La hibridación mezcla orbitales para crear nuevas direcciones
¿Por qué el carbono siempre se enlaza en cuatro direcciones? Los orbitales s y p puros por sí solos no pueden explicar el pulcro ángulo tetraédrico del metano. La hibridación es la idea de mezclar los orbitales s y p dentro de un mismo átomo para crear nuevos orbitales que comparten la misma energía y apuntan en direcciones definidas. La proporción de s y p que mezclas fija cuántas direcciones apuntan los orbitales y el ángulo entre ellas: sp es lineal, sp² es trigonal plana y sp³ es tetraédrica.
Un orbital s es una esfera sin dirección, y un orbital p son dos lóbulos que se extienden hacia delante y hacia atrás. Desliza un poco de carácter s cada vez. La s se suma al lóbulo delantero y se cancela contra el trasero, de modo que los dos lóbulos se vuelven un híbrido con un lóbulo grande de un lado y uno pequeño del otro. Solo un orbital tan direccional puede extenderse lejos y solapar bien para formar un enlace.
El número de orbitales que mezclas fija el número de direcciones. Mezcla un s con un p y las dos direcciones sp apuntan exactamente opuestas a 180 grados; con dos p obtienes tres direcciones sp² en un plano a 120 grados; con tres p obtienes cuatro direcciones sp³ en un tetraedro a 109.5 grados. Pulsa un botón para ver cómo los orbitales de un átomo se separan lo más posible y se asientan en estos ángulos.
Construye el metano tú mismo. El carbono extiende cuatro orbitales sp³ en direcciones tetraédricas. Une un hidrógeno cada vez y el orbital s de cada hidrógeno se solapa frontalmente con un lóbulo sp³ para formar un enlace σ. Cuando los cuatro están unidos obtienes un CH₄ totalmente simétrico, y cada ángulo H-C-H resulta ser exactamente 109.5 grados.
Desarma el enlace doble del eteno. Los dos carbonos están hibridados sp², así que un enlace σ los une frontalmente. Pero cada carbono conserva un orbital p, no usado en el híbrido, que queda perpendicular al plano. Estos dos se solapan de lado para formar un enlace π por encima y por debajo del plano molecular. Para mantener ese solapamiento π los dos carbonos deben permanecer en el mismo plano, así que el enlace doble es plano y no puede torcerse libremente.
El ángulo de enlace cambia suavemente según cuánto carácter s haya en el híbrido. Con un 25% de s alcanzas los 109.5 grados del sp³, con un 33% los 120 grados del sp² y con un 50% los 180 grados del sp. Cuanto más carácter s, más se abren los orbitales. Desliza el carácter s y observa cómo el ángulo se mueve con él, y sentirás por qué los ángulos se ensanchan donde se acumula el carácter s, la idea detrás de la regla de Bent.