas. Une hidrógenos de uno en uno y el orbital s de cada hidrógeno se solapa de frente con un lóbulo, y nace un enlace sigma. Cuando los cuatro están unidos, aparece un CH₄ del todo simétrico, y cada ángulo H-C-H cae exactamente en 109.5 grados. La hibridación sp³ es ese armazón. Cuatro direcciones son una molécula.
Desarma el doble enlace del etileno. Los dos carbonos están hibridados, así que un enlace sigma los une de frente. Pero cada carbono conserva un orbital p, no usado en el híbrido, de pie perpendicular al plano. Los dos se solapan de lado y hacen un enlace pi por encima y por debajo del plano molecular. sp² es el armazón de ese plano. Para guardar el solapamiento pi, los dos carbonos tienen que quedarse en el mismo plano, así que un doble enlace es plano y no se puede torcer a voluntad. El plano frena la torsión.
El ángulo de enlace cambia con suavidad según el carácter s del híbrido. Con un 25% de carácter s son los 109.5 grados de sp³, con un 33% son los 120 grados de sp², y con un 50% son los 180 grados de una línea recta. Cuanto más carácter s, más se abren los orbitales. Empuja el carácter s y el ángulo de enlace se mueve con él, y se siente por qué el ángulo se abre del lado donde se junta el carácter s. El carácter empuja el ángulo.